增压技术在汽车发动机的应用

作者：同济大学 钱人一

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 增压技术概述 发动机刚刚问世时，完全依靠活塞向下运动时在气缸内造成的真空度吸入空气和燃油的混合气，这种发动机称为自然吸气发动机。后来，另外一种发动机是空气先用压气机压缩，提高压力后才进入气缸，这就是增压发动机。增压发动机中的压气机，可以由发动机曲轴驱动，就是机械增压；也可以由发动机废气推动的气涡轮驱动，称为废气涡轮增压。机械增压器的油耗相对而言较高，因为其动力从发动机的指示功中完全扣除，没有利用废气中包含的能量。此外，柴油机中的机械增压器在部分负荷工况必须跟发动机脱开，只有在需要高扭矩的工况才使机械增压器与发动机接通。目前废气涡轮增压器的使用最多，其轴的一端是废气涡轮，另一端是压气机，吸入的空气在废气涡轮压缩之后，还要经过中间冷却器冷却，才进入发动机气缸。 现代车用柴油机通常还装有排气再循环系统，以降低氮氧化物的排放，从发动机排出的废气在进入涡轮增压器之前，部分会分出去经过排气再循环阀和排气再循环冷却器，然后经进气管回到气缸。 增压与发动机节能 增压技术的原意是强化发动机工作过程，提高发动机升功率，一台1.65升排量的增压发动机的功率，等于一台3.78升排量的非增压发动机（即自然吸气发动机）的功率。这样降低了发动机的重量，减少汽车的滚动阻力，对于汽车节能来说具有积极意义。另外，增压使发动机气缸内的混合气空燃比大幅度上升，有利于提高发动机热效率。但是，这些都不是增压技术使汽车节能的根本原因。 增压技术能够使发动机节能的根本原因是，它可以提高发动机的负荷率。 一台发动机可以有无数个同样大小功率的工况点。自然吸气发动机只有处在中低速的高负荷区域，才能够获得最低的油耗率。在设计汽车时，必须按照汽车设计的最高车速选定发动机标定功率，可是实际车速很少达到最高车速，特别是在城市行驶时。所以，发动机大多在燃油经济性很差的工况区域运行，负荷率很低，提高发动机负荷率可以提高燃油经济性。 如果把一台自然吸气发动机改成具有相同标定功率的增压发动机，主要依靠增压来达到要求的标定功率，它的排量可以减少很多。在汽车的常用车速下，发动机的增压度很低，几乎作为一台排量减小接近一半左右的自然吸气发动机。所以在常用工况下，它可以在较高的负荷率下运行，相当接近发动机的最佳燃油经济性工况区域。一旦汽车需要加速，发动机很快达到标定功率。 增压发动机提高了进气压力，从而增大了正的排气功，对节能有相当贡献。另外，热力学计算也表明，增压发动机可以降低发动机的壁面散热，有利于提高燃油经济性。根据对欧洲200种汽油车的调查，相同功率的增压发动机和自然吸气发动机，前者的排量可以比后者减少18%至35%，燃油经济性可以提高10%左右。 增压与发动机排放 增压能够使发动机节能，相应地减少燃料燃烧产生的有害气体和温室气体二氧化碳的排放。从这个意义上说，增压可以使任何类型的发动机降低排放。但是，增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。对汽油机来说，由于过量空气系数大体上接近于1，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超过1，增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。 如果把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，由于空气供应充足，炭烟和一氧化碳的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈，碳氢化合物的排放也会降低。可是，由于吸入的气缸空气量增加和燃烧室温度升高，使平均有效氮氧化物的排放量增加。 由于增压柴油机提高燃油经济性，有时候可以放弃部分在燃油经济性的好处来换取全面降低排放。例如推迟喷油使燃油经济性降低，但是它最多可以使氮氧化物降低30%，足以抵消增压对氮氧化物排放的负面影响。所以，采用增压技术的同时，适当地减少喷油提前角，就可以全面降低所有有害物质的排放，同时保留增加升功率和一定程度上提高燃油经济性的好处。 增压空气中间冷却 对增压空气进行冷却可以提高吸入空气的密度，增加吸入空气量，提高增压压力，从而强化发动机的工作过程，提高升功率和燃油经济性，减少使氮氧化物排放增加的坏影响。 增压空气的冷却依靠增压空气中间的冷却器实现。汽车通常利用迎面风对增压空气进行冷却。 前置式增压空气冷却器在汽车行驶的方向，布置在紧挨?空调冷凝器后面、冷却液散热器前面的地方。这种布置的优点是：有效散热面积较大，形成较大的冷却功率；空气流通量较大，因为增压空气冷却器布置在紧挨?驻点的地方。当汽车以最大车速行驶、增压空气一侧的外界温度为40°C时，温度降低可达117°K。