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车辆发动机废气涡轮增压系统详解
来源:本站整理  作者:佚名  2017-12-05 08:05:06

    一、废气涡轮增压系统
    废气涡轮增压器是利用发动机排出的高压废气来驱动排气涡轮旋转,由排气涡轮带动与其同轴的进气涡轮旋转,实现进气增压效果。我们将这种系统称为涡轮增压器,将装在排道中的涡轮称为排气涡轮或主动涡轮,装在进气道中的涡轮称进气涡轮或从动涡轮、增压涡轮。
    如图14所示的涡轮增压系统示意图,废气涡轮增压器与发动机无机械联系。这种增压方式能有效地利用排气的能量进行增压,所以经济性比机械增压和非增压发动机都好,并可大幅度地降低有害气体的排放和噪声水平。但缺点是由于涡轮机是流体机械,而发动机是动力机械装置,因此增压发动机低速时的转矩增加不多。而且在发动机工况发生变化时,瞬态响应特性较差,致使汽车加速性,特别是低速加速性较差。
    在车用柴油机上已广泛采用废气涡轮增压技术,但在车用汽油机上应用增压技术比柴油机困难得多,其主要原因是:

   (1)汽油机增压后爆燃倾向增加。
   (2)由于汽油机混合气的过量空气系数小,燃烧温度高,因此增压之后汽油机和涡轮增压器的热负荷大。
   (3)车用汽油机工况变化频繁,转速和功率范围宽广,致使涡轮增压器与汽油机的匹配相当困难。
   (4)涡轮增压汽油机的加速性较差。当节气门突然开大要求混合气量迅速增加时,却由于增压器转子的惯性而使增压器加速迟缓,发动机进气量的增加将滞后一段时间。完全消除涡轮增压器对发动机工况变化的响应滞后现象比较困难。
    但是,车用汽油机,特别是轿车汽油机的增压技术近年来得到了较大的发展。这是因为随着高速公路的发展,车主对汽车高动力性能的追求日益强烈。另外,汽油喷射式发动机和电控技术的发展,以及增压器性能的改善,都为普及和发展汽油机增压技术创造了有利条件。尽管如此,用废气涡轮增压方式提高汽油机的进气压力仍然受爆燃的限制,所以汽油机的增压比普遍低于柴油机。
    1.废气涡轮增压器的基本结构
    图15为离心式涡轮增压器的基本结构,主要由涡轮、增压器轴(涡轮轴)、轴承、旁通阀、真空伺服膜片阀、壳体组成。两只涡轮上叶片螺旋方向相反,形成泵气气流相反的效果。当排气道中的涡流受废气波冲击旋转时,将废气泵出到发动机排气管,而进气涡轮利用离心力的作用,将进气道内的自然气流泵人进气道。

    排气旁通阀装排气涡轮两侧的旁通气道中,用来释放排气道中的压力气,以减小压力气对废气涡轮的冲击,降低废气涡轮转速,从而达到降低进气涡轮的目的。
    真空伺服膜片阀装在增压器壳体上,通过连动杆来控制旁通阀动作。由于涡轮转速很高,轴两端装有轴承,该轴承大都使用浮动式轴承,轴承的润滑和降温使用的是循环机油。
    2.涡轮增压器基本工作原理与控制原理
    图16所示为奥迪1. 8T发动机的增压系统结构原理图,发动机工作时ECU根据各传感器信号控制着电磁阀工作。

    通过对吸入的空气进行压缩,增大气体密度,从而增加每个进气冲程进入燃烧室的空气量,充气系数增加接近1倍,增加循环供油量,提高升功率和升转矩,达到提高燃烧效率、提高发动机使用经济性的目的。带涡轮增压的2. 2L发动机比不带涡轮增压的3. 0L发动机输出的功率还要大。
    控制单元检测到进气压力低于预设的规定值时,控制单元断开释放电磁阀的负极,电磁阀关闭。由涡轮增压器出口引入的进气压力进入驱动气室,关闭旁通排气道,排人的废气进入驱动气室,使进气增压,当排气驱动废气涡轮旋转时,空气经进气道进入进气涡轮,在离心力的作用下沿着叶片之间形成的流道,从进气涡轮中心流向叶轮周边,使其流速、压力明显增高,但因温度也同步增高,受热膨胀的空气密度没有明显提高。然后经过中冷器水冷(减少空气热膨胀)空气密度明显提高,使充气系数明显提高。
    现代轿车使用的涡轮增压系统是在传统涡轮增压器基础上增加了电控装置,主要由控制单元、进气压力传感器、控制进入驱动室(驱动涡轮旋转)气压压力的电磁阀(释放电磁阀)和涡轮增压器组成。电控涡轮增压控制系统中增压压力控制电磁阀N75根据空气流量传感器和发动机转速传感器的信号,负责控制高压空气量。增压压力传感器和进气温度传感器的作用是检测并控制增压压力。
    图17为日产车型涡轮增压与电控系统控制原理图,增压汽油机所采取的各种措施,有些可以相互补充,而另一些会相互牵制,在具体实施时需根据不同的情况进行精确的集中控制,使各种参数之间达到理想的匹配。因此,当今所采用的行之有效的方法是汽油喷射加电子控制。电子控制系统主要是对爆燃进行监测和控制;在各种工况下调节最佳点火定时、增压参数和喷油量等以使增压汽油机的性能达到理想的状况,表2所示为控制关系。



    图18为简单的柴油机增压电控系统,在增压柴油发动机中,海拔高度不同,大气压压力也不同,以及进气温度的变化都对增压与喷油量的正确控制有很大影响,所以,在柴油机增压电控系统中,还必须检查进气温度、大气压力以及增压后的实际压力,ECU才能正确地控制喷油量与旁通阀,表3所示为大气状态与增压柴油机性能对照表。


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