高 芳

（農(nóng)墾牡丹江管理局交通局，黑龍江 雞西 158308）

采用渦輪增壓技術(shù)不僅可以改善柴油發(fā)動機的動力性及燃油經(jīng)濟性，達到節(jié)約汽車能源、減少車用柴油機工作時的噪聲，保證在海拔較高的地區(qū)克服車用柴油機由于外界空氣密度過低而引起的發(fā)動機輸出功率下降的缺點，滿足高海拔的環(huán)境中車輛行駛的要求。尤其是最近幾年，國際上的汽車排放相關法規(guī)標準越來越高，導致相關人員運用渦輪增壓和中冷專業(yè)技術(shù)來解決有害氣體排放的問題，降低車用柴油機的排氣污染，使其達到規(guī)范要求。渦輪增壓技術(shù)己經(jīng)成為大多數(shù)車用柴油機滿足歐洲Ⅱ以上排放法規(guī)要求所必須采用的標準配置。

1 柴油機渦輪增壓技術(shù)概述

一臺性能優(yōu)良的發(fā)動機的比功率大，比質(zhì)量小，燃油消耗率低，排放污染小，工作可靠，使用壽命長，操作方便。

影響內(nèi)燃機功率的因素由公式（1）給出

式中：pe為有效功率，i為氣缸數(shù)，Vs為氣缸工作容積，Hu為燃料低熱值，l0為化學計量比，τ為沖程數(shù)，Φc為充量系數(shù)，ηit為指示熱效率，α為空燃比，ηm為機械效率，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，ρb為進氣空氣密度。

從公式（1）可以看出，過分增大缸徑和行程，增加氣缸數(shù)會使內(nèi)燃機系統(tǒng)龐大、復雜、笨重，且加工、安裝和維修不便，制造困難；采用二沖程則因低換氣質(zhì)量而影響熱效率；過高轉(zhuǎn)速會增加摩擦損失，不利于改善工況，且產(chǎn)生較大慣性力，使發(fā)動機可靠性及壽命受到影響。最為經(jīng)濟并且增壓效果顯著的方法是增加進氣空氣密度。如采用增壓提高進氣密度，則可使發(fā)動機功率提高40%～80%。

渦輪增壓器不但可以提高發(fā)動機的功率，降低燃油的消耗，還會在降低交通污染、控制交通噪聲、提高能源的利用等方面起到積極作用。渦輪增壓器根據(jù)廢氣在渦輪機不同的流通方向，可分為徑流式渦輪與軸流式渦輪兩大類。對于車用內(nèi)燃機則用徑流式渦輪增壓器。

2 渦輪增壓器結(jié)構(gòu)及原理

2.1 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由壓氣機、渦輪以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)所組成。

圖1 徑流式渦輪增壓結(jié)構(gòu)

2.2 渦輪增壓器工作原理

渦輪增壓器工作原理如圖2所示，當發(fā)動機產(chǎn)生溫度較高的廢氣時，一定的空氣壓力作用于渦輪殼并使之旋轉(zhuǎn)后進入空氣中。與此同時，壓氣機葉輪和渦輪共同安裝在相同的轉(zhuǎn)子軸上具有相等的速度，提高通過濾清器作用后的空氣使空氣的流動速度和壓力并行進入擴壓器，因此，空氣流動的速度減少，從而空氣的壓力增加。同時，壓氣機殼不斷地使空氣壓力繼續(xù)升高，提高后的空氣通過發(fā)動機的進氣管而到達氣缸中，達到改善進氣密度數(shù)值的目的。

圖2 渦輪增壓結(jié)構(gòu)

3 渦輪增壓器結(jié)構(gòu)設計

3.1 渦輪增壓器參數(shù)確定

12V150柴油發(fā)動機的參數(shù)為：汽缸直徑D＝150mm；汽缸工作容積Vh＝38.38L；活塞的行程S＝180mm；原機的發(fā)動機功率Pe＝382.35kW（520PS）／（2000r／min）；增壓后為Ne＝536.76 kW（730PS）／（2000r／min）。

