增壓技術在SUV共軌柴油機上的應用

松濤

增壓技術在SUV共軌柴油機上的應用
增壓技術在普通柴油機上已趨普及，而在共軌柴油機上采用的渦輪增壓器主要有兩種：旁通閥式和可變截面式,。長城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油機采用了旁通閥式渦輪增壓器,，華泰圣達菲SUV的D4EA柴油機(CRDi)采用了可變截面渦輪增壓器VGT。
( q* l9 v( X% H" z' P  [SUV汽油車以其強大的動力,、轎車般的舒適感,、多變的空間組合，深得追求個性生活的年輕一族喜歡,。但隨著環(huán)保節(jié)能意識逐漸深入人心,，以及燃油成本的逐漸走高，SUV汽油車高油耗的弊端也暴露無疑,。
' Y" v' C6 J; ]9 p: N7 v  r基于動力性,、經濟性特別是日益嚴格的排放法規(guī)之考慮，柴油動力正日漸興起,，柴油機采用電控高壓共軌系統(tǒng)在歐洲已普遍采用,，我國也已有多個車廠生產柴油版SUV。
6 {, A% M0 l: y  D4 i1 T增壓技術在普通柴油機上已趨普及,，而在共軌柴油機上采用的渦輪增壓器主要有兩種：旁通閥式和可變截面式,。長城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油機采用了旁通閥式渦輪增壓器，華泰圣達菲SUV的D4EA柴油機(CRDi)采用了可變截面渦輪增壓器VGT,。
, s. ?! b3 ], e6 N6 X1.        旁通閥式廢氣渦輪增壓器在長城哈弗GW2.8TC型柴油機中的應用
長城哈弗車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,，該柴油機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最高轉速達180000r/min,，最高壓比為1.83。
(1)        旁通閥式增壓器的結構
# m9 z$ r5 J2 c- G1 ~" H　GW2.8TC型柴油機的廢氣渦輪增壓器由渦輪,、徑流式壓氣機,、中間殼,、轉子總成和旁通閥等組成(如圖1)。渦輪和壓氣機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，并由中間殼來支撐,。

　　渦輪部分主要包括渦輪殼和單級徑流式渦輪(如圖2),，它們是一個能量轉換器。柴油機排出的廢氣經過渦輪殼噴向渦輪葉輪時,，將廢氣的熱能及壓力能轉變成動能,，從而使渦輪高速旋轉。

中間殼是支撐轉子總成及固定渦輪殼,、壓氣機殼的中間支撐體,，也是潤滑和冷卻浮動軸承的潤滑油箱(如圖3)。

3 y$ |0 [/ ^' f1 ~# m: [
　　潤滑系統(tǒng)(如圖4)的作用是冷卻來自渦輪工作的熱量,、向軸承系統(tǒng)提供潤滑,、為轉子動平衡提供油膜支撐。
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生的熱,，使端面達到熱塑性狀態(tài),，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法)連成一體,，壓氣機葉輪以過渡配合裝入渦輪軸上,，并用自鎖螺母壓緊(如圖5)。整個轉子總成經過非常精確的動平衡,，以保證高速運轉情況下正常工作,。  

% C6 l8 _. t) h) u( q& H1 l
　　如圖6，轉子總成的支撐采用內支撐在兩葉輪之間的中間體上,，即兩個全浮式浮動軸承布置在兩葉輪之間的中間體上,，轉子的軸向力由固定在中間體上的止推軸承裝置承受。(
(2)旁通閥式增壓器的工作原理
　　渦輪增壓器本身不是動力源,，它是利用發(fā)動機排氣中的剩余能量來驅動渦輪工作,，從而帶動壓氣機將更多的空氣壓縮進入發(fā)動機，使燃油能更充分地燃燒,，達到提高發(fā)動機功率,，降低有害物排放的目的。
/ v8 o, k3 y( |6 \7 O　在高原地區(qū),，由于空氣稀薄,，自然吸氣的發(fā)動機功率會下降，采用渦輪增壓器,，就可以彌補發(fā)動機的高原功率損失,。
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,。其旁通閥工作是由增壓壓力來控制的。當增壓壓力達到預定值時,，旁通閥打開,，將部分多余廢氣排掉，控制渦輪增壓器增壓比,，使發(fā)動機汽缸內的爆發(fā)壓力不超過發(fā)動機機械負荷的允許值,。
　　渦輪增壓器采用旁通閥的目的是為了保證柴油機在低、中速范圍內與渦輪增壓器具有最佳的匹配效果,，以便柴油機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，增大低速扭矩,，改善燃油消耗,，在高速范圍通過旁通閥放氣(即部分廢氣不經過渦輪直接進入排氣管)以避免增壓器轉子超速或增壓壓力過高而引起汽缸內燃燒壓力過大，加劇柴油機的機械負荷等,。
　　如圖7所示,，旁通閥的開閉由增壓壓力自動控制。將壓氣機出口的增壓壓力引入旁通閥調節(jié)器的密閉壓力室內,，當增壓壓力達到或超過規(guī)定值時，其膜片將克服左邊的彈簧力與聯(lián)動推桿一起向左移動,，推動搖臂繞銷軸旋轉,，使放氣閥開啟，實現排氣旁通閥放氣,，控制增壓器轉速的上升,。使發(fā)動機汽缸內的爆發(fā)壓力不超過發(fā)動機機械負荷的允許值。

