【正文】 柴油機相比，汽油機的轉(zhuǎn)速范圍寬，從低速到高速混合氣質(zhì)量流量變化大。汽油機增壓后熱負荷大又促使爆燃傾向的發(fā)生。汽油機混合氣的濃度范圍窄 (過量空氣系數(shù) a二 )，燃燒時的過量空氣少，造成單位數(shù)量混合氣的發(fā)熱量大。汽油機由于受爆燃限制，壓縮比較低，因而造成膨脹不充分，致使排氣溫度較高，熱效率下降。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 。相同的基本型發(fā)動機可以渦輪增壓至不同的增壓度，以開發(fā)出更寬廣的標定功率范圍。相同功率情況下，除了燃油經(jīng)濟性收益外，渦輪增壓發(fā)動機在排量方面可縮小約 30%。 Petit jean D, BernardinoL, Middlemass C 等學(xué)者對 10 年內(nèi)批量生產(chǎn)渦輪增壓和自然吸氣的發(fā)動機 /車輛進行了比較，結(jié)果表明渦輪增壓發(fā)動機帶來 8%一 10%燃油經(jīng)濟性收益 [?]。直噴系統(tǒng)以最大 11. 5 MPa的高壓向缸內(nèi)噴射燃料，通過利用氣化吸熱，強化缸內(nèi)冷卻效果，提高了混合氣體的填充效率。m，最大扭矩轉(zhuǎn)速 3 0( 0 r/min，總排氣量 L。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 日本馬自達汽車公司日前宣布，該公司成功開發(fā)了排量為 L的直噴式渦輪增壓汽油機 13VDT，命名為 MZR2. 3 DISI TURBO，并裝備在馬自達 speed Atenza轎車上。加 __七車輛質(zhì)量的減輕，可幫助歐洲的汽車制造商實現(xiàn)他們對歐盟的保證，即 2020 年，乍輛的 COZ平均值為 163 歲 km。通過引人渦輪增壓器，汽車制造商可以提供較小排量的汽油機。 2. 0 L FN被評為 “2020年最有影響力的發(fā)動機 ”。 由大眾集團主產(chǎn)的、世界上首臺新型帶渦輪壓的直噴汽油發(fā)動機已于 2020 年問世 。中科院工程熱物理所、清華大學(xué)、燃氣渦輪研究所通過可變噴嘴渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配試驗測得增壓壓力和排氣壓力值，結(jié)合發(fā) 動機結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算了發(fā)動機的流通特性，建立了可變噴嘴增壓器與發(fā)動機的聯(lián)合工作曲線〔 ?〕。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 現(xiàn)在，國內(nèi)已開發(fā)出轎車用增壓柴油機和汽油機產(chǎn)品，如帕薩特一領(lǐng)馭 、大眾一速騰 1. 8T、奧迪 A6L 2. OT 等均采用了渦輪增壓技術(shù)。由于受爆震的影響和熱負荷的限制，增壓度都不高，性能也不夠完善，實際應(yīng)用很少。 20 世紀 80 年代末，清華、西安交大等幾家高等院校和內(nèi)燃機廠也相繼對 49ZQ 汽油機進行增壓研究川。可變截而渦輪增壓器的原理簡圖如圖 4所示 .由于發(fā)動機工況變化的瞬態(tài)性，因此可變噴嘴葉片調(diào)整的響應(yīng)性也是可變噴嘴 汽油機增壓的發(fā)展相對較晚，技術(shù)水平也落后于柴油機。為了提 高渦輪增 壓器的經(jīng)濟性能，近十幾年科研工作者進行了大量的研究， 其中可變噴嘴環(huán)截而渦輪增壓器是呼聲最高的，許多國家都進行了研 究并取的了很大的進步。