增壓技術(shù)在SUV共軌柴油機(jī)上的應(yīng)用

松濤 · 發(fā)表于 2010-5-9 12:21:52

增壓技術(shù)在SUV共軌柴油機(jī)上的應(yīng)用
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。
SUV汽油車以其強(qiáng)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(jì)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(jī)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(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城哈弗GW2.8TC型柴油機(jī)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(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(jī)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(jī)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)。

　　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。
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)。整個轉(zhuǎn)子總成經(jīng)過非常精確的動平衡，以保證高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下正常工作。

　　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(jī)排氣中的剩余能量來驅(qū)動渦輪工作，從而帶動壓氣機(jī)將更多的空氣壓縮進(jìn)入發(fā)動機(jī)，使燃油能更充分地燃燒，達(dá)到提高發(fā)動機(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)動機(jī)功率會下降，采用渦輪增壓器，就可以彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)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(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，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(jī)汽缸內(nèi)的爆發(fā)壓力不超過發(fā)動機(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，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(shí)現(xiàn)排氣旁通閥放氣，控制增壓器轉(zhuǎn)速的上升。使發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)的爆發(fā)壓力不超過發(fā)動機(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D4EA柴油機(jī)中的應(yīng)用
　　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)動機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速工作時，廢氣的動能小，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，同軸帶動壓氣機(jī)的充氣量相對較少，增壓后的進(jìn)氣壓力較低；而發(fā)動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，廢氣的動能大，同軸帶動壓氣機(jī)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(jī)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(jī)中低速的充氣量，從而提高發(fā)動機(jī)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(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Garret公司的 GT27型增壓器。
D4EA發(fā)動機(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。

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)。

在渦輪機(jī)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(jī)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(jī)的速度加大，從而使渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，同軸帶動壓氣機(jī)使充氣量較普通的增壓器增多。
當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jī)速度減慢，從而使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低，同軸帶動的壓氣機(jī)使進(jìn)氣量維持在合適的范圍內(nèi)，如圖10(b)所示。

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)動機(jī)的動力性。
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(jī)采用帶可變截面渦輪增壓器VGT的電控高壓共軌系統(tǒng)，能夠很好地解決動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放之間的矛盾。

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