增壓技術(shù)在SUV共軌柴油機上的應(yīng)用

松濤

增壓技術(shù)在SUV共軌柴油機上的應(yīng)用
增壓技術(shù)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(dá)菲SUV的D4EA柴油機(CRDi)采用了可變截面渦輪增壓器VGT,。
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。
基于動力性,、經(jīng)濟性特別是日益嚴(yán)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(chǎn)柴油版SUV,。
增壓技術(shù)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(dá)菲SUV的D4EA柴油機(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城哈弗GW2.8TC型柴油機中的應(yīng)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(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)
1 H2 u( b; v7 J* J' G) c3 Z　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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器,。柴油機排出的廢氣經(jīng)過渦輪殼噴向渦輪葉輪時，將廢氣的熱能及壓力能轉(zhuǎn)變成動能,，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),。
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+ L% h; F- q$ @ 　　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(zhuǎn)子動平衡提供油膜支撐,。
! U) c4 M% d1 O& _+ [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(zhuǎn)子總成經(jīng)過非常精確的動平衡，以保證高速運轉(zhuǎn)情況下正常工作,。  


/ m, t$ O! b8 Q( \" `: z8 C% k  z6 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，即兩個全浮式浮動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
　　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(qū)動渦輪工作，從而帶動壓氣機將更多的空氣壓縮進(jìn)入發(fā)動機,，使燃油能更充分地燃燒,，達(dá)到提高發(fā)動機功率，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(dāng)增壓壓力達(dá)到預(yù)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(nèi)的爆發(fā)壓力不超過發(fā)動機機械負(fù)荷的允許值,。
% |: c9 G$ t; r6 [　　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(nèi)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(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,，加劇柴油機的機械負(fù)荷等。
+ j- e* D9 s/ h4 u$ \; p　　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(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,，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(zhuǎn)，使放氣閥開啟,，實現(xiàn)排氣旁通閥放氣,，控制增壓器轉(zhuǎn)速的上升。使發(fā)動機汽缸內(nèi)的爆發(fā)壓力不超過發(fā)動機機械負(fù)荷的允許值,。
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6 u6 I- S7 D* v* T, R; v2.可變截面渦輪增壓器在華泰圣達(dá)菲車D4EA柴油機中的應(yīng)用
, B( ^& g1 w. Q( C　　在上述廢氣渦輪增壓器中，渦輪機轉(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)動機的轉(zhuǎn)速有關(guān),。當(dāng)發(fā)動機低轉(zhuǎn)速工作時,，廢氣的動能小，渦輪機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低,，同軸帶動壓氣機的充氣量相對較少,，增壓后的進(jìn)氣壓力較低；而發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)設(shè)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(zhuǎn)速時的“渦輪遲滯”現(xiàn)象,。
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，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,。
D4EA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(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示,。
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! c6 C2 O6 m( |1 fVGT的壓氣機部分與一般廢氣渦輪增壓器相同,，而在渦輪機側(cè)除具有渦輪轉(zhuǎn)子外，還有轉(zhuǎn)動葉片組,、傳動及操縱結(jié)構(gòu)(含膜盒式真空執(zhí)行器及VGT電磁閥等),。  

7 O8 }7 ^" q: v5 y  Y2 g4 I8 w& J! R在渦輪機轉(zhuǎn)子一側(cè)的圓形固定盤上，裝有轉(zhuǎn)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(dāng)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(guān)閉位置,，葉片間通道截面變小，因此廢氣進(jìn)入渦輪機的速度加大,，從而使渦輪機的轉(zhuǎn)速提高,，同軸帶動壓氣機使充氣量較普通的增壓器增多。
7 C; k) ~. w% E) z當(dāng)發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致廢氣進(jìn)入渦輪機速度減慢,，從而使渦輪機轉(zhuǎn)速降低，同軸帶動的壓氣機使進(jìn)氣量維持在合適的范圍內(nèi),，如圖10(b)所示,。

2 T5 }+ Z# S, [: ]" Z. d" l+ E0 ^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(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)動機的動力性,。
6 U8 t: A: j2 O& O 3.結(jié)束語
SUV汽油車功率大、油耗高,，柴油動力應(yīng)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(jīng)濟性及排放之間的矛盾,。