发动机涡轮增压中冷技术对排放的影响

摘 要：涡轮增压技术由涡轮和压气机两个主要部件组成的增压器来进行增压工作。对于增压压力较高的中、高增压发动机，一般需装置中间冷却器，以提高进气密度。分析表明涡轮增压及增压中冷技术对降低发动机排放起着重要作用。

关键词：发动机；功率提升；排放控制

发动机涡轮增压技术主要作用是提高发动机功率、降低燃油消耗，同时涡轮增压中冷技术对降低发动机排放起到十分重要的作用。增压技术的发展主要归结于涡轮增压技术。

一、涡轮增压器的组成及工作原理

（一）组成部件及关键零件

涡轮增压器由涡轮和压气机两个主要部件以及轴承与密封装置、润滑与冷却系统所组成。涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温、高压和高速运转的工作状况下，因此对部件材料和加工技术都要求很高。

（二）工作原理

涡轮增压器利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮带动同轴的叶轮，叶轮再压送由空气滤清器管道进来的空气，使之增压或者增压冷却进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，提高了充入气缸的空气密度，可以有更多的燃料进入气缸进行充分燃烧。达到提高平均有效压力，提升功率，改善经济性和降低污染的目的。

二、与其它增压器的比较

涡轮增压器最明显的是“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，使发动机延迟增加或减少输出功率。目前除涡輪增压以外，应用较普遍的是机械增压。机械增压是指增压器由发动机直接驱动，二者之间的转速比一般固定不变，具有较快的响应性，加速线性化。但其靠发动机驱动力，需消耗动力。

三、中间冷却器的作用

对于增压压力较高的中、高增压发动机，一般需装置中间冷却器，这是因为涡轮增压器吸进的空气经压缩温度会升高，空气在流动过程中与进气管壁摩擦还会进一步升温。发动机的有效功率N与充入气缸的气体密度ρ成正比，密度越大，功率越大，增压空气密度ρ由气体状态方程决定。即：ρ=P/RT（kg/m3）式中：P—增压压力，Pa（绝对压力）；T—增压时空气绝对温度，K；R—气体常数（287.14J/kg.K）。增压发动机功率大小与增压压力P成正比，与增压空气温度T成反比。只有当空气温度T保持不变的条件下，发动机的有效功率N才与P成线性关系。

四、涡轮增压及增压中冷技术对降低排放分析

发动机的排放污染物主要有CO、HC、NOX和微粒物等。此外，由于温室效应引起全球变暖的问题，CO2的排放量也受到限制。采用涡轮增压和增压中冷技术可降低其排放值。

（一）一氧化碳（CO）

发动机中CO是燃料不完全燃烧的产物，主要是在局部缺氧或低温下形成的。采用涡轮增压后，可供燃烧的空气增多，并且增压发动机大多数工况负荷较大，缸内温度能保证燃料更充分燃烧，CO排放可进一步降低。

（二）碳氢化合物（HC）

发动机排气中的HC是主要由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中間化合物所组成；小部分HC是由润滑油生成的。增压时，由于进气密度增加，可以改善油束的形成、提高燃油雾化质量，减少沉积于燃烧室壁面上的燃油，增压还使发动机燃烧整个循环的平均介质温度升高，氧化反应速率大，未燃HC排放降低。

（三）氮氧化物（NOx）

发动机中氮氧化物的主要成分NO的生成取决于氧的浓度、温度及反应时间等。降低NO的措施是以降低火焰温度、氧浓度及高温下停留时间为目标。如果只简单采用增压措施，可能会因为过量空气系数增大和燃烧温度的升高而导致NOX增加。采用进气中冷技术降低进气温度，可降低增压发动机NOX排放，进气充量温度降低，燃烧温度可以得到有效控制，有利于NOX的减少。实际应用中，发动机增压时采用减小压缩比、推迟喷油定时等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。压缩比的减小可以降低压缩终了的介质温度从而降低燃烧火焰温度；推迟喷油定时，可以缩短滞燃期，减少油束稀薄火焰区的燃料蒸发和混合，降低最高燃烧温度。为减少喷油定时导致的后燃期过长的问题，须增大供油速率，缩短喷油时间，以加快燃烧速率，缩短燃烧时间。

（四）微粒物（PM）

影响发动机微粒物生成的原因较复杂，其主要因素是过量空气系数、燃油雾化质量、喷油速率、燃烧过程和燃油质量等。此外，发动机机内净化降低NOX的措施通常会带来PM增加。增压发动机，特别是采用高增压压比和空—空中冷技术后，可显著增大进气密度，增加缸内可用的空气量。如同时采用高压燃油喷射、共轨电控喷射、低排放燃烧室和中心喷嘴四气阀技术，并提高燃油雾化质量，改善燃烧过程，则可有效地控制PM排放。

五、结语

废气涡轮增压及中冷技术的应用大大提高了发动机的动力性，改善了燃油经济性，并且还对有害物的排放、环境保护等方面起到了重要作用。随着涡轮增压器技术和其他先进发动机技术的进一步发展，发动机将会成为真正的低能耗、高环保性的动力。

参考文献：

[1]焦高荣.王斌.发动机涡轮增压器的结构和原理[J].内燃机，2007（3）：26-27.

[2]魏蔚.发动机排气污染的分析及其控制技术[J].西安科技学院学报，2003，23（3）：328-330.

[3]王明华.内燃机节能手册[M].北京：化学工业出版社，1987：207-298.

推荐访问:排放 发动机 涡轮增压 影响 技术