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1、废气涡轮增压发动机,一、涡轮增压技术的基本原理,1.增压原理：涡轮增压技术就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了，这样就可以再有限的汽缸容积内喷入更多的燃油进行燃烧，从而达到提高发动机功率的目的。发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的，由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制，因此发动机所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量，从而提高燃烧作功能力。因此在目前的技术条件下，涡轮增压器是惟一能使发动机在工作效率不变的情
2、况下增加输出功率的机械装置。一般能使发动机增加输出功率在10%到40%左右。,2.增压器类型,1）机械增压系统：机械增压器采用皮带与引擎曲轴皮带盘连接，利用引擎转速来带动机械增压器内部叶片，以产生增压空气送入引擎进气歧管内，整体结构相当简单，工作温度界于70-100，不同于涡轮增压器靠引擎排放的废气驱动，必须接触400-900的高温废气，因此机械增压系统对于冷却系统、润滑油脂的要求与自然进气引擎相同，机件保养程序大同小异。,机械增压的特性：机械增压与涡轮增压在动力输出上有着明显的区别，前者有接近自然进气的线性输出，而后者则因为有涡轮迟滞的现象，动力输出相对多一点突兀，没那么线性。因为机械增压的
3、作动原理，使其在低转速下便可获得增压。增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的动力输出随着转速的提高，也随之增强。因此机械增压引擎的出力表现与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。城市柴油公交车有别于一般柴油客车或货车，因为其平均车速低，基本上不会或很少达到最高车速，加上怠速时间长，起步、加速、减速频繁，发动机工况不断地交替变换，所以也适合采用机械增压。由于机械增压和涡轮增压的性能特点在许多方面是互补的，近年来在欧美国家的一些高档轿车和大功率的柴油车上，正在进行将这两种增压器装在同一辆车上的试验。,2）废气涡轮增压系统：这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无
4、任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%30%。,3）气波增压系统：,气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱动。在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力。气
5、波增压器结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料，也无需冷却。与涡轮增压相比，其低速转矩特性好，但是体积大，噪声高，安装位置受到一定的限制。不太适合安装在体积较小的轿车里面。目前，这种增压器还只能在低速范围内使用。由于柴油机的最高转速比较低，因此多用于柴油机上。,4）复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起，来解决两种技术各自的不足，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。这种装置在大功率柴油机上采用比较
6、多，汽油机上采用双增压系统（复合增压系统）的车型还比较少，大众的1.4 TSI发动机（这款发动机兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。在低转速时，由机械增压提供大部分的增压压力，在1 500rpm时，两个增压器同时提供增压压力。随着转速的提高，涡轮增压器能使发动机获得更大的功率，与此同时，机械增压器的增压压力逐渐降低。机械增压通过电磁离合器控制，它与水泵集合在一起。在转速超过3500rpm时，由涡轮增压器提供所有的增压压力，此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离，防止消耗发动机功率）采用了了这一系统。其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，只是结构太复杂，技术含量高，维修保养不容易，
