第五章 渦輪增壓技術(shù)

第五章渦輪增壓技術(shù)第一節(jié)概述第二節(jié)新奧迪A42.0TFSI廢氣渦輪增壓技術(shù)第三節(jié)寶馬N54發(fā)動機雙渦輪增壓技術(shù)第四節(jié)渦輪通流面積控制第五節(jié)廢氣渦輪增壓電子控制第一節(jié)概述一、渦輪增壓技術(shù)1.渦輪增壓技術(shù)的特點2.增壓技術(shù)分類二、渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展1.可變增壓渦輪葉片幾何技術(shù)（？）2.渦輪增壓中冷技術(shù)3.雙渦輪增壓技術(shù)4.渦輪增壓+機械增壓技術(shù)三、渦輪增壓技術(shù)的實際應(yīng)用1.薩博Saab的低渦輪增壓技術(shù)從20世紀(jì)70年代末開始，薩博Saab的增壓技術(shù)一直領(lǐng)先。Saab的動力分流技術(shù)和Trionic8發(fā)動機管理系統(tǒng)。Trionic8發(fā)動機管理系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速時使渦輪增壓器提前工作，同時提前打開節(jié)氣門，以便增壓器迅速進(jìn)入運行狀態(tài)。對來自加速踏板的信號進(jìn)行獨立編程處理。其2.0L低渦輪增壓發(fā)動機，在轉(zhuǎn)速5300r∕min時輸出155kw的功率，幾乎相當(dāng)于3.0L自然吸氣發(fā)動機。2.大眾TSI渦輪增壓技術(shù)TSI發(fā)動機通過電子系統(tǒng)根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對廢氣渦輪以及機械增壓器介入工作時間進(jìn)行控制，發(fā)揮這兩種增壓技術(shù)的各自優(yōu)勢，最終實現(xiàn)在寬轉(zhuǎn)速范圍的最大動力輸出。具體來說，TSI的渦輪是根據(jù)以下邏輯進(jìn)行動作的:1)在低轉(zhuǎn)速時，由于廢氣渦輪的遲滯效應(yīng)，大部分的增壓壓力都由機械增壓器產(chǎn)生。發(fā)動機低轉(zhuǎn)速響應(yīng)性更好，廢氣渦輪增壓器的起動更加平順。2)當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500r/min時，兩個增壓器同時產(chǎn)生作用，總增壓值達(dá)到250kPa。隨著轉(zhuǎn)速的提高，廢氣渦輪增壓器使發(fā)動機獲得更大的動力，而機械增壓器由于摩擦的增大，增壓效果逐漸降低。3)當(dāng)轉(zhuǎn)速超過35OOr/min時，發(fā)動機管理系統(tǒng)控制電磁離合器分離，使得機械增壓器退出工作，減少摩擦損耗。此時，廢氣渦輪增壓器完全提供發(fā)動機的增壓壓力。以國外銷售的大眾1.4TSI發(fā)動機為例(國產(chǎn)1.4TSI發(fā)動機取消了機械增壓)，最大功率在6000r/min時達(dá)到125kW，最大轉(zhuǎn)矩在175O-4500r/min的范圍內(nèi)達(dá)到240N?m，相當(dāng)于一臺2.3L自然吸氣發(fā)動機的動力輸出。在燃油消耗上，則比2.3L自然吸氣發(fā)動機降低20%。第二節(jié)新奧迪A42.0TFSI廢氣渦輪增壓技術(shù)一、新奧迪A42.0TFSI廢氣渦輪增壓技術(shù)新奧迪A42.0TFSI采用的是旁通閥式廢氣渦輪增壓器，在這種新型發(fā)動機上，汽油直噴技術(shù)與廢氣渦輪增壓技術(shù)相結(jié)合，因而發(fā)動機體積很小，但動力性極佳。為了滿足渦輪增壓器提出的更加苛刻的條件，其缸體依然采用鑄鐵材質(zhì)，這樣能承受更高的缸內(nèi)燃燒溫度；水冷系統(tǒng)能更好的解決渦輪增壓器的冷卻問題，延長增壓器的正常使用壽命；渦輪增壓器與排氣歧管制成一體，體積更緊湊。轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)至二十多萬轉(zhuǎn)，需要有單獨的潤滑油供應(yīng)管路，并為浮動軸承提供油膜支撐。渦輪增壓器的潤滑：首頁返回章返回節(jié)首頁返回章返回節(jié)為節(jié)省空間，開發(fā)了集成排氣歧管和渦輪增壓器殼體的模塊。