摘要:现代汽车不仅要满足越来越高的环保和节能要求,同时又要满足客户对汽车动力性能的需求,更要保证足够的驾驶乐趣。涡轮增压技术在这些方面有不可替代的作用。文章主要介绍了涡轮增压技术在汽油机上的应用。

关键词:涡轮增压;发动机功率;扭矩;进气

中图分类号:U465文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)25-0022-03

0引言

一般的汽油机采用“自然吸气”的工作方式,这种方式是利用活塞下行时汽缸内部产生的真空,再借助于外界的大气压力,将混合气压入汽缸。然而,受各种因素影响汽缸的进气量很难达到100%。依实测数据,一般汽油机的容积率约在60%～70%。即使设计精良的发动机也只能达到80%左右。而容积率每提高1%,发动机的输出功率约能提高3%。所以最初只应用在航空发动机、柴油机及赛车用汽油机上的涡轮增压技术越来越多地出现在普通轿车的汽油机上。

1涡轮增压器的结构

汽油机涡轮增压系统是由涡轮增压器和中冷器两部分组成,通过涡轮增压器(一种空气压缩机)压缩空气,由中冷器对压缩后的空气进行冷却。

涡轮增压器由涡轮室和增压器组成。涡轮室的进气口与排气歧管相连,排气口接在排气管上;增压器的进气口与空气滤清器管道相连,排气口接在通往进气歧管的进气管路

上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内,二者同轴钢性联接。

中冷器是涡轮增压系统的一部分。空气被高比例压缩后温度会升高,容积率反而降低。所以,增压后的空气在进入汽缸前要对其进行冷却。原理是在发动机和涡轮增压器之间加装一个散热器(称作中央冷却器,简称中冷器),结构类似于水箱散热器,将高温高压空气分散到许多细小的管道里,管道外有常温空气高速流过(有的采用循环水冷或冷却风扇),达到降温的目的(可以将压缩空气的温度从150℃降到50℃左右),在提高发动机功率输出的同时,降低了发动机压缩始点的温度和整个循环的平均温度,从而降低了发动机的排气温度、热负荷和NOx排放。

2涡轮增压器的工作原理

废气涡轮增压器的工作原理如图1所示。发动机排气管1接在涡轮增压器的涡轮壳4上(涡轮室进气口)。当发动机排出的具有一定压力的高温废气经涡轮壳4进入喷嘴环3时,由于此处面积由大到小,因而废气的压力和温度下降,流速迅速提高。

高温高速的废气气流冲击涡轮2,使涡轮高速旋转,废气的压力、温度、流速越高,涡轮转速也越高。通过涡轮的废气最后排入大气。这时与涡轮2同装在一根转子轴5上的压气机叶轮9也以相同的速度,将经空气滤清器滤清过的空气吸入压气机壳10。高速旋转的压气机叶轮9把空气甩向叶轮的外缘,使其速度和压力增加,并进入形状做成进口小出口大的扩压器8,使气流的速度下降,压力升高。再通过断面由小到大的环形压气机壳10,使空气压力继续升高。最后,高压空气流经中冷器11和发动机进气管6进入汽缸。由于增大了充气效率,使燃油燃烧更加充分,在排量不变的情况下使发动机输出更大的功率。

3涡轮增压对汽油机性能的改善

评价涡轮增压的作用,可称之为“少吃馍馍多干活”。当1台汽油机装上涡轮增压器后,其输出的最大功率与未装增压器的相比,可增加大约30%;涡轮增压汽油机燃烧完全,废气中CO、HC和NOx含量明显减少,CO2的排放与相同功率的自然吸气发动机相比减少10%～20%;在高海拔地区能保证充足的空气供给;在冷启动时,能使三元催化器更快地进行工作。

例如,上海大众的帕萨特1.8T发动机是在1.8L发动机的基础上加装了涡轮增压器,其性能对比见表1:

表1

发动机帕萨特1.8帕萨特1.8T迈腾1.8TSI

排量(L)1.81.81.8

工作方式自然吸气涡轮增压涡轮增压

最大功率(kw)85110118

升功率(kw/L)47.2261.1165.56

最大功率转速(rpm)650060005000～6200

最大扭矩(N·m)172210250

升扭矩(N·m/L)95.56116.67138.89

最大扭矩转速(rpm)450040001500～4200

燃油:汽油汽油汽油

燃油标号93号93号93号

供油方式多点电喷多点电喷直喷

上海大众帕萨特1.8T发动机比1.8发动机最大功率和扭矩分别增加了25kW和38N·m,对应的转速均降低了500rpm;升功率和升扭矩分别增加了13.89kW和21.11N·m,而燃油消耗率变化不大。

如今汽油机最先进的燃油技术组合为:“进气涡轮增压+汽油缸内直喷”。汽油缸内直喷式发动机的一个好处是隔绝了已燃混合气向气缸壁和气缸盖的散热,从而降低了发动机的热损耗。

