摘 要：增壓技術(shù)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，本文首先分析了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的好處和發(fā)動(dòng)機(jī)常用的增壓方式的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后圍繞常用的廢氣渦輪增壓技術(shù)，介紹了改善渦輪機(jī)的“渦輪遲滯”現(xiàn)象的方法和工作原理，并對(duì)各種方法的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；增壓技術(shù)；機(jī)械增壓；廢氣渦輪增壓；壓力調(diào)節(jié)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.007

1 引言

增壓是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程中預(yù)先把空氣壓縮，然后再供入氣缸，以此提高進(jìn)氣密度，增加進(jìn)氣量的一項(xiàng)技術(shù)。

近幾年，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的市場(chǎng)化已經(jīng)非常普遍。綜合來(lái)看，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的好處有：

（1）增壓可以通過(guò)增加發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率進(jìn)而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。（2）增壓可以使發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化。（3）非增壓狀態(tài)下，可以提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。在非增壓狀態(tài)下，汽車相當(dāng)于使用小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，比大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)要節(jié)省燃油。

2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)常用的增壓方法分析

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)常用的增壓方法有機(jī)械增壓和廢氣渦輪增壓，其中又以廢氣渦輪增壓的使用最為普遍。

2.1 機(jī)械增壓

機(jī)械增壓是一種通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力的增壓方式。如圖1所示。

2.2 廢氣渦輪增壓

廢氣渦輪增壓是將具有一定能量的由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣引入渦輪機(jī)，利用廢氣的能力推動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動(dòng)與渦輪同軸連接的壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)增壓。廢氣渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)機(jī)械連接。如圖2所示。

2.3 機(jī)械增壓和廢氣渦輪增壓的對(duì)比分析

如表1所示，機(jī)械增壓相比于廢氣渦輪增壓響應(yīng)速度迅速，沒(méi)有延遲現(xiàn)象。機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出是線性的，與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)有著相似的動(dòng)力提升曲線，沒(méi)有渦輪增壓在渦輪介入時(shí)的轉(zhuǎn)速突然提高的現(xiàn)象，可以使車子行駛起來(lái)更加平穩(wěn)。但是機(jī)械增壓會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率并且成本較高，因此現(xiàn)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更多地使用了廢氣渦輪增壓。

3 廢氣渦輪增壓的增壓壓力調(diào)節(jié)方法分析

為了改善廢氣渦輪增壓的“渦輪遲滯現(xiàn)象”，發(fā)動(dòng)機(jī)上采取了很多方法。

3.1 使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能，使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪。首先，小渦輪會(huì)擁有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在發(fā)動(dòng)機(jī)較低轉(zhuǎn)速下渦輪就能達(dá)到最佳的工作轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生較大的進(jìn)氣增壓壓力。但是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的空氣壓力和流量，導(dǎo)致出現(xiàn)氣缸爆發(fā)壓力過(guò)高及增壓器超速的現(xiàn)象。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)上為了改善渦輪遲滯現(xiàn)象同時(shí)又避免增壓器超速現(xiàn)象常使用帶有廢氣旁通閥的渦輪增壓器。旁通閥的控制有機(jī)械和電子兩種控制方式。

3.1.1 機(jī)械控制旁通閥式渦輪增壓器

如圖3所示，使用了小尺寸的渦輪后，可以改善渦輪遲滯現(xiàn)象，同時(shí)把增壓后的氣體引入排氣旁通閥的膜片室，當(dāng)增壓壓力大于膜片室彈簧力時(shí)，膜片推動(dòng)連動(dòng)桿下移，推開(kāi)排氣旁通閥，如圖4所示，此時(shí)一部分廢氣不經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)就流入排氣尾管，有效避免了壓氣機(jī)超速的現(xiàn)象。

3.1.2 電子控制旁通閥式渦輪增壓器

排氣旁通閥的開(kāi)閉由電控單元ECU控制的增壓壓力控制電磁閥操縱。電控單元ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，由預(yù)存的增壓壓力脈譜圖確定目標(biāo)增壓壓力，并與增壓壓力傳感器檢測(cè)到的實(shí)際增壓壓力進(jìn)行比較，然后根據(jù)其差值來(lái)改變控制電磁閥開(kāi)閉的脈沖信號(hào)占空比，以此改變電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間，控制氣動(dòng)室右腔的氣體壓力進(jìn)而改變排氣旁通閥的開(kāi)度，控制排氣旁通量，借以精確地調(diào)節(jié)增壓壓力。

旁通閥式渦輪增壓器的缺點(diǎn)：

（1）排氣旁通閥打開(kāi)，排氣旁通之后，排氣能量的利用率下降，致使在高速大負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性變差。

