增壓技術(shù)在SUV共軌柴油機(jī)上的應(yīng)用

松濤

增壓技術(shù)在SUV共軌柴油機(jī)上的應(yīng)用
6 r' y3 i' N9 h2 ^+ S& H/ Q增壓技術(shù)在普通柴油機(jī)上已趨普及,，而在共軌柴油機(jī)上采用的渦輪增壓器主要有兩種：旁通閥式和可變截面式,。長(zhǎng)城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油機(jī)采用了旁通閥式渦輪增壓器,，華泰圣達(dá)菲SUV的D4EA柴油機(jī)(CRDi)采用了可變截面渦輪增壓器VGT。
7 ]% |4 _- P! z! t* W& FSUV汽油車(chē)以其強(qiáng)大的動(dòng)力,、轎車(chē)般的舒適感,、多變的空間組合，深得追求個(gè)性生活的年輕一族喜歡,。但隨著環(huán)保節(jié)能意識(shí)逐漸深入人心,，以及燃油成本的逐漸走高，SUV汽油車(chē)高油耗的弊端也暴露無(wú)疑,。
基于動(dòng)力性,、經(jīng)濟(jì)性特別是日益嚴(yán)格的排放法規(guī)之考慮，柴油動(dòng)力正日漸興起,，柴油機(jī)采用電控高壓共軌系統(tǒng)在歐洲已普遍采用,，我國(guó)也已有多個(gè)車(chē)廠生產(chǎn)柴油版SUV。
/ Z7 n5 k7 |8 E! v% H增壓技術(shù)在普通柴油機(jī)上已趨普及,，而在共軌柴油機(jī)上采用的渦輪增壓器主要有兩種：旁通閥式和可變截面式,。長(zhǎng)城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油機(jī)采用了旁通閥式渦輪增壓器，華泰圣達(dá)菲SUV的D4EA柴油機(jī)(CRDi)采用了可變截面渦輪增壓器VGT,。
1.        旁通閥式廢氣渦輪增壓器在長(zhǎng)城哈弗GW2.8TC型柴油機(jī)中的應(yīng)用
( M5 Q# A% i0 h長(zhǎng)城哈弗車(chē)裝備了具有電控高壓共軌系統(tǒng)(Bosch公司的CRS2.0系統(tǒng))的GW2.8TC型柴油機(jī),，該柴油機(jī)采用了帶旁通閥式的廢氣渦輪增壓器，增壓器為Garret公司的GT22型或三菱公司的TF035HM增壓器,，其中TF035HM最高轉(zhuǎn)速達(dá)180000r/min,，最高壓比為1.83。
(1)        旁通閥式增壓器的結(jié)構(gòu)
　GW2.8TC型柴油機(jī)的廢氣渦輪增壓器由渦輪,、徑流式壓氣機(jī),、中間殼、轉(zhuǎn)子總成和旁通閥等組成(如圖1),。渦輪和壓氣機(jī)分別被安裝在軸的兩頭,，并有各自的鑄造殼體，軸本身被安裝在中間殼中,，并由中間殼來(lái)支撐,。

+ b0 R9 m. r5 k/ ?　　渦輪部分主要包括渦輪殼和單級(jí)徑流式渦輪(如圖2)，它們是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器,。柴油機(jī)排出的廢氣經(jīng)過(guò)渦輪殼噴向渦輪葉輪時(shí),，將廢氣的熱能及壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，從而使渦輪高速旋轉(zhuǎn),。
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中間殼是支撐轉(zhuǎn)子總成及固定渦輪殼,、壓氣機(jī)殼的中間支撐體,，也是潤(rùn)滑和冷卻浮動(dòng)軸承的潤(rùn)滑油箱(如圖3)。


3 k3 z: Y! v0 d# _* j' S; c 　　潤(rùn)滑系統(tǒng)(如圖4)的作用是冷卻來(lái)自渦輪工作的熱量,、向軸承系統(tǒng)提供潤(rùn)滑,、為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡提供油膜支撐。
渦輪軸與渦輪葉輪采用摩擦焊(利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱,，使端面達(dá)到熱塑性狀態(tài),，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法)連成一體,，壓氣機(jī)葉輪以過(guò)渡配合裝入渦輪軸上,，并用自鎖螺母壓緊(如圖5)。整個(gè)轉(zhuǎn)子總成經(jīng)過(guò)非常精確的動(dòng)平衡,，以保證高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下正常工作,。  