3.2 設計點的選擇

為保證發(fā)動機具有良好的扭矩特性（扭矩系數(shù)K≥1.15），設計點選擇在

要求達到

增壓參數(shù)的確定：發(fā)動機過量空氣系數(shù)的確定α＝1.7；容積系數(shù)ηv＝0.98；掃氣系數(shù)ηs＝1.02；掃氣過量空氣系數(shù)φs＝ηvηs＝1。

增壓發(fā)動機所需空氣量為

式中：ge為發(fā)動機的燃油消耗率，單位（一般比不增壓降低5%～10%，為了滿足最大功率和最大扭矩的要求，應在發(fā)動機的外特性工況下計算）；α為過量空氣系數(shù)（為了適應降低發(fā)動機的熱負荷、降低排氣溫度以及提高扭矩系數(shù)一般比不增壓時大10%～30%）；L0為燃燒1kg燃料所需的理論空氣量，對柴油，L0＝14.3。

采用2臺增壓器，則每一臺增壓器的空氣流量為0.364kg／s。增壓空氣的密度為

壓氣機進口的空氣壓力為

式中：Δp為壓氣機進口處壓降，取為6000Pa。

壓氣機進口空氣密度為

式中：R為氣體常數(shù)，R＝287J／（kg·K）。

壓氣機壓比為

式中：ηn為壓氣機多變效率，取ηn＝0.76。因此，確定增壓器的設計參數(shù)為

4 渦輪增壓器特性分析

4.1 匹配性

為了保證該增壓器正常工作，使用過程中必須考慮以下幾方面：

1）由于該增壓器沒有專門冷卻系統(tǒng)，因此，要保證足夠的機油循環(huán)量，即機油壓力要達到250～400kPa。

2）渦輪殼與排氣管連接時，一定要考慮排氣管的熱膨脹量。

3）檢查各個結(jié)構(gòu)之間的間隙，使其保持在合理范圍內(nèi)。

4）避免發(fā)生喘振，除了設計因素之外，通常采取加大進氣管、增加中冷器以及避免在高速負荷下工作時緊急停車或突然減速等。

4.2 渦輪增壓器的冷卻和隔熱

為保證增壓器正常工作，渦輪端軸承部位的溫度不超過150°，渦輪密封部位不超過230°，采用油冷方式，并在渦輪軸承上端、密封環(huán)附近專門設置油道，基本滿足要求。

隔熱的目的是防止熱量自渦輪端傳至軸承和壓氣機端，這樣，可以減少連接零件的熱變形，防止殼體零件產(chǎn)生裂紋。該渦輪增壓器采取以下措施：

1）采用啞鈴式布置方案，形成溫度梯度差，減少熱輻射。

2）把軸承座固定在壓氣機端，加大熱阻。

3）把止推面設在壓氣機一端，可以減少自渦輪端通過轉(zhuǎn)軸經(jīng)止推面直接傳熱給軸承的可能性。

4）在渦輪葉輪與轉(zhuǎn)軸焊接處采用摩擦焊并做成中空形式，以減少自渦輪葉輪向轉(zhuǎn)軸的傳熱。

5 結(jié)束語

由于最近國際上的汽車排放相關的法規(guī)標準越來越高，因此，相關人員運用渦輪增壓和中冷專業(yè)技術(shù)來解決有害氣體排放的問題，降低車用柴油機的排氣污染，使其達到規(guī)范要求。該文從介紹渦輪增壓技術(shù)概況入手，對渦輪增壓技術(shù)的結(jié)構(gòu)及原理進行說明，并給出了其設計方法，對其相關特性及關鍵技術(shù)進行了總結(jié)，通過本設計體現(xiàn)出渦輪增壓可以非常有效地提高發(fā)動機功率，同時，可降低排放污染，是一項以低投入換取高效率的技術(shù)。

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