【正文】 采取的措施。 闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的作用和目的以及增壓方式分類。 闡述了發(fā)動(dòng)機(jī) 的廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究意義及 發(fā)展 現(xiàn)狀 。 論述了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及前景 。 提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的最有效措施是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中的沖量密度，即采用增壓技術(shù)。 1905 年，蘇爾壽兄弟研發(fā)公司的總工程師阿爾佛雷德 ?J?波西博士在瑞士溫特圖爾首次提出了渦輪增壓的概念，并于當(dāng)年的 11月 16日，被德國專利局授予了第 204630號(hào)專利 “ 內(nèi)燃機(jī)輔助增壓器技術(shù) ” ，這標(biāo)志著渦輪增壓技術(shù)正式誕生。 隨著渦輪增壓技術(shù)的普及、深入，有關(guān)渦輪增壓方面的新技術(shù)、新工藝、新材料、新理念開始不斷涌現(xiàn)。 車用汽油機(jī)的速度和功率范圍寬廣，工況變化頻繁，扭矩儲(chǔ)備要大，這些在采用廢氣渦輪增壓后，不采取特殊措施， 會(huì)限制它的推廣。又由于增壓汽油機(jī)的熱負(fù)荷高，燃燒室和氣缸的壁面溫度較高，對(duì)新鮮充量的熱輻射和熱傳導(dǎo)都將增加，這也會(huì)導(dǎo)致焰前反應(yīng)的增加，促使正常燃燒速度增加，但對(duì)未燃混合氣的壓爆作用也增強(qiáng)。對(duì)汽車的動(dòng)力要求更加迫切，因此就需要不斷提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度。汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速一般也不超過 6000r/min。 所謂增壓，就是借助于裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的專用增壓裝置，預(yù)先壓縮進(jìn)入氣缸的空氣，以提高進(jìn)入氣缸中的充氣密度。關(guān)于增壓程度的劃分目前尚無統(tǒng)一的規(guī)定 ，但通常以增壓壓力劃分。 （ 4） 復(fù)合增壓，同時(shí) 采用機(jī)械式和廢氣渦輪式兩種形式的增壓。采用機(jī)械增壓時(shí)，渦輪增壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于排氣背壓，所以機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性優(yōu)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失小。而且目前小功率汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)40006000r/min，新發(fā)展的機(jī)械增壓器轉(zhuǎn)速也只有 10000r/min 左右，只需傳動(dòng)比為 2 4 左右的皮帶傳動(dòng)即可。但是，由于驅(qū)動(dòng)增壓器需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。高增壓時(shí)功率提 高甚至可大于 100%。 缺點(diǎn) : （ 1）至今為止渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性以接近非增壓或機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，但仍有差異。在成批量生產(chǎn)的渦輪增壓器中，已公開發(fā)表的最小葉輪直徑為 34mm最小的質(zhì)量?jī)H為 2kg，它可用于排量為 150mL 的 7. 4Kw 小型發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓，葉輪 140mm 以下的增壓器，壓氣機(jī)最高效率可達(dá) c? = , 增壓器總效率可達(dá) c? = 。由于廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而目前對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能效果很好，當(dāng) 1 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器的相比，可增加大約 40%甚至更多 。而且在高原地區(qū)也可以恢復(fù)功率減少油耗。 國內(nèi)非常常見的國產(chǎn)的奧迪、帕薩特、寶來的 發(fā)動(dòng)機(jī)就是采用的這種技術(shù)。 （ 1） 渦輪遲滯是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的最大難題。