（2）旁通閥式渦輪增壓器在低轉(zhuǎn)速時(shí)，還是會(huì)出現(xiàn)增壓滯后的現(xiàn)象。

（3）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，小渦輪由于排氣截面較小，會(huì)使排氣阻力增加（產(chǎn)生排氣回壓），因此發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩會(huì)受到一定的影響。

3.2 可變截面渦輪增壓VGT（Variable Geometry Turbocharger）技術(shù)

為了克服普通廢氣渦輪增壓器和旁通閥式渦輪增壓器的缺點(diǎn)，讓渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高、低轉(zhuǎn)速下都能保證良好的增壓效果，取得既能避免渦輪遲滯，又可以獲得較大功率的雙重效果。可變截面渦輪增壓VGT（Variable Geometry Turbocharger）技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

廢氣渦輪機(jī)中可調(diào)節(jié)的導(dǎo)向葉片能替代旁通，可調(diào)節(jié)的導(dǎo)向葉片控制廢氣流對(duì)渦輪的影響，導(dǎo)向葉片是通過(guò)真空調(diào)節(jié)器移動(dòng)的。

VGT技術(shù)的核心部分就是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片，渦輪的外側(cè)增加了一圈可由電子系統(tǒng)控制角度的若干個(gè)導(dǎo)流葉片，每個(gè)導(dǎo)流葉片的相對(duì)位置是固定的，但是葉片的角度可以控制和調(diào)整。

如圖6所示，導(dǎo)向葉片的軸部插在一個(gè)支撐盤(pán)內(nèi)，在支撐盤(pán)背面，導(dǎo)向葉片的軸部有一個(gè)導(dǎo)向軸頸，每一個(gè)導(dǎo)向軸頸都卡在調(diào)整環(huán)內(nèi)。所有導(dǎo)向葉片都能隨調(diào)整環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)而同時(shí)且均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整環(huán)由真空調(diào)節(jié)器控制桿的導(dǎo)向軸頸移動(dòng)。

如圖7所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速、排氣壓力較低的時(shí)候，導(dǎo)流葉片打開(kāi)的角度較小。根據(jù)流體力學(xué)原理，此時(shí)導(dǎo)入渦輪處的空氣流速就會(huì)加快，增大渦輪處的壓強(qiáng)，從而可以更容易推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，增加渦輪的轉(zhuǎn)速，從而有效減輕渦輪遲滯的現(xiàn)象，也改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和加速能力。

如圖8所示，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升和排氣壓力的增加，葉片也逐漸增大打開(kāi)的角度，在全負(fù)荷狀態(tài)下，葉片則保持全開(kāi)的狀態(tài)，減小了排氣背壓，從而達(dá)到大渦輪的增壓效果。

由于改變?nèi)~片角度能夠?qū)u輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，這也就實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪的過(guò)載保護(hù)，因此使用了VGT技術(shù)的渦輪增壓器都不需要設(shè)置排氣旁通閥。

導(dǎo)流葉片角度控制閥為膜片式負(fù)壓執(zhí)行器，它的動(dòng)力源為真空泵。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元接收各種傳感器信號(hào)，進(jìn)行分析判斷，然后向控制導(dǎo)流葉片角度控制閥中的電磁閥發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)改變電磁閥的電路的導(dǎo)通和斷開(kāi)的時(shí)間比（占空比），來(lái)改變閥芯移動(dòng)的位置，如圖9所示，從而調(diào)節(jié)低壓箱左腔的真空度的大小。

4 結(jié)論

現(xiàn)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓方式有機(jī)械增壓和廢氣渦輪增壓，應(yīng)用最普遍的是廢氣渦輪增壓。但是由于廢氣渦輪增壓在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，廢氣流速較慢，不足以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，而使壓氣機(jī)的增壓效果不明顯。為了改善渦輪遲滯現(xiàn)象，就采用了小尺寸的輕質(zhì)渦輪，以使廢氣在低流速時(shí)也能驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，但這種方法的缺陷是在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓氣機(jī)會(huì)超速運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須設(shè)置排氣旁通閥，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，讓一部分廢氣不經(jīng)渦輪機(jī)流出。改善渦輪遲滯現(xiàn)象，最為先進(jìn)的方法是采用可變截面渦輪增壓VGT技術(shù)。這種技術(shù)可以隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變廢氣流經(jīng)渦輪機(jī)的橫截面積大小，從而改變了廢氣流經(jīng)渦輪機(jī)的流速大小，以此來(lái)控制增壓壓力。

參考文獻(xiàn)：

[1]史文庫(kù)， 姚為民.汽車構(gòu)造[M].人民交通出版社，2015（08）.

[2]王占峰，黃平慧.雙流道渦輪增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響分析[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2016（01）.

作者簡(jiǎn)介：李曉娜（1981-），女，河南安陽(yáng)人，碩士，助教，主要從事汽車結(jié)構(gòu)和汽車設(shè)計(jì)方面的教學(xué)和研究。endprint