車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

龍偵發(fā)

（東風(fēng)柳州汽車有限公司PV制造部,廣西 柳州 545626）

車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

龍偵發(fā)

（東風(fēng)柳州汽車有限公司PV制造部,廣西 柳州 545626）

渦輪增壓技術(shù)如今已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛。渦輪增壓技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)科技發(fā)展起著越來越重要的作用。本文從渦輪增壓技術(shù)發(fā)展歷史，渦輪增壓技術(shù)的基本原理，渦輪增壓技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，渦輪增壓新技術(shù)等幾方面對(duì)車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

車用渦輪;增壓技術(shù);應(yīng)用

0 引言

對(duì)于汽車行業(yè)而言，國(guó)內(nèi)外各大汽車廠商紛紛著手渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用與研究，車用渦輪增壓技術(shù)日益增多，這意味著車用渦輪增壓技術(shù)的春天即將到來，廣大有志于從事汽車的開發(fā)與研究的大學(xué)生和科技工作者，不管將來在汽車行業(yè)從事什么具體的工作，都應(yīng)當(dāng)對(duì)車用渦輪增壓技術(shù)有所了解乃至研究。

1 渦輪增壓技術(shù)發(fā)展歷史

渦輪增壓技術(shù)這個(gè)概念的提出至今已有百年時(shí)間了。渦輪增壓技術(shù)經(jīng)過不斷的改進(jìn),其在航天、航海及陸地機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)這項(xiàng)專利最早是由瑞士人申請(qǐng)的，同時(shí)，用了大概十年的時(shí)間研制了第一臺(tái)廢氣驅(qū)動(dòng)源泉的軸流式渦輪增壓器。但是，鑒于壓縮空氣壓力的有限性，這一發(fā)明沒有得到當(dāng)時(shí)社會(huì)的認(rèn)可。

對(duì)于渦輪增壓技術(shù)，其較為成功的應(yīng)用發(fā)揮在第一次世界大戰(zhàn)期間，應(yīng)用的領(lǐng)域?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)。而后，這一技術(shù)得到迅速的發(fā)展和推廣。對(duì)于小功率引擎渦輪增壓器，其研究興起于20世紀(jì)50年代，研究成果比較突出。在后來，成立了空氣學(xué)工業(yè)研發(fā)部，成為后期蓋瑞特引擎公司的前身，主要進(jìn)行渦輪增壓器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，對(duì)如今渦輪引擎發(fā)展意義重大。在這一階段，賽車上應(yīng)用了小型渦輪增壓設(shè)備，同時(shí)，與這一行業(yè)進(jìn)行了全面的融合，取得成功，而后迅速應(yīng)用在大型機(jī)器設(shè)備和小型汽車之上。

對(duì)于渦輪增壓器在小型汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，主要興起于20世紀(jì)70年代。最早的應(yīng)用發(fā)生與1975年，應(yīng)用在保時(shí)捷轎車中。在20年的時(shí)間里，諸多汽車廠家將渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用在小型轎車中。另外，在卡車領(lǐng)域，主要是應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械上。隨著渦輪增壓器對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的作用的深入，促使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

在當(dāng)前的重型車輛中，主要的動(dòng)力為柴油機(jī)。同時(shí)，在西歐國(guó)家，大量轎車上也應(yīng)用了柴油機(jī)，比例逐漸增大，甚至達(dá)到一半以上的占有率。柴油機(jī)是高新技術(shù)的一種，其主要優(yōu)勢(shì)是污染低、具有較強(qiáng)的節(jié)能性，能夠達(dá)到排放的基本標(biāo)準(zhǔn)，這些表現(xiàn)都得益于渦輪增壓技術(shù)。

2 渦輪增壓技術(shù)的基本原理

2.1 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

對(duì)于汽油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)，其主要的構(gòu)成為渦輪增壓器和中冷器，借助渦輪增壓進(jìn)行空氣的壓縮，中冷器而后實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的冷卻功能。渦輪室和增壓器構(gòu)成了渦輪增壓器。對(duì)于渦輪室而言，進(jìn)氣口與排氣歧管實(shí)現(xiàn)了鏈接的效果，將排氣口鏈接在排氣管之上。需要借助濾清器，實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓器進(jìn)氣口的處理。需要將渦輪安裝在渦輪室，葉輪安裝在增壓器內(nèi)部，保證二者采取的是軸鋼性連接模式。