即便采用了這些保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)仍然比自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性差。 1978 年保時(shí)捷 911 的 升渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)問世，它取代了 升的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。到了 80 年代，渦輪增壓的公路性能進(jìn)一步被改進(jìn)。 （ 2） 早期的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是純 機(jī)械 的將空氣壓縮和送入燃燒室。 Waste gate是一個(gè)安裝在進(jìn)氣管上的閥門，一旦壓力超過臨界值，此閥門打開，可以釋放出多余的高壓氣體，確保發(fā)動(dòng)機(jī)不受損害。例如：它能設(shè)置讓發(fā)動(dòng)機(jī)在 3000 轉(zhuǎn)以下產(chǎn)生 的增壓壓力，在 30004500 轉(zhuǎn)產(chǎn)生 的增壓壓力，在 4500rpm以上產(chǎn)生 的增壓壓力。小直徑的渦輪增壓器擁有更輕的重量和更小的慣性，因此能有效的減小渦輪遲滯。一種是并聯(lián)式的雙渦輪，它擁有兩個(gè)小直徑的渦輪增壓器，渦輪高低轉(zhuǎn)速，兩個(gè)渦輪都是同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的。薩博是渦輪增壓技術(shù)的先行者，它是第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)采用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的廠家。事實(shí)證明，此款發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更好的扭力特性曲線，從而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，比相同功率的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。 渦輪增壓技術(shù)特點(diǎn) 總體來說，當(dāng)今的車用渦輪增壓技術(shù)主要具有以下 5 點(diǎn)特征： （ 1）小型化 在發(fā)動(dòng)機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要做重大改變，即很容易提高功率 20%50%。 （ 2）節(jié)能 渦輪增壓器的原理是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)同軸的 壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)對(duì)將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn) 8 氣量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后耗油率也可降低5%10%。但增壓對(duì)汽油機(jī)和柴油機(jī)排 放的影響是有區(qū)別的。由于增壓柴油機(jī)能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，因此有時(shí)可放棄部分燃油經(jīng)濟(jì)性的好處來 換取全面降低排放，同時(shí)也提高了充量溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。 （ 5）渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)多種匹配方式 為了最大限度地發(fā)揮渦輪增壓技術(shù)的潛力和不同目的的需求，人們研究出了多種渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方案 。大中型柴油機(jī)多采用軸流式渦輪增壓器，而對(duì)于車用內(nèi)燃機(jī)則采用徑流式渦輪增壓器。 圖 32 離心式壓氣機(jī)簡(jiǎn)圖 Simplified diagram of centrifugal pressor 10 圖 33 空氣在工作輪中流動(dòng)的速度三角形 Velocity triangle of air in the running wheel 圖 34 擴(kuò)壓器原理圖 Schematic diagram of diffuser 在工作輪入口處，氣流的絕對(duì)速度是 1c ，由于工作輪繞軸旋轉(zhuǎn)，所以氣流將沿相對(duì)速度 1? 的方向流入工作輪葉片所形成的流道。擴(kuò)壓器為截面逐漸增大的流道，空氣流經(jīng)擴(kuò)壓器時(shí)，它所具有的動(dòng)能，大部分在這里轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，氣流的速度降?，而壓力溫度升高。為此在無葉擴(kuò)壓器外側(cè)設(shè)置葉片擴(kuò)壓器，這時(shí)空氣的流動(dòng)軌跡是由葉片所限制的。 