其優(yōu)點是方便維修，可方便地拆裝排氣管及三元催化轉(zhuǎn)化器。排氣歧管的結(jié)構(gòu)與點火順序相關(guān)，根據(jù)各缸的點火順序，相應(yīng)缸的廢氣到達(dá)排氣管道的分離筋處，分離筋可使得廢氣的氣流均勻地作用到渦輪上。分離筋還可阻止廢氣壓力膨脹后進(jìn)入其他氣缸內(nèi)。這樣就可保持所需要的渦輪轉(zhuǎn)速，并可優(yōu)化渦輪增壓器的響應(yīng)特性。在發(fā)動機超速運行狀態(tài)時，如果節(jié)氣門關(guān)閉了，由于存在著增壓壓力，會在壓縮室內(nèi)產(chǎn)生一個背壓。這個背壓會顯著降低壓縮機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致增壓壓力下降。為了避免出現(xiàn)這種情況，發(fā)動機控制單元使渦輪增壓器循環(huán)空氣閥N249工作，該閥打開一個旁通通道，從而將壓縮空氣經(jīng)壓縮機轉(zhuǎn)子再引回到壓縮機循環(huán)的進(jìn)氣一側(cè)，這樣就可保持所需要的渦輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)節(jié)氣門打開時，渦輪增壓器循環(huán)空氣閥N249關(guān)閉，又會立即形成增壓壓力。N249廢氣旁通控制裝有廢氣旁同閥的增壓系統(tǒng)主要是為解決廢氣渦輪增壓汽車柴油機的低速扭矩特性變差的問題，同時又要兼顧低速響應(yīng)和高速功率之間的矛盾。旁通閥的開啟或關(guān)閉由ECU根據(jù)增壓壓力和其他有關(guān)信息進(jìn)行控制。首頁返回章返回節(jié)系統(tǒng)工作原理

Ende尾氣葉輪進(jìn)氣葉輪通三元催化轉(zhuǎn)換器新鮮空氣旁通閥來自電磁閥N75的高壓空氣電磁閥N75的高壓空氣通燃燒室燃燒室尾氣首頁返回章返回節(jié)首頁返回章返回節(jié)增壓壓力限制電磁閥N75首頁返回章返回節(jié)輔助水泵V51輔助水泵V51在發(fā)動機熱機關(guān)閉后還可工作15min，這樣冷卻液就可再循環(huán)一段時間。該泵將溫度較低的冷卻液逆著其流動方向傳送。于是輔助水泵吸入的冷卻液就從散熱器經(jīng)渦輪增壓器流到發(fā)動機缸體，然后再流回散熱器，從而消除停滯的熱量。該泵運行時間的長短取決于冷卻液溫度和機油溫度。第三節(jié)寶馬N54發(fā)動機雙渦輪增壓技術(shù)一、寶馬N54發(fā)動機雙渦輪增壓技術(shù)寶馬N54發(fā)動機增壓器最高轉(zhuǎn)速可達(dá)200000r∕min，廢氣入口溫度高達(dá)1050℃。因此N54發(fā)動機的增壓器不僅與發(fā)動機潤滑系統(tǒng)相連，而且還集成在發(fā)動機的冷卻循環(huán)回路內(nèi)。N54發(fā)動機還裝有電動冷卻液泵，可在發(fā)動機熄火后排出增壓器內(nèi)的余熱，防止軸承過熱和潤滑油結(jié)焦。1、二、寶馬N54發(fā)動機雙渦輪增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理2、3、4、5、三、寶馬N54發(fā)動機的進(jìn)氣系統(tǒng)三、寶馬N54發(fā)動機的進(jìn)氣系統(tǒng)四、寶馬N54發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)五、寶馬N54發(fā)動機的燃油系統(tǒng)1、2、系統(tǒng)組成3、4、5、維修注意事項(汽服、交通)6、火花塞（汽服、交通）采用帶廢氣旁通閥的渦輪增壓器后，雖可采用蝸殼面積比較小的渦輪增壓器，但其工作范圍相應(yīng)也變窄了，要同時兼顧低速喘振線和高速阻塞線比較困難，因此不能把渦輪最佳轉(zhuǎn)速定得太低。故它對車用增壓柴油機低速性能的改善也是有限的。首頁返回章返回節(jié)第四節(jié)渦輪通流面積控制此外，高速時的放氣使廢氣利用率降低，造成全負(fù)荷時燃油耗率增加，影響高工況下的經(jīng)濟性。所以，盡管帶廢氣旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)是解決廢氣渦輪增壓柴油機低速轉(zhuǎn)矩和瞬態(tài)響應(yīng)性能差的最簡單和成本最低的方案之一，但在大排量重型車用增壓柴油機上應(yīng)用較少。