在整個(gè)渦輪增壓系統(tǒng)中，中冷器至關(guān)重要。在受到壓縮之后，空氣溫度會(huì)急速升高，但是，此時(shí)容積率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。因此，對(duì)于完成增壓之后的空氣，在達(dá)到氣缸之前，需要進(jìn)行冷卻處理。這樣做的原理主要體現(xiàn)在將散熱器加裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓設(shè)備之間，與水箱散熱器異曲同工，實(shí)現(xiàn)將高壓空氣進(jìn)行分散，使其達(dá)到細(xì)小的管道之內(nèi)，一旦管道外部出現(xiàn)常溫空氣，降溫目的實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率被提升，發(fā)貨單壓縮點(diǎn)的溫度降低，使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度得到降低。

2.2 渦輪增壓器的工作原理

對(duì)于廢氣渦輪增壓器，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管鏈接在增壓器的渦輪殼上。一旦高溫廢氣被排除，經(jīng)過噴嘴環(huán)，鑒于面積逐漸減小的趨勢(shì)，同時(shí)，廢氣的壓力和溫度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，流速得到迅速提升。一旦渦輪受到高溫高速?gòu)U氣氣流的沖擊，致使渦輪出現(xiàn)較快速度的旋轉(zhuǎn)，促使整體廢氣的溫度、壓力和流速都出現(xiàn)增高的趨勢(shì)。借助渦輪，廢氣得到處理。此時(shí)，渦輪與壓氣機(jī)葉輪的速度相同，有效吸入濾清過的空氣，也在葉輪將其甩向外援，增大壓力和速度，進(jìn)入擴(kuò)壓器，降低了氣流的速度，此時(shí)壓力增大。當(dāng)高壓空氣經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入氣缸之后，鑒于充氣效率的擴(kuò)大，保證燃油能夠得到更加充分的燃燒，在維持排量不變的前提下，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

3 渦輪增壓技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于渦輪增壓技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)比較突出。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，能夠借助渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的增大。另外，立足節(jié)能和環(huán)保理念，渦輪增壓技術(shù)功能也十分突出。當(dāng)前，借助渦輪增壓以及中冷技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣缸內(nèi)充量容積率的提升，空燃比被增大，功率被大幅擴(kuò)大。一旦 功率能夠維持不變，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廢氣溫度、煙度等的降低。在內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展中，渦輪增壓技術(shù)不容忽視，能夠切實(shí)提供內(nèi)燃機(jī)的功率，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)，減少對(duì)環(huán)境的不良影響，在內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上不可替代。

根據(jù)辯證法的道路，任何事物的存在都具有雙面性，借助渦輪增壓，能夠增加動(dòng)力輸出值，但是，需要進(jìn)行這一過程中出現(xiàn)的高熱現(xiàn)象，否則，產(chǎn)生的高熱就會(huì)影響兩個(gè)部分的正常工作。對(duì)于作用進(jìn)行冷卻的，會(huì)受到高熱和快速的氧化現(xiàn)象，也就是說，利用渦輪增壓，需要保證機(jī)油的高品質(zhì)，優(yōu)勢(shì)在耐高溫和抗氧化方面，需要及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。要對(duì)機(jī)油更換的時(shí)間進(jìn)行合理掌控，縮短檢查周期，避免氧化物的查收。對(duì)于車場(chǎng)而言，借助相應(yīng)通道，進(jìn)行加裝機(jī)油冷卻器，不要有效避免油溫過高的現(xiàn)象，延長(zhǎng)機(jī)器使用周期。

對(duì)于渦輪增壓技術(shù)而言，其不足和問題要比較突出，如動(dòng)力輸出呈現(xiàn)反應(yīng)滯后的現(xiàn)象。由于轉(zhuǎn)子自身存在慣性，葉輪反應(yīng)較為緩慢，尤其是Ian的油門驟變的時(shí)候。從油門到葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)期間，空氣需要進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，時(shí)間差不打，時(shí)間很長(zhǎng)。對(duì)于一些經(jīng)過改良的渦輪，需要壓力進(jìn)出的控制，時(shí)間通常被控制我2秒左右，對(duì)進(jìn)氣壓力進(jìn)行降低，這種優(yōu)勢(shì)在迅速提速中應(yīng)用較為廣闊。