壓氣機(jī)的絕熱效率 壓氣機(jī)的絕熱效率是衡量壓氣機(jī)性能的基本指標(biāo)。目前渦輪增壓器上應(yīng)用的離心式壓氣機(jī)絕熱效率為 。將各種轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)連接在一起，就可確定喘振線，壓氣機(jī)只能在喘振線右邊的范圍內(nèi)工作。由于車用內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍很大，從而要求壓氣機(jī)高效率區(qū)的流量范圍不宜過窄，為此在增壓器研制中常采用具有無葉擴(kuò)壓器的壓氣機(jī)或采用一種具有后彎式的工作輪使之更符合氣流在工作流道中的流動(dòng)規(guī)律，以增大高效率的工作范圍 [9] 。 由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中排出的氣體具有壓力 TP 、 溫度 T ，并以速度經(jīng)進(jìn)氣渦殼流入噴嘴環(huán)。 渦輪機(jī)的特性 增壓器的渦輪機(jī)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的裝置。渦輪機(jī)流量特性雖受阻塞的限制，但工作范圍比壓氣機(jī)大得多，一種渦輪機(jī)可以和不同的壓氣機(jī)配套。內(nèi)燃機(jī)增壓的先進(jìn)技術(shù)主要集中于美國、德國和日本。而且汽油機(jī)空燃比由于工作循環(huán)的性質(zhì)決定，仍需限制在較濃的狹窄范圍內(nèi)，又不能用較大的氣門重疊角使較多的掃氣空氣來降低燃燒室零件和排氣的溫度。增壓使壓縮終了混合氣的溫度、壓力趨于升高，致使爆燃的傾向增大。同時(shí)，汽油機(jī)又不能通過提高氣門重疊角加大掃氣來冷卻受熱零件 (如氣門、燃燒室等 )，造成汽油機(jī)在增壓后的熱負(fù)荷偏高。當(dāng)節(jié)氣門突然開大時(shí)，增壓器響應(yīng)滯后造成動(dòng)力響應(yīng)的滯后。 車用渦輪增壓汽油機(jī)參數(shù)匹配特點(diǎn) 抑制爆振燃燒和降低熱負(fù)荷 汽油機(jī)的最大增壓壓力主要是受爆振的限制，而增壓后爆振加劇的最大原因是由于熱負(fù)荷增加，兩者是密切相關(guān)的。 op 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，海平面取為 。理想的點(diǎn)火提前角是調(diào)整到即將爆震而尚未爆振時(shí)，此時(shí)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均最好。 改善渦輪增壓汽油機(jī)的扭矩特性 車用增壓汽油機(jī)與柴油機(jī)一樣，必須有低轉(zhuǎn)速大扭矩 特性，要有一個(gè)較大的速度系數(shù)或一個(gè)較大的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)。 目前改善增壓汽油機(jī)特性的措施一般有下列方法 : ①采用放氣。當(dāng)高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)，扭矩不希望很大，而這時(shí)流量較 大，節(jié)流效果較強(qiáng)，因而增壓壓力得到控制。汽油機(jī)的增壓滯后問題更顯得突出，因?yàn)槠蜋C(jī)本身的慣性小，靈活性強(qiáng)，轉(zhuǎn)速范圍寬廣，所以對(duì)增壓器的反應(yīng)要 求更高。小尺寸的渦輪增壓器具有小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于提高加速性的作用很大，為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在條件具備的情況下，寧可使用兩個(gè)小增壓器而不用一個(gè)大增壓器。排氣系統(tǒng)的阻力應(yīng)盡可能地小。 進(jìn)氣噴水量必須適中，過大的水量不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而且使燃燒不穩(wěn)定，氣缸內(nèi)潤滑條件變壞。在解放 CA lOB 型的增壓實(shí)驗(yàn)中，采用了排氣支管噴入降溫措施，在外特性試驗(yàn)中，汽油機(jī)在轉(zhuǎn)速為 1600r/min,排氣溫度達(dá) 700? C，此時(shí)四個(gè)噴頭同時(shí)噴水。我國 20 世紀(jì) 70 年代末開始研究汽油機(jī)增壓，并在 CAl0B 和 DG2610012 機(jī)型上取得成功。到 2020 年，只有少數(shù)車型采用增壓，還沒有國產(chǎn)增壓車型。對(duì)聯(lián)合工作曲線的分析表明 :設(shè)計(jì)的可變噴嘴渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配良好，不會(huì)出現(xiàn)喘振和阻塞。結(jié)合渦輪增壓， FSI 擁有性能高和油耗低的特點(diǎn) [5] 。同時(shí)要求增壓器在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速均有高的效率，因?yàn)樘岣咴鰤浩鞯牡退傩?