為克服帶廢氣旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)的缺點，可采取改變渦輪通流面積的措施，即在低工況時縮小渦輪通流面積，而在高工況時增大渦輪通流面積。這樣，就可在不損害高工況經(jīng)濟性的前提下，擴大低燃油耗率的運行區(qū)，增大低速轉(zhuǎn)矩，提高加速性能，降低排放(特別是降低柴油機的煙度)和噪聲。首頁返回章返回節(jié)l.可變渦輪進(jìn)口面積改變渦輪通流面積的方法有很多，其中之一是改變渦輪的進(jìn)口面積。如在蝸殼中插入一塊可移動的板以改變廢氣的通流面積，或?qū)⑽仛ぶ袕U氣通道分成幾個以改變廢氣的通流面積等。首頁返回章返回節(jié)2.可變渦輪噴嘴截面在廢氣渦輪增壓汽車柴油機中，比較成熟的改變渦輪通流面積的方法是采用可變渦輪噴嘴截面，即隨發(fā)動機負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的變化，用改變渦輪噴嘴角度的方法來改變噴嘴有效截面積和葉輪進(jìn)氣角。柴油機低工況時，噴嘴有效截面積縮小，改善渦輪對廢氣能量的利用；柴油機高工況時，由于噴嘴有效截面積增大，可不讓渦輪超速或增壓壓力過高。首頁返回章返回節(jié)在有葉徑流式渦輪增壓器中，可以采用轉(zhuǎn)動噴嘴葉片的方法來改變噴嘴有效截面積和葉輪進(jìn)氣角。在無葉徑流式渦輪增壓器中，則可以采用在噴嘴出口處用滑動擋板來調(diào)節(jié)噴嘴出口面積。首頁返回章返回節(jié)可調(diào)整葉片式渦輪增壓器調(diào)整圈導(dǎo)銷銷支撐圈葉片控制桿導(dǎo)向銷控制桿首頁返回章返回節(jié)可調(diào)葉片式渦輪增壓器調(diào)整原理首頁返回章返回節(jié)第五節(jié)廢氣渦輪增壓輔助電子控制采用渦輪增壓技術(shù)后，由于平均有效壓力增加，發(fā)動機爆震傾向增大，熱負(fù)荷偏高。為了保證發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速及工況下都得到最佳增壓值，防止發(fā)動機爆震和限制熱負(fù)荷，對渦輪增壓系統(tǒng)增壓壓力必須進(jìn)行控制。目前對增壓壓力的控制方案很多，但總的說來，多是采用放氣的方法，即調(diào)節(jié)進(jìn)入動力渦輪室的廢氣。首頁返回章返回節(jié)實踐證明，這種方法比較簡單有效。當(dāng)需要增加進(jìn)氣壓力時，排氣歧管排出的廢氣進(jìn)入渦輪增壓器，經(jīng)動力渦輪排出；隨著節(jié)氣門開度增加和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，動力渦輪的轉(zhuǎn)速就會加快，與動力渦輪同軸的增壓渦輪的轉(zhuǎn)速也同樣加快，致使進(jìn)氣增壓壓力增大。如果放氣閥門打開，通過動力渦輪的廢氣數(shù)量和氣壓就會減小，動力渦輪轉(zhuǎn)速降低，增壓渦輪的進(jìn)氣增壓壓力就會減小。首頁返回章返回節(jié)由此可見，通過控制放氣閥門，改變廢氣通路走向，使廢氣進(jìn)入動力渦輪室或者旁路排出，就可以實現(xiàn)增壓壓力的控制。通常，放氣閥門由膜片式放氣控制閥控制，而放氣控制閥則由ECU通過增壓電磁閥進(jìn)行控制。首頁返回章返回節(jié)在實際控制中，為了獲得較好的控制效果，基本上都是采用調(diào)節(jié)點火正時和調(diào)節(jié)增壓壓力相結(jié)合的辦法。因為單一地通過降低增壓壓力的辦法，會引起發(fā)動機運行性能降低；另外由于采用渦輪增壓后，發(fā)動機排氣溫度較高，也不適宜單獨采用調(diào)節(jié)點火正時的辦法來控制爆震，否則由于溫度的增高，對高溫排氣驅(qū)動的渦輪有不利影響。首頁返回章返回節(jié)因此，兩種方法并用，是它們的首選模式。實用中，常是當(dāng)ECU根據(jù)傳感器輸入的信號，鑒別出爆震時，即刻使點火提前角推遲，推遲點火提前角是最快的措施。同時又平行地降低增壓壓力。在這兩方面調(diào)節(jié)生效(爆震消失)時，再將增壓壓力慢慢降低，通過點火正時調(diào)節(jié)裝置，又將點火提前角調(diào)節(jié)至最佳值，以便可能