“进气涡轮增压+汽油缸内直喷”式油机的典型代表是德国大众汽车公司的TSI发动机。汽油机在涡轮增压基础上加上缸内直喷技术后,就会同时具有传统汽油机高速大功率和柴油机低速大扭矩的特性。由表1可以看出一汽大众的迈腾1.8TSI的动力输出可与普通2.4L汽油发动机相媲美,即使与帕萨特1.8T相比其升功率和升扭矩分别增加了4.45kW和22.22N·m;最大功率和最大扭矩对应的转速进一步大幅度降低,且在较宽转速范围内能够持续输出最大扭矩。

配置1.4TSI发动机的国产速腾可以在10.2秒的时间里完成从0～100km/h的加速;百公里油耗为5.5L(手动挡)/5.8L(DSG);最高车速达到203km/h(手动挡)、200km/h(DSG);时速60km/h时的二氧化碳排放量仅为每公里175克,保证高动力输出的同时,达到油耗和排放同步降低20%以上,在动力性、燃油经济性和排放性三者之间取得最好的平衡。

表2是配置在速腾上的1.4TSI、1.6L和2.0L三款发动机的性能对比。从表中可以看出1.4TSI发动机动力性方面的参数比2.0L的还要高出很多。

表2

发动机速腾1.4TSI速腾1.6L速腾2.0L

排量(L)1.41.62

工作方式涡轮增压自然吸气自然吸气

最大功率(kw)967485

升功率(kw/L)68.5746.2542.25

最大功率转速(rpm)500060005200

最大扭矩(N·m)220145170

升扭矩(N·m/L)157.1490.6385

最大扭矩转速(rpm)1750-350038004000

燃油:汽油汽油汽油

燃油标号93号93号93号

供油方式直喷多点电喷多点电喷

4涡轮增压汽油机的正确使用

涡轮增压器经常处于高速、高温下工作,增压器废气涡轮端的温度在600℃以上,增压器的转速也非常高,达12000rpm以上。因此为了保证涡轮增压器的正常工作,对它的正确使用和维护十分重要。

涡轮增压汽油机在使用中的注意事项主要有以下几点:

(1)发动机起动后,不能立即起步或猛轰油门。一般要怠速运转3分钟,特别是在冬季,至少需要热车5min以上,以使机油温度升高,流动性能变好,在增压器转子高速运转之前让润滑油充分润滑转子轴承。同时,发动机刚起动后,由于机油温度低、粘度大,如猛轰油门,会使机油压力过高而损坏增压器油封。

(2)发动机热机状态下不能立即熄火(未单独安装增压器冷却系统的发动机)。涡轮增压器的转子轴承是靠一定压力的机油来润滑和冷却的。热机状态下的发动机如突然熄火,机油压力会迅速降低,则增压器涡轮部分的温度会迅速上升。同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转,这样就会造成涡轮增压器转子轴与轴承“咬死”而损坏轴承和轴。

发动机突然熄火后,排气歧管上的热量会被吸收到涡轮增压器壳体上,将停留在增压器内部的机油熬成积炭,阻塞进油口,导致轴承缺油,加速涡轮转轴与轴承之间的磨损。因此发动机熄火前应怠速运转3～5min,使涡轮增压器的温度和转子的转速下降。特别要防止猛踩几脚油门后突然熄火。

一汽大众速腾1.8T车型加装了延时熄火装置来保护涡轮增压系统。

此外值得注意的是涡轮增压发动机不适宜长时间怠速运转,一般应限制在10min之内,否则会因为机油压力过低造成转子轴承润滑不良而损坏。

(3)严禁采用“加速—熄火—空挡滑行”的操作方法,因发动机在全负荷高温下突然熄火,机油泵停止工作,润滑油不能带走增压器内零件的热量,会导致增压器的损坏。

(4)使用厂家规定牌号机油,并定期更换机油及机滤;增压器的润滑油管线在高温作用下内部机油容易结焦,应定期进行清洗。

(5)定期清洁或更换空气滤清器,防止灰尘等杂质进入高速旋转的压气机叶轮,造成转速不稳或轴套和密封件加速磨损。

(6)检查涡轮增压器的运转情况。在出车前、收车后,应检查发动机进气管路的连接部分,防止出现松动、脱落情况造成涡轮增压器失效或空气短路直接进入气缸。检查涡轮增压器是否有漏油、漏气现象;增压器壳体是否有过热、变色、裂纹等现象,如有立即查明原因加以排除或更换。当涡轮增压器出现异响时,决不能继续使用,应找出原因,加以排除。

5结语

随着科技的进步,涡轮增压器已经变得部件更少、体积更小、转速更高,空气压缩比更优。欧洲装备涡轮增压器的汽车发动机已经占到汽车市场的50%,涡轮增压发动机已经成为提高发动机动力性能的主流方向。我国轿车市场正步入使用涡轮增压技术的黄金时期,涡轮增压器在不断改善汽车性能的同时,也将为环保和节能做出更多的贡献。

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作者简介:魏炜(1973-),黑龙江牡丹江人,大连交通大学交通运输工程学院硕士研究生;李明海(1962-),辽宁大连人,大连交通大学交通运输工程学院教授。