，可以使低速時(shí)也具有較高的增壓壓力，使汽油機(jī)低速扭矩特性得到改善，從而使汽車的加速性得到改善。然而，由于后彎角的增大，使壓氣機(jī)葉片強(qiáng)度下降，且壓氣機(jī)的壓頭系數(shù)降低。 ③采用可調(diào)式進(jìn)氣口壓氣機(jī)或可變截面 噴嘴環(huán)渦輪。 ④采用電子點(diǎn)火自動(dòng)控制裝置。 ⑥采用增壓加中冷的增壓系統(tǒng)。在車用工況使用場(chǎng)合，增壓器反應(yīng)時(shí)間問題尤為突出。 20 5 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 可變截 面 渦輪增壓器 對(duì)于車用高速柴油機(jī)，為了改善低工況性能，可采用高速時(shí)放氣的措 施 ， 這是一種簡(jiǎn)單而安全的措 施 ，但高工況經(jīng)濟(jì)性不好。與傳統(tǒng)渦輪增壓器相比，這極大地改善了低轉(zhuǎn)速時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和加速能力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的瞬態(tài)性，因此可變噴嘴葉片調(diào)整的響應(yīng)性也是可變 的。這一系統(tǒng)應(yīng)用在 90 和 100hp 的直 4 升機(jī)型上，還有 升直 5 以及 升 V6 上?；匚粡椈砂磧杉?jí)工作，即預(yù)噴在低壓下進(jìn)行，主噴則在高壓下進(jìn)行。 新工藝、新材料 渦輪增壓器制造工藝的發(fā)展主要得益于 CAD/CAM、 CFD 技術(shù)的發(fā)展與新設(shè)備的應(yīng)用。現(xiàn)在渦輪增壓技術(shù)的工藝、材料的發(fā)展集中體現(xiàn)在對(duì)渦輪增壓器零部件的改進(jìn)和創(chuàng)新。 對(duì)車用渦輪增壓器將要求尺寸更小，質(zhì)量更輕，效率更高，同時(shí)要求增壓器有良好的可靠性，并可按機(jī)工況要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。 得出以下結(jié)論： 采用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)可以 降低發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛的小型化、輕量化和降低成本有巨大的吸引力；采用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率；可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體和 CO 的排放量 等；發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)經(jīng)過多年來的不斷發(fā)展與完善，在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并且有著極大的發(fā)展空間，在將來會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。 本文的研究工作分為以下幾個(gè)方面： （ 1） 闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行增壓的原因、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的方式 。 新理念 新型的廢氣渦輪增壓器以提高可靠性、可維修性和經(jīng)濟(jì)性為重點(diǎn)，采用整體集成設(shè)計(jì)結(jié)合先進(jìn)的材料使增壓器提高了效率，減少了系統(tǒng)的零部件，簡(jiǎn)化了在機(jī)器上的安裝，延長(zhǎng)了大修間隔期，減少了維修工作量及維修工時(shí)，保證在整個(gè)壽命周期更低的運(yùn)行成本。三元流方法可以更準(zhǔn)確、更全面地描述葉輪內(nèi)部流場(chǎng)，利用它對(duì)各種損失模型與葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的深入研究已經(jīng)取得很大成績(jī)，現(xiàn)已成為渦輪增壓器葉輪設(shè)計(jì)的基本方法。提高燃油噴射壓力可以顯著地改善排放水平，例如 Audi A4 TDI 把噴射壓力提升至 1368bar，把排氣顆粒水平降低了 20%。每個(gè)噴嘴包含帶回位彈簧的活塞，一旦燃油壓力超過設(shè)定值，噴口即打開。大多數(shù)大眾 TDI 發(fā)動(dòng)機(jī)使用博世 VP 37 電控分配泵，通常它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，由正時(shí)皮帶驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)地，在各個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的節(jié)油 性能也更上一層樓。 渦輪增壓系統(tǒng)的心臟是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片。變截