7、因此很难普及。,二、废气涡轮增压发动机性能1.增压柴油机,经济性：,柴油机增压后，平均指示压力大大增加，而其平均机械损失压力 却增加不多，因此，机械效率m 提高；由于增压适当加大了过量空气系数 a，使燃烧过程得到一定改善，其指示热效率i t往往也会有所提高；增压机大多作泵气正功，也会使指示热效率提高；如果增压和非增压发动机功率相同，则增压发动机可以减少排量，显然，这样使机械损失减少，燃油消耗率降低。另外，由于发动机排量减少，整台发动机体积、质量都会减少，这样降低整车油耗也有利；发动机采用增压后，还可以在保证原有功率和一定转矩下，适当降低转速。这样，由于机械损失和磨损减少，对改善燃料经济性有利。
8、,排气污染和噪声：,由于增压柴油机有较充足的过量空气系数，有害气体排放量（HC、CO）一般为非增压机的1/31/2；由于增压适当加大了过量空气系数 a，使燃烧过程得到一定改善，其指示热效率i t往往也会有所提高；如果采用增压中冷技术，可显著减少 NOx 排放；由于增压后，柴油机着火延迟期缩短，压力上升率降低，可以使燃烧噪声减少；涡轮增压器的设置，使进、排气噪声也有所减少。,缺点：,主要体现在低速转矩特性和加速性下降等方面。低速时，由于增压压力下降，转矩 Tq 的增量明显比高速时低，这就使转矩特性的低速段很不理想，影响汽车加速性能及爬坡性能。起动时，由于未建立增压压力，而增压机的压缩比又比较低，
9、所以起动、着火有一定困难。此外，动态过程中，气体压力反应缓慢，增压器叶片也有较大惯性，致使各种响应都变慢，不仅进一步影响了加速及起动性能，也因过渡过程拖长而使此时的排放和经济性能变差。,2.增压汽油机,存在的主要问题：汽油机增压后，压缩终点和温度都加大，爆燃倾向加剧，热负荷更加严重。若燃料辛烷值不提高，就必须采取降低压缩比，推迟点火等相应措施，其结果会导致热效率的下降。此外，汽油机增压同样存在低速转矩特性和加速性能下降的问题。针对汽、柴油机增压技术存在的共同问题，可采取的措施：电子可变涡轮喷嘴环截面控制、电控增压压力控制等技术的应用可以有效改善低速转矩特性和动态特性；电控燃油喷射技术，实现了定
10、时和转矩特性（油量特性）的优化；特别是电控爆燃控制、电控废气再循环控制以及增压中冷技术对防止增压汽油机爆燃和降低热负荷十分有利。,三、增压压力控制 发动机增压时要防止增压器超速及增压压力过高。涡轮增压器超速可能损坏压气机及涡轮旋转零部件，造成严重事故。增压压力过高则可能使汽油机发生爆燃；使柴油机机械负荷及热负荷过高。控制增压压力有三种办法：,排气旁通，减少进入涡轮的排气及其能量；部分增压空气返回到压气机入口或大气中，减少入缸的空气量；通过电脑自动控制。,涡轮增压发动机的离心式压气机，通常在 14 发动机额定转速以下的转速范围内，出口空气压力增加甚微。高于该转速后，压力逐步上升，如果不采用排气旁
11、通，则压力沿着虚线上升，会超过发动机能承受的最高增压压力。因此要采取排气旁通或别的措施，使其压力控制在允许值以下。在一定具体条件下，采用大的涡轮及涡壳，也可以使压力较低，如图中虚线所示，但这是不经济的。为了防止涡轮增压器的超速及增压压力过高，可以采用提升阀等措施来控制排气旁通的通道。,用软管将压气机涡壳空腔与膜片作用器的空腔连接起来，传递压气机出口处空气压力变化信号。当发动机在正常的稳定状态下工作，增压压力不高，提升阀是关闭的。当增压压力超过某一规定值时，提升阀打开，部分排气不进入涡轮，而由旁通管直接排入大气中，因此涡轮转速不会上升，压气机出口压力也保持在限定值以下。,图3 排气旁通增压系统a
12、）旁通阀关；b）旁通阀开,a）,b）,在用排气背压及压气机入口处真空度联合控制时，当发动机在中等转速部分负荷工作时，排气背压通过钢管传递，作用在膜片作用器的膜片上，使旁通阀部分打开，实现控制增压压力的目的。如果发动机在中速、高速大负荷工况工作，输入涡轮的排气能量增加，使压气机转速及出口压力进一步上升，此时压气机入口处真空度增大，其影响与排气背压同时作用在膜片作用器上；使旁通阀打开，更多的排气从旁通阀排入大气中，使增压压力保持在一定范围内。,图4 排气背压及压气机入口处真空度控制的增压系统a）旁通阀关；b）旁通阀部分打开；c）旁通阀全开,c）,a）,自动控制系统主要由微处理机、压力传感器、转速传
13、感器（图中表示通过分配器提供转速变化信号）及敲缸传感器组成。输入信号经过处理后，微处理器给电磁线圈发出指令，控制旁通阀开或者关。由于采用了微处理器控制，在发生敲缸征兆时，可以自动推迟点火提前角，避免爆燃，因此采用这种控制系统的汽油机增压后，可以不降低压缩比，采用原先使用的汽油。,四、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮1.双涡壳通道的涡轮,使用小的涡壳通道A1可以提高发动机低速时涡轮工作响应敏捷性，减小其滞后现象。同时使用A1及A2时，实现涡轮增压器转速及增压压力自我调节的作用，并且可以减小排气背压，改善了发动机的充气及热效率。,图5 双通道涡壳增压系统a）低速轻负荷工况；b）高速重负荷工况,2