2.可變截面渦輪增壓器在華泰圣達菲車D4EA柴油機中的應用
  ~1 Q- P4 F. {" c1 u  j　　在上述廢氣渦輪增壓器中,，渦輪機轉子葉片與殼體之間的截面積是固定不變的,，在廢氣沖擊下其轉速與發(fā)動機的轉速有關。當發(fā)動機低轉速工作時,，廢氣的動能小,，渦輪機的轉子轉速較低，同軸帶動壓氣機的充氣量相對較少,，增壓后的進氣壓力較低,；而發(fā)動機高速旋轉時，廢氣的動能大,，同軸帶動壓氣機的充氣量相對較多,，增壓后的進氣壓力高。這種充氣量的差異,，限制了發(fā)動機中低時速功率的提高,�,？勺兘孛鎻U氣渦輪增壓器(VGT——Variable Geometry Turbocharger)正是對此改進設計的，它主要是提高發(fā)動機中低速的充氣量,，從而提高發(fā)動機的功率,、消除了傳統(tǒng)渦輪增壓器低轉速時的“渦輪遲滯”現象。
華泰圣達菲車裝備了具有電控高壓共軌系統(tǒng)(Bosch公司的第二代產品CRDi)的D4EA柴油機,，該柴油機采用了帶中冷器(水冷卻)電子控制的可變截面渦輪增壓器VGT,，為美國Garret公司的 GT27型增壓器。
( o2 C9 A3 q+ a+ j3 d! ND4EA發(fā)動機采用的可變截面增壓器VGT剖面圖如圖8所示,，VGT渦輪側的結構示意圖如圖9所示,。
3 E8 f* A1 K, t* u( e3 e
! A1 X/ G1 T& j" _+ KVGT的壓氣機部分與一般廢氣渦輪增壓器相同，而在渦輪機側除具有渦輪轉子外,，還有轉動葉片組,、傳動及操縱結構(含膜盒式真空執(zhí)行器及VGT電磁閥等)。  
. K4 C, a1 J5 ]
$ M& ^1 z6 m7 T  p: X3 \( z, v$ @在渦輪機轉子一側的圓形固定盤上,，裝有轉動葉片組,，它的幾何位置由ECU通過控制VGT電磁閥、膜盒式真空執(zhí)行器來控制,。如圖10(a)所示,，當發(fā)動機處于中、低速時,，廢氣的動能較小,，膜盒式真空執(zhí)行器使活動葉片組處于最大關閉位置，葉片間通道截面變小,，因此廢氣進入渦輪機的速度加大,，從而使渦輪機的轉速提高，同軸帶動壓氣機使充氣量較普通的增壓器增多,。
當發(fā)動機高速旋轉時,，廢氣動能增加，氣膜盒式真空執(zhí)行器推動活動葉片組逐步打開,，最終至全開位置,，葉片間通道截面增大，導致廢氣進入渦輪機速度減慢,，從而使渦輪機轉速降低,，同軸帶動的壓氣機使進氣量維持在合適的范圍內，如圖10(b)所示,。

不帶VGT的D4EA柴油機(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(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 ,，達到92kW,，最大輸出扭矩達285N.m，增加了30N.m,。由此可見,，VGT系統(tǒng)明顯提高了發(fā)動機的動力性。
: n7 w9 `9 [2 R7 I 3.結束語
! ^& I: @. p6 U, RSUV汽油車功率大,、油耗高,，柴油動力應是發(fā)展趨勢。柴油機采用帶可變截面渦輪增壓器VGT的電控高壓共軌系統(tǒng),，能夠很好地解決動力性,、經濟性及排放之間的矛盾。