從與增壓器匹配角度來說，前者能在高效區(qū)工作，當負荷突變時具有較大的能量，容易提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而縮短滯后時間，改善加速性 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 能。而壓氣機在 節(jié)氣門之前時，進口壓力 Pi Po，但必須壓縮到高于 P*的壓力，經(jīng)節(jié)流后降到尸 *值。 ，是指節(jié)氣門與壓氣機的位置。排氣管應(yīng)該短，管子直徑應(yīng)該小，也就是排氣管的容積較小，并且應(yīng)能很好地將各缸的壓力脈沖無干擾地引人渦輪。小尺寸的渦輪增壓器具有小的轉(zhuǎn)動慣量，對提高加速性的作用很大，為了減小轉(zhuǎn)動慣量，在條件具備的情況下，寧可用兩個小增壓器而不用一個大增壓器。因此任何有利于減小進排氣系統(tǒng)容積的設(shè)計都有利于縮 短滯后期。解決該問題的方法有 : 、排氣道的容積。汽油機的增壓吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 滯后問題更顯得突出，因為汽油機本身的慣性小，靈活性強，轉(zhuǎn)速范圍寬廣，所以對增壓器的反應(yīng)要更高。 （三） 改善渦輪增壓汽油機的加速性 渦輪增壓系統(tǒng) 在汽油機工況突變時，不能隨工況變化供應(yīng)增壓空氣流量和增壓壓力，而要滯后一段時間才能適應(yīng)，這就是所謂的 “增壓滯后 ”。 ?？勺儑娮飙h(huán)增壓器采用的是活動的噴嘴環(huán)葉片，噴嘴環(huán)葉片可以繞著各自的軸心共同旋轉(zhuǎn)，隨著噴嘴環(huán)葉片角度的改變而改變。節(jié)流法結(jié)構(gòu)簡單，但效果遠不如放氣 法強。當小負荷低轉(zhuǎn)速時，希望有較大的扭矩，此時，正值流量小，所以節(jié)流效果弱，尸、沒受多大影響。 。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 目前改善增壓汽油機特性的措施一般有以下方法 : 二采用放氣。扭矩 特性較差的原因是隨著轉(zhuǎn)速增加，負荷的提高，排氣溫度也相應(yīng)升高，渦輪進口熔值增加，增壓器轉(zhuǎn)速提高，增壓壓力尸 *上升，相應(yīng)扭矩增大。同時，降低壓氣機出口溫度 Tk可以提高有效壓力 Pe，從而可以有效地提高發(fā)動機的有效功率Pe （二） 改善渦輪增壓汽油機的扭矩特性 車用汽油機與柴油機一樣，必須有低轉(zhuǎn)速大扭矩特性。理想的點火提前角是調(diào)整到即將爆震而尚未爆震時，此時動力性 . 安裝中冷器對增壓空氣進行中冷是十分有效的，不僅與柴油機有相同效果，對功率的增加、熱負荷的降低都是十分有利的，而且對于防止爆震也是非常有效的。 .，與非增壓情況相同 推遲點火時間將有助于防止爆震。po0k 3汽油機廢氣渦輪增壓的障礙 廢氣渦輪增壓技術(shù)和廢氣渦輪增壓器在柴油車上已經(jīng)得到大量的使用和裝配，是柴油車發(fā)展的一種必然趨勢。因此，不希望僅用一個措施來解決防止爆震問題。但汽油機的壓縮比本來就比較小，處于對經(jīng)濟性很敏感的區(qū)域， 。 . 這是防止爆震最常見有效的方法。 三 、汽油機廢氣渦輪增壓 存在的問題及研發(fā)方向 （一） 抑制爆展燃燒和降低熱負荷 汽油機最大增壓壓力尸 *主要是受爆震的限制，而增壓后爆震加劇的最大原因是由于熱負荷增加，兩者是密切相關(guān)的。增壓器在最大扭矩工況范圍內(nèi)具有較高的效率。 3GJ型和 K27型渦輪增壓器的主要性能參數(shù) 見表 1。 