14、.可变涡壳通道的涡轮增压系统,a）,b）,图6 可变涡壳通道截面的增压系统a）低速运转闸阀关；b）高速运转闸阀开,3.可变喷嘴环流通截面的涡轮,发动机转速较低时，由于排气的流量较小，不容易推动涡轮叶片。这时可变涡轮几何系统中装在和涡轮叶片平行位置并且围绕它的那几片可变导流板的角度就会变小(如左图)。这样可以使气流通过的空间缩小，加大流速，更容易推动叶片。在转速高的时候 气体流量充足，这个时候可变导流板的角度会变大(如右图)，让涡轮获得最大增压值。有了可变涡轮叶片几何技术，便能在较低发动机转速下达到更高的涡轮速度。汽缸增压有明显的改善，功率及扭力方面相应也有明显的提升，在较低转速时可达到最大扭力
15、，并可维持在一个较广的旋转范围内。,五、汽油机增压系统的常用措施,电控汽油喷射系统 成功地摆脱了增压器与化油器匹配的困难，为汽油机增压技术奠定了基础。还为在汽油机增压系统中实现爆燃控制、放气控制、排放控制、增压器可变技术的应用等综合控制带来了方便。电控爆燃控制 采用爆燃控制以后，可以在避免发生爆燃的前提下，最大限度地发挥整机潜力。增压中冷 增压空气进行中冷，对增加充量、降低热负荷、消除爆燃均十分有利。,1.电控汽油喷射系统,图8 增压汽油机的电子控制系统1空气滤清器；2空气流量计；3涡轮增压器；4放气阀；5爆燃传感器；6水温传感器；7增压压力传感器；8节流阀位置传感器；9EGR阀；10中冷器；
16、11喷嘴；12点火线圈；13火花塞；14比例式压力控制电磁阀；15电动汽油泵；16变速器空档位；17车速传感器；18点火正时控制信号；19曲轴转角传感器,2.电控爆燃控制,点火时刻,通过爆燃传感器检测其爆燃信息，将输出波形进行滤波处理，并判定有无爆燃发生，然后由微机进行控制，首先延迟发生爆燃那一缸的点火提前角，使发动机处于既不发生爆燃，又处于较为理想的工作状态。采用爆燃控制以后，可以在避免发生爆燃的前提下，最大限度地发挥整机潜力。,3.增压中冷,涡轮增压可以提高空气的密度，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，这如同给轮胎打气时泵会发热一样。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升
17、高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%-5%，还能降低排放中的氮氧化合物(NOx)，改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。柴油机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提
18、供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。中间冷却技术不是一项简单的技术，过热无效果白费工夫，过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙。因此要将中冷器和涡轮增压器进行精确的匹配，使得压缩空气达到要求的冷却温度。,4、双涡轮增压技术,在讨论双涡轮增压技术前，我们先了解一个涡轮增压遇到的不利现象“迟滞现象”。当驾驶员踩油门踏板，发动机转速发生改变。由于涡轮机和压缩机有惯性，不能及时跟上这个速度的变化，这个现象称为“迟滞现象”。“迟滞现象”使发动
19、机延迟增加或减少输出功率。这样如果你越急加速，就会感觉发动机越使不上劲。使用双涡轮增压，就是采用2个相互独立的涡轮增压器的增压系统。当发动机在2个涡轮增压器的共同作用时，进气效率大幅提升，增压效果更加显著，动力性得到很大提升。另一方面，在发动机转速较低时，只有一个低速涡轮工作，这时较少的排气即可驱动这只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，高速涡轮工作继续进入高增压值的状态，提供一个连贯的强劲动力。这样双涡轮增压技术在提高发动机动力性的同时，可以改善涡轮增压的“迟滞现象”。但是，双涡轮增压发动机并不能完全消除“涡轮迟滞”现象，毕竟，涡轮增压器叶轮的惯性作用依然存在。在实际使用
20、中，双涡轮增压发动机通常都装备在直列6缸或V型等排量较大的发动机上。,5、涡轮增压 机械增压技术,由于涡轮增压系统和机械增压系统分别拥有各自的优势和劣势，因此，由涡轮增压器和机械增压器共同组成的双增压系统发动机同时具备了涡轮增压系统和机械增压系统的双重技术优势，并且使整合在一起的这两种不同型式的增压系统实现了优势互补。发动机在较低转速下运行时，由机械增压器提供绝大部分的增压压力，发动机输出功率的增加主要来自于机械增压系统，此时涡轮增压器由于“涡轮迟滞”增压效果并不明显。待发动机转速上升到1 500 r/min左右时，涡轮增压器的增压效果开始增强，并与机械增压器共同为发动机功率的增加提供所需的增