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6 J1 {. t0 X& Z- k# U　　如圖6，轉(zhuǎn)子總成的支撐采用內(nèi)支撐在兩葉輪之間的中間體上,，即兩個(gè)全浮式浮動(dòng)軸承布置在兩葉輪之間的中間體上,，轉(zhuǎn)子的軸向力由固定在中間體上的止推軸承裝置承受。(
3 Y6 R4 I" r$ F" x(2)旁通閥式增壓器的工作原理
- a; f  X6 u  J! K6 f4 d　　渦輪增壓器本身不是動(dòng)力源,，它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的剩余能量來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪工作,，從而帶動(dòng)壓氣機(jī)將更多的空氣壓縮進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，使燃油能更充分地燃燒,，達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率,，降低有害物排放的目的。
　在高原地區(qū),，由于空氣稀薄,，自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)功率會(huì)下降，采用渦輪增壓器,，就可以彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的高原功率損失,。
) O+ b$ j4 z: b* t! X* @旁通式增壓器具有低速扭矩大并能兼顧高低速性能的優(yōu)點(diǎn)。其旁通閥工作是由增壓壓力來(lái)控制的,。當(dāng)增壓壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí),，旁通閥打開(kāi)，將部分多余廢氣排掉,，控制渦輪增壓器增壓比,，使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的爆發(fā)壓力不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷的允許值。
　　渦輪增壓器采用旁通閥的目的是為了保證柴油機(jī)在低,、中速范圍內(nèi)與渦輪增壓器具有最佳的匹配效果,，以便柴油機(jī)能夠得到較充足的空氣量，并與隨之加大的燃油供給量相適應(yīng),，增大低速扭矩,，改善燃油消耗，在高速范圍通過(guò)旁通閥放氣(即部分廢氣不經(jīng)過(guò)渦輪直接進(jìn)入排氣管)以避免增壓器轉(zhuǎn)子超速或增壓壓力過(guò)高而引起汽缸內(nèi)燃燒壓力過(guò)大,，加劇柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷等,。
( F5 o9 R( }9 f! m　　如圖7所示，旁通閥的開(kāi)閉由增壓壓力自動(dòng)控制,。將壓氣機(jī)出口的增壓壓力引入旁通閥調(diào)節(jié)器的密閉壓力室內(nèi),，當(dāng)增壓壓力達(dá)到或超過(guò)規(guī)定值時(shí)，其膜片將克服左邊的彈簧力與聯(lián)動(dòng)推桿一起向左移動(dòng),，推動(dòng)搖臂繞銷(xiāo)軸旋轉(zhuǎn),，使放氣閥開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)排氣旁通閥放氣,，控制增壓器轉(zhuǎn)速的上升,。使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的爆發(fā)壓力不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷的允許值。

2.可變截面渦輪增壓器在華泰圣達(dá)菲車(chē)D4EA柴油機(jī)中的應(yīng)用
# P' L. |; Z1 h; [5 k1 I9 i　　在上述廢氣渦輪增壓器中,，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與殼體之間的截面積是固定不變的,，在廢氣沖擊下其轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工作時(shí),，廢氣的動(dòng)能小,，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，同軸帶動(dòng)壓氣機(jī)的充氣量相對(duì)較少,，增壓后的進(jìn)氣壓力較低,；而發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，廢氣的動(dòng)能大,，同軸帶動(dòng)壓氣機(jī)的充氣量相對(duì)較多,，增壓后的進(jìn)氣壓力高。這種充氣量的差異,，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)中低時(shí)速功率的提高,。可變截面廢氣渦輪增壓器(VGT——Variable Geometry Turbocharger)正是對(duì)此改進(jìn)設(shè)計(jì)的,，它主要是提高發(fā)動(dòng)機(jī)中低速的充氣量,，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、消除了傳統(tǒng)渦輪增壓器低轉(zhuǎn)速時(shí)的“渦輪遲滯”現(xiàn)象,。
華泰圣達(dá)菲車(chē)裝備了具有電控高壓共軌系統(tǒng)(Bosch公司的第二代產(chǎn)品CRDi)的D4EA柴油機(jī),，該柴油機(jī)采用了帶中冷器(水冷卻)電子控制的可變截面渦輪增壓器VGT，為美國(guó)Garret公司的 GT27型增壓器,。
7 Q: a  Z. |9 v$ K/ sD4EA發(fā)動(dòng)機(jī)采用的可變截面增壓器VGT剖面圖如圖8所示,，VGT渦輪側(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。
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, b% t+ t* Z4 S* zVGT的壓氣機(jī)部分與一般廢氣渦輪增壓器相同，而在渦輪機(jī)側(cè)除具有渦輪轉(zhuǎn)子外,，還有轉(zhuǎn)動(dòng)葉片組,、傳動(dòng)及操縱結(jié)構(gòu)(含膜盒式真空?qǐng)?zhí)行器及VGT電磁閥等)。  
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在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子一側(cè)的圓形固定盤(pán)上,，裝有轉(zhuǎn)動(dòng)葉片組,，它的幾何位置由ECU通過(guò)控制VGT電磁閥、膜盒式真空?qǐng)?zhí)行器來(lái)控制,。如圖10(a)所示,，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于中、低速時(shí),，廢氣的動(dòng)能較小,，膜盒式真空?qǐng)?zhí)行器使活動(dòng)葉片組處于最大關(guān)閉位置，葉片間通道截面變小,，因此廢氣進(jìn)入渦輪機(jī)的速度加大,，從而使渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，同軸帶動(dòng)壓氣機(jī)使充氣量較普通的增壓器增多,。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí),，廢氣動(dòng)能增加，氣膜盒式真空?qǐng)?zhí)行器推動(dòng)活動(dòng)葉片組逐步打開(kāi),，最終至全開(kāi)位置,，葉片間通道截面增大，導(dǎo)致廢氣進(jìn)入渦輪機(jī)速度減慢,，從而使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低,，同軸帶動(dòng)的壓氣機(jī)使進(jìn)氣量維持在合適的范圍內(nèi)，如圖10(b)所示,。

$ c: v8 t1 \0 t/ S9 l0 ~  e0 j0 {不帶VGT的D4EA柴油機(jī)(有旁通閥式渦輪增壓器)的最大輸出功率為83kW,，最大輸出扭矩為255N•m，而帶VGT的D4EA柴油機(jī)(與前者比較,，其它方面幾乎相同)的最大輸出功率增加了9 kW ,，達(dá)到92kW，最大輸出扭矩達(dá)285N.m,，增加了30N.m,。由此可見(jiàn)，VGT系統(tǒng)明顯提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,。
3.結(jié)束語(yǔ)
; {, {; ~. R5 y# `+ ^# NSUV汽油車(chē)功率大,、油耗高，柴油動(dòng)力應(yīng)是發(fā)展趨勢(shì),。柴油機(jī)采用帶可變截面渦輪增壓器VGT的電控高壓共軌系統(tǒng),，能夠很好地解決動(dòng)力性,、經(jīng)濟(jì)性及排放之間的矛盾。