二、廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用組成及工作原理 （一 ）組成一結(jié)構(gòu)特點 與 CAl OP發(fā)動機匹配的增壓器型號是國產(chǎn) 3GJ型廢氣渦輪增壓器，其結(jié)構(gòu)示于圖 40 與 ALPINA發(fā)動機匹配的增壓器是 KKK K27廢氣禍輪增壓器，其結(jié)構(gòu)示于圖 5。過壓開關(guān) 5 的作用是當增壓壓力超過。該發(fā)動機為 4 缸直列式，排量 2公升，與 Garrett 廢氣渦輪增壓器相匹配，在增壓壓力為 ，最大功率為 145 馬力 /5000轉(zhuǎn) /分。進氣旁通閥的另一個作用就是當增壓壓力達到額定值 后，將克服彈簧力與進氣壓力之和，閥門打開，進氣旁通達到限制增壓壓力的目的，它與廢氣旁通閥配合作用，共同來調(diào)韋增壓壓力。其作用是一方而防止喘振 。 進氣旁通閥 5的作用是生 l鐫節(jié)流閥突然關(guān)閉的時候 (如汽車的加速換檔過程 )，增壓器的轉(zhuǎn)子在慣性力的作用下仍在高速運轉(zhuǎn)，繼續(xù)向發(fā)動機送氣，而此時韋流閥已關(guān)閉，氣流無路可走，壓氣機阻力增吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 加，容易引起其喘振。其發(fā)動機型式為直列 6缸，排量 3公升，與 h1}K公司生產(chǎn)的 K27型渦輪增壓器匹配，最大功率為 300 馬力 /6000 轉(zhuǎn) /分。 (3)、當節(jié)流閥開度較小時，進氣管真空度傳 至壓氣機中，將增壓器潤滑油吸出，卷人氣缸，增加潤滑油消耗，影響發(fā)動機的正常燃燒。其缺點是 : (1)增壓器發(fā)生故障時不易與發(fā)動機脫開 。其優(yōu)點是 : 1)不用考慮化油器的密封問題， 2)混合氣經(jīng)壓氣機的攪動，霧化混合較好 。 ③要使化油器的供油量隨空氣密度的增加而增加比較困難?；旌蠚庑谐潭?，發(fā)動機靈敏性較好， ②空氣經(jīng)壓縮后溫度升高，有利于燃料的汽化， ③發(fā)動機回火，不易損壞壓氣機葉輪， ④增壓器發(fā)生故障，易于與發(fā)動 機脫開。 增壓器前置方案的特點是將空氣先進行壓縮，待空氣密度和壓力提高后再與燃料混合進人氣缸。對于使用多個化油器的發(fā)動機，將給增壓器的布置帶來很大困難。 在化油器式發(fā)動機上進行渦輪增壓，還涉及增壓器的布置問題?；赜凸苈窇?yīng)暢通。調(diào)節(jié)閥受增壓壓力的控制而自動調(diào)節(jié)。經(jīng)化油器與燃料混合后導(dǎo)人氣缸燃燒。離心式壓氣機把空氣吸入并壓縮，提高了流 速和壓力。 燃 氣 在 渦 輪 中吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 膨脹作功驅(qū)動同軸上的壓氣機葉輪而旋轉(zhuǎn)。 一 汽油機 渦輪 增壓系統(tǒng) 現(xiàn)狀 解放牌汽車 CAlOB發(fā)動機渦輪增壓系統(tǒng)示于圖 1上。 從熱力學(xué)觀點來看，放增壓空氣比放排氣更不理想，但實際上兩者對油耗率的影響差別不大。 放氣的方式目前主要有以下 2種 : (1)將部分排氣放入大氣 。這樣又出現(xiàn)將柴油機高速高負荷時增壓過高，增壓器轉(zhuǎn)速過大的問題。 3. 2放氣閥 柴油機在高速高負荷時，排氣流量大，因而排氣能量大，導(dǎo)致渦 輪增壓器轉(zhuǎn)速高，增壓壓力也高，但是在柴油機低速時，即使增加負荷，廢氣流量也不大，因而增壓空氣壓力低，發(fā)動機扭矩增量過小。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 目前車用發(fā)動機常用的是水冷，原因是其設(shè)計簡單，體積小，容 易布置。