【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、新工藝、新材料、新理念開始不斷涌現(xiàn)?？梢哉f，正是由于各種排放、噪聲法規(guī)的大量出臺(tái)和人們對(duì)渦輪增壓技術(shù)的更高要求，特別是渦輪增壓技術(shù)對(duì)高原發(fā)動(dòng)機(jī)的功率補(bǔ)償，車用渦輪增壓技術(shù)迎來了發(fā)展的黃金時(shí)期。廢氣渦輪增壓已經(jīng)成為車用發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用的主要增壓方式?？傮w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%。由于不像機(jī)械增壓時(shí)壓比受到限制，故近年來高增壓的趨勢(shì)越來越明顯。高增壓時(shí)，功率提高甚至可大于100%。因此，采用渦輪增壓技術(shù)，可在功率保持不變的前提下，大大降低發(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。（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)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%。因此，可以用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)來代替大功率的自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能和節(jié)油的目的。如一臺(tái)1. 65 L排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等于一臺(tái)3. 78 L排量的非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。（3）環(huán)保 渦輪增壓器能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能，必將降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體和CO的排放量。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。對(duì)汽油機(jī)來說，由于過量空氣系數(shù)接近于1，增壓對(duì)汽油機(jī)排放的影響局限于節(jié)能部分。而柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)本來就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1，增壓使柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，對(duì)排放產(chǎn)生了明顯的影響。若把自然吸氣柴油機(jī)改成同樣排量的增壓柴油機(jī)，因其空氣供應(yīng)充足，碳煙和CO的排放會(huì)大幅度減少，加之燃燒充分，燃燒溫度升高，燃燒室的化學(xué)反應(yīng)更趨強(qiáng)烈，HC化合物的排放也會(huì)降低，但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，會(huì)使平均有效的NO、排放量增加。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?yè)Q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。這可使重型柴油機(jī)排放的NO降低80%，微粒減少90%，比油耗改善16%。（4）高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，降低了含氧量，使燃燒過程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，冒煙加重。為了更好地組織燃燒，提高氧的利用率，采用渦輪增壓技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，補(bǔ)償因進(jìn)氣不足而損失的功率。（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。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)、可調(diào)渦輪噴嘴截面增壓系統(tǒng)、電動(dòng)放氣渦輪增壓系統(tǒng)、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和帶電機(jī)的渦輪增壓器。此外，還有超高增壓系統(tǒng)掃氣旁通系統(tǒng)及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等，這些在中、小功率車用柴油機(jī)上應(yīng)用不多。3廢氣渦輪增壓的原理 渦輪增壓器根據(jù)廢氣在渦輪機(jī)內(nèi)不同的流通方向，可分為徑流式渦輪與軸流式渦輪兩大類。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31)為徑流式渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)圖，它是由離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)這兩個(gè)主要部分，以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)所組成。圖31 徑流渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖 diagram of radial flow turbocharger離心式壓氣機(jī)主要由進(jìn)氣道工作輪擴(kuò)壓器3和出氣渦輪殼4組成。(如圖32)空氣沿收斂的軸向進(jìn)氣道流入時(shí)，氣流略有加速。圖32 離心式壓氣機(jī)簡(jiǎn)圖 Simplified diagram of centrifugal pressor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，由于工作輪繞軸旋轉(zhuǎn)，所以氣流將沿相對(duì)速度的方向流入工作輪葉片所形成的流道。為了減少流動(dòng)損失，需要將葉片前沿部分順空氣流入的方向彎曲成某一角度，使與氣流人口角基本一致。當(dāng)空氣進(jìn)入工作輪上葉片組成的流道后，受離心力壓縮被甩向工作輪外緣，空氣從回轉(zhuǎn)的工作輪上獲得了能量，使壓力、溫度、特別是氣流速度均有較大增長(zhǎng)。 