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
. Z2 c2 f0 `2 {) o  C9 [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,。
: L2 H. T! a( i8 J$ RSUV汽油車以其強(qiáng)大的動(dòng)力,、轎車般的舒適感、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汽油車高油耗的弊端也暴露無疑,。
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)車廠生產(chǎn)柴油版SUV,。
, h! g2 ~# Y1 a+ f1 Z; K  w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
& r# [4 R/ P, Q* y0 {/ o* `長(zhǎng)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(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,。
2 w0 D' T9 f* @. C3 R0 L7 p(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,，并由中間殼來支撐,。
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　　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),。

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),。


　　潤(rùn)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(rùn)滑、為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡提供油膜支撐,。
# V* {0 t) ]- x6 X7 v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 x8 ]) N7 P7 Y. |- A2 F( ?* X　　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,。(
(2)旁通閥式增壓器的工作原理
* t# B  {8 V* s, _　　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,。
* s- e2 }7 \+ {1 Z1 r9 y9 j, {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控制的,。當(dāng)增壓壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，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(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的爆發(fā)壓力不超過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷的允許值,。
$ E. e% E) e$ e1 g7 m　　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,，在高速范圍通過旁通閥放氣(即部分廢氣不經(jīng)過渦輪直接進(jìn)入排氣管)以避免增壓器轉(zhuǎn)子超速或增壓壓力過高而引起汽缸內(nèi)燃燒壓力過大,，加劇柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷等。
　　如圖7所示,，旁通閥的開閉由增壓壓力自動(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)搖臂繞銷軸旋轉(zhuǎn)，使放氣閥開啟,，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)壓力不超過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷的允許值,。
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$ @0 a2 j9 u  R5 Z/ `" _$ B0 n2.可變截面渦輪增壓器在華泰圣達(dá)菲車D4EA柴油機(jī)中的應(yīng)用
' U0 J- |; p/ u7 k2 B! a! A　　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�,？勺兘孛鎻U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,。
* S$ E! g: d3 f7 g3 j' P% j7 z( |華泰圣達(dá)菲車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,。
) S) X7 d% k0 F" `: ZD4EA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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VGT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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6 R/ e+ i" _' Y- j在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子一側(cè)的圓形固定盤上,，裝有轉(zhuǎn)動(dòng)葉片組，它的幾何位置由ECU通過控制VGT電磁閥,、膜盒式真空?qǐng)?zhí)行器來控制,。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,，最終至全開位置，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,。
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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,，VGT系統(tǒng)明顯提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,。
1 Z8 ?, f; |' i2 w2 @! q 3.結(jié)束語
SUV汽油車功率大、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,。