21、压压力。随着转速的不断提高，涡轮增压器的增压效果也在不断增强，与此同时，机械增压器的增压效果开始逐渐减弱。当发动机转速超过3 000-4000r/min时，由涡轮增压器提供全部的增压压力，发动机输出功率的增加全部来自于涡轮增压系统，此时机械增压器已经停止工作，以防止消耗发动机功率。应该说，双增压系统发动机很好地解决了机械增压系统燃油经济性较差和涡轮增压系统在低转速时容易产生“涡轮迟滞”现象的问题，但是，由于双增压系统结构复杂，不易与发动机匹配，对于发动机零部件的制造要求也较高，因此，目前只在个别车型上实现了应用。,汽油机燃油喷射与点火系统电子控制一、系统发展简述,化油器：1）排污严重，难于同时
22、消除各种气体排放污染物。2）油和气的响应速度都较慢，而且彼此间还有差别，致使动态过程时各种性能恶化。3）存在化油器喉管，致使进气系统阻力加大，充量系数降低。4）由于难兼顾各缸进气和油膜分配的均匀性，以致各缸工作不均匀性较为严重。5）增加了汽油机增压的困难等。电控汽油喷射：能准确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。,二、复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统,电控汽油喷射系统分为单点喷射与多点喷射。,图11 汽油机单点与多点电控燃油喷射系统a）单点喷油系统示意图；b）多点喷油系统示意图l燃油入口
23、；2空气入口；3节气门；4进气歧管；5喷油器；6发动机,b）,单点喷射虽然结构简单，但解决不了各缸性能不均匀性的缺点，多点喷射则因各缸可自行调控，再加之喷油与进气互不干扰，所以各缸的均匀性和进气系统的设计，均可达最优水平。,（一）工作原理 各传感器及有关的信息都输送到图上 所示的电控单元 ECU 中。ECU 接受信号后，根据系统中储存的数据（软件），求出对应于该工况的点火提前角、喷油持续时间（供油脉宽）和点火闭合角等参数，再命令执行器完成上述指令而进行正常运行。,图12 Motronic特性场1点火提前角；2闭合角；3燃空比（1/）；4怠速调节器开度；5废气再循环阀门位置；6加速加浓,（二）控
24、制功能1.喷射控制,1）稳定工况供油控制,2）冷起动及起动后暖机的供油控制,3）怠速转速与怠速油量控制,4）大气状态及蓄电池电压的油量修正,温度修正 进气量与进气温度有关，高于 20 要减油，低于 20 则要加油。大气压力修正 大气压力下降，空气稀薄要减油。这对高原行车有较大意义。蓄电池电压修正 电压下降会引起喷油率下降，故要增大喷油脉宽来补偿。,2.点火控制,点火提前角控制 点火闭合角的控制 爆燃控制,3.其它参数的控制,油箱通风调节。进行废气再循环控制。其它如凸轮轴控制（配气相位）、离合器控制、灭缸控制等。,三、多点燃油喷射系统的喷射时序对性能的影响,图356 喷油定时示意图a）同时喷射方
25、式；b)分组喷射方式；c)顺序喷射方式,发动机其他节能技术一、分缸断油（闭缸技术）,部分负荷时ECU通过设在燃油系统中的阀门切断右面 3 个气缸的燃油供应，只有左面 3 个气缸得到燃油供应并点火工作，一部分废气被送回进气管。进气总管中设有ECU控制的阀门，可将这两组气缸的进气歧管分隔开，所以回流废气可经进气管流入已经断油的 3 个气缸，再经过专门为这一组气缸设置的排气管排出。全负荷时，各缸一起工作。进气总管中的阀门将两组气缸的进气歧管接通，各缸都得到新鲜空气和燃油供应。,图16 分缸断油电子控制1空气；2燃油；3废气,二、与变速器换档相关的发动机控制,图388 变速器电子控制系统1档位选择杆；
26、2档位开关；3程序模块开关；4加速踏板终端开关；5牵引力控制开关；6节气门开关；7发动机负载传感器；8发动机转速传感器；9变速器输出轴转速传感器；10电子控制单元；11变速器控制；12点火控制；13喷油控制；14换档阀和变矩器阀；15故障信号灯,三、进气量电子控制1.进气量电子控制的必要性,通过节气门以外的装置调节进气量的场合 某些电子控制项目中为了改善平顺性而要求逐步改变转矩的场合 为了迅速加热三元催化器而在暖机阶段推迟点火的场合 牵引力电子控制、发动机限速控制和汽车限速控制的场合 现代汽油直接喷射发动机中,2.进气量电子控制系统的组成,进气量电子控制俗称电子油门（EGAS），又称导线驾驶（
27、DrivebyWire）。目前一般都采用节气门调节进气量，用节气门作为进气量电子控制的执行器，见图389。所以称之为节气门电子控制（Electronic Throttle Control，缩写成 ETC）。,图389 进气量电子控制系统1加速踏板模块；2各种传感器；3发动机 ECU；4各种执行器；5节气门装置；6监测模块,四、停车起动运行电子控制,汽车在城市行驶工况中，怠速运行时间占总运行时间的比例可高达 2030，而怠速油耗占总油耗的 5 左右。因此，如果停车时关闭发动机，取消怠速，对改善整车燃料消耗损失大有好处。使用停车-起动电子控制时，离合器脱开、汽车停住或只是以大约 2km/h 的速度爬行时，发动机在几秒钟内就自动关闭。重新起动发动机时只要将离合器踏板踩到底，并将加速踏板踩下达其行程 13 以内就可以了。停车起动运行虽然节省了怠速燃油，但增加了起动燃油的消耗。,