4 渦輪增壓新技術(shù)

針對(duì)常規(guī)渦輪增壓技術(shù)中存在的缺陷，一些新的渦輪增壓技術(shù)逐漸被開發(fā)出來并且在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行運(yùn)用。

4.1 可變?cè)鰤簻u輪葉片幾何技術(shù)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不高的時(shí)候，排氣流量也較小，渦輪片很難被推動(dòng)，此時(shí)，可變渦輪幾何系統(tǒng)中裝在和渦輪葉片平行位置并且圍繞它的那幾片可變導(dǎo)流板的角度就會(huì)變小。這種做法的好處是實(shí)現(xiàn)氣流通過空間的有效縮小，促使流速增大，葉片能夠更容易地被推動(dòng)。在轉(zhuǎn)速較大的時(shí)候，流量呈現(xiàn)較為充足的狀態(tài)，直接引發(fā)導(dǎo)流板角度的變化，使得渦輪能夠獲取最大的增壓數(shù)值。借助可變渦輪葉片的幾何原理，使得其能夠在較低轉(zhuǎn)速的情況下，達(dá)到較高的渦輪速度。同時(shí)，改善了氣缸增壓的狀況，提高功率，扭力增大。

4.2 雙渦輪增壓技術(shù)

對(duì)于雙渦輪增壓技術(shù)，在進(jìn)行分析之前，需要對(duì)其應(yīng)用中的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行探討。一旦油門踏板被踩踏，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。鑒于渦輪機(jī)與壓縮機(jī)的慣性，很難在速度上及時(shí)跟進(jìn)，遲滯現(xiàn)象發(fā)生。

對(duì)于雙渦輪增壓，顧名思義，就是利用兩個(gè)渦輪增壓器，二者相互獨(dú)立。在兩個(gè)增壓器的作用下，使得進(jìn)氣效率大幅提升，強(qiáng)化增壓效果，動(dòng)力明顯提升。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速不高的時(shí)候，工作的是低速渦輪，只需要使用較少的排氣就能夠帶動(dòng)渦輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)氣壓力足夠大。在轉(zhuǎn)速提升之后，高速渦輪發(fā)揮作用，使得動(dòng)力呈現(xiàn)連貫性。也就是說或，對(duì)于雙渦輪增壓技術(shù)，在提升動(dòng)力的同時(shí)，使得遲滯現(xiàn)象得到緩解。在具體應(yīng)用中，雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常被裝在排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)之上。

4.3 廢氣旁通增壓技術(shù)

對(duì)于廢氣旁通增壓系統(tǒng)，其主要立足柴油機(jī)低負(fù)荷區(qū)域，將其作為設(shè)計(jì)匹配點(diǎn)。針對(duì)很難有效兼顧的高負(fù)荷區(qū)域，可以先打開與大氣相連的調(diào)節(jié)閥，達(dá)到廢氣的有效釋放。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)u輪截面的大小進(jìn)行有效控制，形成低速壓力，對(duì)其動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及排放進(jìn)行有效改善，促使柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力發(fā)揮旁通閥的作用，達(dá)到最佳的狀態(tài)，有效應(yīng)對(duì)性能惡化的問題。帶廢氣旁通閥的增壓器主要應(yīng)用在柴油機(jī)上，其突出的問題是進(jìn)行了廢氣的排放，存在能耗浪費(fèi)的現(xiàn)象。

4.4 他渦輪增壓新技術(shù)

除了以上幾種種新技術(shù)外，還有電輔助增壓技術(shù)、超高增壓技術(shù)、諧振復(fù)合增壓技術(shù)等，各有千秋，滿足了汽車消費(fèi)者多方面的需求。

[1]楊龑虓,宋蟄存.渦輪增壓系統(tǒng)的現(xiàn)狀和電控趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2003,32(01)：7-10.

[2]曉青.增壓技術(shù)是現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)的必然選擇[J].商用汽車, 2003(12)：68-69.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.204

龍偵發(fā)(1985-)，男，廣西臨桂人，研究方向：汽車技術(shù)和應(yīng)用。