是臺采用中冷主要取決于增壓發(fā)動機的增 壓強度，也與發(fā)動機用途和使用條件等因素有關(guān)，使用時要權(quán)衡利弊。 (2)在進氣管前段設(shè)置一個風(fēng)扇，有專用電機 lx 動，冷卻效果最 好，但是設(shè)計復(fù)雜。常用以下 2種方法 (1)它是用管子將充氣通到單獨安裝在前而的散熱器，利用裝在 柴油機上的風(fēng)扇供給的冷卻空氣進行冷卻，增壓空氣的溫度可冷卻到 50}600C o 但由于空氣的傳熱系數(shù)比水低得多，所以空對空的體積要比水對空中冷器 大些。油對空中間冷卻器和 水對空中間冷卻器相似。前者的裝置簡單，可根據(jù)空間和實際條件直接裝在車用發(fā)動機 上，但發(fā)動機水溫木身就高，大約在 80 90℃左右，所 能得到的空氣冷卻程度是有限的。 (3)油對空中間冷卻器。 中冷器的冷卻方式一般有以下 3種類型 : (1)空對空中間冷卻器 。為此需將吸入的空氣在中冷器中再次冷卻，使密度增加，從而使功率、扭矩相應(yīng)增加。目前大多數(shù)車用柴油發(fā)動機都安裝它。裝在柴油機上不存在什么大難題所以普及很廣，在重型柴油機上已經(jīng)達到了 100%，而目‘目前已向小型柴油機迅速發(fā)展。而目‘在高原地區(qū)也可以恢復(fù)功率減少油耗。試驗證明由于渦輪增壓發(fā)動機的燃燒比較完全，排煙濃度降低，廢氣中 CO 和 HC 含量明顯減少， NOx含量也大為改觀，對減少汽車排氣污染有利。 從表中我們可以看出各種增壓方 式都有利有弊，但由于廢氣渦輪 增壓器結(jié)構(gòu)簡單，而目‘對提升發(fā)動機性能效果很好當 1臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器的相比，可增加大吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 約 40%甚至更多 。 （二） 汽油機廢氣渦輪增壓研究現(xiàn)狀 經(jīng)過 80 多年的不斷發(fā)展，特別是 20 世紀 90 年代以來，由于 CAD/ CAM，電控、材料和制造技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的成果被大景用于增壓技術(shù)領(lǐng)域，從而出現(xiàn)多種增壓方式。內(nèi)燃機增壓的先進技術(shù)主要集中于美國、德國和日本。汽油機增壓的發(fā)展相對較晚，技術(shù)水平也落后于柴油機。在電子計算機控制的直接噴射式汽油機上進行 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 增壓，仍可獲得良好的燃料經(jīng)濟性，比油耗可達 190 克 /馬力小時， 接近于柴油機的水平。這就是廢氣渦輪增壓發(fā)動機經(jīng)濟性較好的理論基礎(chǔ)。但排入排氣管中的廢氣能量增加，使它在增壓器的渦輪中繼續(xù)膨脹，從而使渦輪獲得更大的輸出功，這不僅可撈回由于降低壓縮比所引起的損失，而且還可進一步提高發(fā)動機循環(huán)的經(jīng)濟性。 對非增壓發(fā)動機來說，降低壓縮比會降低熱效率，最終使發(fā)動機經(jīng)濟性變壞。 裝用小排量發(fā)動機的汽車，在公路上行駛時，接人增壓以獲得較大的動力性能 。其主要 原因在于增壓時，燃料與空氣混合較好，燃燒較為完全。Schwitzer 公司的研究表明，在普通的汽油機上進行渦輪增壓，能使排氣中的有害氣體 HC 減少 14io. CO 減少 13%}NU減少 8。當海拔每升高 100 公時，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計