这相当于86%的热效率。即使在山道上（12%坡度）以60km/h的车速挂车行驶时，增压空气一侧还有约100°K的温度降。相比之下，布置在挡泥板的增压空气冷却器的热效率只有71%左右。 废气涡轮增压器的废气放空阀调节 发动机在不同工况下要求不同的气缸吸入空气量，增压压力决定了气缸吸入空气量的多少，所以增压压力应随?发动机工况改变。通常通过调节增压器的增压压力，使增压器跟发动机的工况匹配。传统增压压力调节的方法是采用废气放空阀。 放空阀3通常以活门的方式安装在废气涡轮的壳体内（也有少数放空阀通过单独壳体的蝶阀跟废气涡轮并联，将部分废气放空），由膜片罐2通过薄膜推动。薄膜将膜片罐分隔成上、下两个空腔。上腔内的控制压力PD来自空气压缩机4出口的增压压力P2，控制压力的大小由电子控制单元利用脉宽调制信号TVM通过节拍阀1控制。下腔有一个弹簧，弹簧力跟不同的控制压力处于动态平衡，使薄膜以及放空阀停留在不同的位置。如果脉宽调制信号的占空比增大，则控制压力增大，放空阀开度增大；增压压力下降，控制压力就不再增大，薄膜上的力达到新的平衡。如果在脉宽调制信号的占空比固定不变的情况下，由于某种原因使增压压力上升，那么控制压力增大，放空阀开度增大，废气放空流量增大，涡轮转速下降，增压压力就会跟?下降并回复原来水平，薄膜上的力达到新的平衡。所以，脉宽调制信号的占空比决定了放空阀的开度、废气旁通量以及增压压力。 废气涡轮增压器的可变喷嘴涡轮调节 涡轮增压虽然有许多优点，但是它也有一些不足之处，其中最大的问题是发动机的低速加速性能较差。即在发动机低速低负荷下运行时增压度很低，增压器叶轮的转速很低。汽车起步或发动机加速时，涡轮增压器叶轮跟?加速，这意味当汽车从低速开始加速时，增压器叶轮必须在很短的时间内，从很低的转速加速至最高可达200,000转/分以上的高转速。所以，增压器叶轮的加速性能备受关注。 为了解决低速性能问题，增压器叶轮尺寸应尽可能小；为了解决增压器的高速性能问题，又要求增压器叶轮尺寸较大。可是，对于一台实际的发动机增压器来说，叶轮尺寸选定后就不能变动。解决这个矛盾的办法之一，就是采用可变喷嘴。因为除了叶轮的转动惯量外，喷嘴截面的大小也会影响增压器叶轮的响应特性。现代涡轮增压器采用可变喷嘴涡轮(VNT)进行调节。 可变喷嘴涡轮增压器(VNT)又称可变涡轮几何形状增压器，可以通过调节涡轮进口导向叶片的角度，来改变涡轮喷嘴的截面大小，进而调节增压压力。当发动机处于怠速工况或低速工况时，喷嘴叶片关闭或喷嘴截面很小，即使在此时较低的废气流量下也能够使叶轮很快地加速，从而提高发动机的低速扭矩，改善发动机的低速响应性；当发动机高速运转时，喷嘴叶片全开或喷嘴截面很大，凭借此时较高的废气流量能够克服较大的叶轮阻力，提供较大的动力来提高增压压力，充分满足发动机对吸入空气的需要。可变喷嘴涡轮增压器目前在车用柴油机得到愈来愈广泛的应用。 涡轮增压技术的进步 电动增压器 如果在涡轮增压器的轴上，安装辅助兼可用作电动机和发电机的电机，可进一步提高低速增压压力和低速扭矩，还能回收涡轮增压器多余的能量。这种装置称为电动辅助增压器(EAT)。辅助电机在低工况时用作电动机，由蓄电池供电带动增压器提高增压压力，使涡轮增压器的叶轮迅速加速，发动机在短时间内达到需要的扭矩，极大地改善增压器的响应特性；高工况时，发动机的废气量太大，产生的动力多于增压所需，此时辅助电机用作电机，发出电流储存在蓄电池。 薄钢板涡轮壳体 满足欧洲3号以及更严格的排放法规的柴油机，都必须安装催化转化器。而催化转化器的有效工作条件之一，是必须达到一定的工作温度。涡轮壳体一般以铸铁制造，质量比较大，热惯性也比较大。为了减少排气系统的热惯性，开发了薄钢板涡轮壳体。薄钢板涡轮壳体的质量小，热惯性也小，发动机起动后从排气系统吸收的热量较少，能够较快地使催化转化器达到要求的工作温度，改善催化转化器的净化效果。 中国发展涡轮增压器的意义 一般来说，汽车的最高车速愈高，装备的发动机功率愈大，发动机增压的意义便愈大。增压技术对于中高级汽油机轿车来说，很有实际的意义。国外有相当数量的汽油机轿车采用增压技术，然而国产轿车中只有个别车型的汽油机采用增压技术。以国产的某高级轿车为例，如果将其排量超过3升的自然吸气式汽油机改成增压汽油机，其排量也许不需要超出2升就可以保持原来的动力性，燃油经济性肯定可以得到明显的改善。这情况说明增压技术在中国汽油机轿车有很大的发展空间。 增压技术在载重汽车发动机方面的意义更大。中国早年生产的载重汽车大多为非增压的柴油机，有的还采用非增压的汽油机。这些汽车的燃油经济性相当差。目前在国产载重汽车中应用增压技术，不仅有利于提高汽车的动力性和燃油经济性，而且能够消除黑烟，减少碳氢化合物和一氧化碳排放，使柴油机在不采用催化转化器的情况下已可轻松地满足欧洲2号排放标准。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/9/2004)