长姿势常见的柴油机涡轮增压技术简介

摘要:博士首次提出了涡轮增压概念,涡轮增压技术正式诞生,并应用于船舶、航空工程领域.1953年,美国garrett公司将涡轮增压技术应用于车用柴油机,20世纪60年代后,国外车用柴油机大量采用涡轮增压器.80年代后,汽油机也开始采用涡轮增……

中国重汽作者:编辑:刘炜小大

现在谈到卖车,无论小车大车,不谈涡轮,都要被同行鄙视.那么,这个堪称奇迹的涡轮究竟是啥玩意？是否真的就是高科技的代名词？

1905年,瑞士苏尔寿（sulzer）兄弟研发公司的总工程师阿尔佛雷德?j?波西（alfred j buchi）博士首次提出了涡轮增压概念,涡轮增压技术正式诞生,并应用于船舶、航空工程领域.

1953年,美国garrett公司将涡轮增压技术应用于车用柴油机,20世纪60年代后,国外车用柴油机大量采用涡轮增压器.

80年代后,汽油机也开始采用涡轮增压技术.

一、增压器原理

我们知道,柴油机的做功需要柴油和空气混合后产生热能并转化为机械能,才能输出功率,柴油与空气的理论空燃比是1:17,但实际燃烧需要一定的过量空气系数,自然吸气柴油机的空燃比是不能满足良好燃烧的,进气增压装置则是满足所需充气效率达到良好燃烧的必要措施.

废气涡轮增压系统是我们最常见的涡轮增压装置,实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量.它利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮壳内的涡轮,涡轮带动同轴的压气机内的叶轮,叶轮压缩吸入的空气,即增压后进入气缸,实现气缸内空气密度的增大,空气密度的增大可以燃烧更多的燃料,从而在发动机排量不变时增加输出功率,并且燃烧效率极大提高,排入大气的co2和有害物质如nox大幅度降低,在环保上起到了非常关键的作用.

使用涡轮增压器的优势:

–  提升发动机升功率,得到更大的输出功率

–  降低燃油消耗同时降低二氧化碳排放

–  降低nox、hc、co排气污染物,彻底杜绝黑烟,满足排放法规要求

二、增压器结构

废气涡轮增压器由废气驱动的涡轮和径流式压气机组成,它们分别被安装在轴的两头并有各自的铸造壳体.轴本身被安装在中间壳中并由中间壳来支撑.中间壳的两侧分别同压气机壳和涡轮壳相连接,典型的涡轮增压器转速可以在 100000 转 / 分以上.

–  涡轮端:废气进入涡轮端,推动涡轮旋转

–  主轴:主轴连接涡轮与压叶轮,传递动能

–  中间壳:连接涡轮端和压气端,支撑轴承系统

–  压气机端:压叶轮旋转压缩空气,提高空燃比

–  轴承系统:支撑主轴高速旋转,防止主轴径向窜动

–  密封系统:防止窜气,辅助封油

三、典型涡轮增压技术介绍

涡轮增压器经过一百多年的发展,已经非常成熟,且各种新技术不断出现,从原始的纯增压,发展出带旁通阀增压器、双级增压器系统、电控可变截面vgt增压器等.

下面介绍几种典型的增压器:

1、带旁通阀增压器

以康明斯增压器（holset）为例,旁通阀通过压气机出气口的压力来控制涡轮进气口处气阀的开启,使得涡轮废气从旁路泄掉.它的目的是为了限制发动机在高转速以及大负荷状态下的增压器转速,同时它可以降低全负荷以及高转速状态下的发动机爆发压力.

带旁通阀的增压器结构简单,成本低,能兼顾高、低速工况的运行,是目前最成熟主流的增压器产品.

2 电控可变截面vgt增压器

可变截面技术是指在发动机工作过程中,涡轮流通能力可自动进行调节,是一种更为有效且复杂的涡轮增压技术.这个方法保证了无论发动机的运行状态如何,废气涡轮产生的能量刚好可以满足压气机的驱动,将发动机的燃烧控制在较为理想的状态.

vgt技术的核心部分是可调涡流截面的导流叶片,涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片,导流叶片的相对位置是固定的,但是叶片角度可以调整.在系统工作时,废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上,通过调整叶片角度,控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速,从而控制涡轮的转速.此外,由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制,这也就实现对涡轮的过载保护,因此使用了vgt技术的涡轮增压器都不需要设置放气阀.

电控可变截面vgt增压器结构复杂,成本很高,涡轮截面积可调,可兼顾全工况的运行,但故障率相对较高.其优点是控制更加精准,排放和燃油经济性更佳,目前欧洲的欧六发动机上使用较多,但国内由于成本等原因应用较少.

3 双级增压器

双级增压器是由两个不同规格的涡轮增压器构成.这两个涡轮增压器串联在一起,通过旁通阀调节机制控制.发动机转速较低,即废气排量较小时,旁通阀完全关闭,所有废气流入小涡轮,实现快速和高效压缩.发动机转速增大时,旁通阀逐渐打开,压缩工作也逐渐转移到大涡轮上.简单地说,就是在发动机低转速的时候,较少的排气可使驱动压力较小的涡轮高速旋转,以产生足够的进气压力；当发动机转速提升以后,压缩工作主要由驱动压力较大的涡轮承担,继续进入高增压值的状态,提供连贯的强劲动力.

此种增压器结构复杂,成本非常高,往往中间还带有级间冷却,其优点是增压度更高,同排量发动机的最大功率更大,对低速和高速工况的兼顾性更好,排放和燃油经济性更佳.

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