在工作輪出口處氣流的方向由出口速度三角形決定(如圖33),該方向也就是空氣流入擴(kuò)壓器時(shí)的入口方向。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?，氣流的速度降低，而壓力溫度升高? 擴(kuò)壓器通常由無(wú)葉擴(kuò)壓器與葉片擴(kuò)壓器組成(如圖34)。無(wú)葉擴(kuò)壓器實(shí)際上是兩側(cè)壁形成的環(huán)形空間，高速氣流在此環(huán)形空間中沿對(duì)數(shù)螺線運(yùn)動(dòng)，氣流速度與圓周切線之間的夾角總是不變。它的流動(dòng)軌跡較長(zhǎng)，擴(kuò)壓比較緩慢。為此在無(wú)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。葉片的存在迫使空氣不能沿對(duì)數(shù)螺線自然運(yùn)動(dòng)，而使其沿著此角向增大的方向偏移，因而在相同的直徑下，可以獲得較大的擴(kuò)壓比，減少了氣流運(yùn)動(dòng)的軌跡長(zhǎng)度和摩擦損失，提高了擴(kuò)壓器效率。 蝸殼的作用為收集從擴(kuò)壓器流出的空氣，并繼續(xù)進(jìn)行空氣動(dòng)能向壓力能轉(zhuǎn)變的過程，并將這部分空氣輸向柴油機(jī)進(jìn)氣管。總之，空氣流經(jīng)壓氣機(jī)的這些流道時(shí)，完成一系列功能轉(zhuǎn)換，二將渦輪機(jī)傳給壓氣機(jī)工作輪的大部分機(jī)械功能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝獾膲毫δ堋? 壓氣機(jī)的絕熱效率是衡量壓氣機(jī)性能的基本指標(biāo)。實(shí)際壓氣機(jī)工作過程完善的程度，經(jīng)常是以它與理想壓氣機(jī)相比較來平定。即壓縮到同一壓力時(shí)，在理想壓氣機(jī)中壓縮空氣的絕熱壓縮功與在實(shí)際壓氣機(jī)中消耗的實(shí)際功之比。 （31）絕熱效率說明了在消耗于轉(zhuǎn)動(dòng)壓氣機(jī)的機(jī)械功中有多少是有用部分，表明壓氣機(jī)流通部分的完善程度。壓氣機(jī)的特性曲線是指在不同轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)的壓力比及效率與空氣流量的關(guān)系由于壓氣機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，工況經(jīng)常變化，為了了解壓氣機(jī)在全部工作范圍內(nèi)氣流參數(shù)之間的關(guān)系，分析在各種工況下壓氣機(jī)運(yùn)行的完善程度，以及為了獲得增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間在全部工作范圍內(nèi)良好的匹配關(guān)系，研究壓氣機(jī)特性具有重要意義。圖35 離心式壓氣機(jī)的特性曲線 Performance curve of centrifugal pressor從(圖35)的特性曲線可以看出，當(dāng)空氣沿壓氣機(jī)的等轉(zhuǎn)速線從大流量向小流量變化時(shí)，壓氣機(jī)的壓比與效率最初有所提高，隨著流量減少到某值，壓比與效率達(dá)到最高，在這以后，流量繼續(xù)減少，壓比與效率反而略有下降。可是當(dāng)流量進(jìn)一步減少到某一值后，壓氣機(jī)工作開始不穩(wěn)定，氣流發(fā)生強(qiáng)烈地脈動(dòng)，甚至引起整臺(tái)壓氣機(jī)劇烈振動(dòng)并發(fā)出粗暴的喘息聲，這種不穩(wěn)定的工況稱為喘振。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。從特性曲線的等效率曲線看，中間是高效率區(qū)，高效率區(qū)一般比較靠近喘振邊界線，沿高效率區(qū)向外，效率逐漸下降，特別在大流量及低壓比區(qū)，效率下降很多。當(dāng)壓氣機(jī)工作輪轉(zhuǎn)速升高時(shí)，流量與壓比均有所增加，但轉(zhuǎn)速過高將受到材料機(jī)械應(yīng)力及軸承可靠工作的限制。最高轉(zhuǎn)速只能在某個(gè)允許的范圍內(nèi)。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(wú)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。圖36 徑流式渦輪機(jī)簡(jiǎn)圖 Simplified diagram of radial flow turbine 徑流式渦輪機(jī)主要由進(jìn)氣渦輪殼噴嘴環(huán)工作輪3及出氣道4(如圖2 6)。進(jìn)氣渦殼的作用引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣均勻地進(jìn)入渦輪。根據(jù)增壓系統(tǒng)的要求，蝸殼可以有一個(gè)、兩個(gè)甚至更多的進(jìn)氣口。 由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中排出的氣體具有壓力、溫度，并以速度經(jīng)進(jìn)氣渦殼流入噴嘴環(huán)。在噴嘴環(huán)上均勻地安裝了具有一定角度的許多葉片，這就使燃?xì)饨?jīng)過葉片間的通道后更具有方向性，使氣流更加均勻且有秩序地進(jìn)入渦輪機(jī)工作輪。同時(shí)，葉片間的通道面積是漸縮的，使部分壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動(dòng)能，即氣體的壓力降低到，溫度降低到，氣體的流動(dòng)速度增加到(如圖37).圖37 渦輪機(jī)中氣流參數(shù)的變化 Parameter change of air in the turbine 由于氣流在工作輪中是向心流動(dòng)的，所以工作輪葉片之間的通道也是呈漸縮的形狀，氣體在通道中繼續(xù)膨脹，在工作輪出口處壓力下降到凡，溫度降低到兀，此時(shí)氣體的絕對(duì)速度下降到。工作輪或氣體的絕對(duì)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于，這說明燃?xì)庠趪娮熘信蛎洬@得的動(dòng)能大。 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)效率 （32） 式中渦輪機(jī)軸上的有用功。 1kg廢氣所具有的能量。 現(xiàn)在廢氣渦輪增壓器的渦輪效率為= . 在渦輪機(jī)作變工況運(yùn)行時(shí)，燃?xì)庠跍u輪機(jī)中流動(dòng)，隨著膨脹比增大，流量跟著增加，當(dāng)膨脹比增加到某一臨界值時(shí)，流