張憲輝

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116037）

前言

近年來，隨著我國節(jié)能減排環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，對(duì)汽車排量的限制也不斷加強(qiáng)。各大汽車生產(chǎn)廠家為此采取了各種應(yīng)對(duì)措施。在燃油車領(lǐng)域，一方面要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)小排量化以滿足國家對(duì)汽車排量的限制要求，另一方面還要滿足消費(fèi)群體對(duì)汽車動(dòng)力的需求，因此，“小排量＋廢氣渦輪增壓”成為解決這兩方面問題的主要技術(shù)路徑。

廢氣渦輪增壓技術(shù)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管排出的廢氣推動(dòng)廢氣渦輪，由廢氣渦輪帶動(dòng)進(jìn)氣葉輪壓縮進(jìn)氣空氣，從而提升進(jìn)氣充氣效率，增加進(jìn)氣量，達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的目的。

為了采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不得不在自然吸氣的基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的調(diào)整和改變。

1 對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的影響

自然吸氣式電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)路徑通常是：空氣濾清器→進(jìn)氣軟管（空氣流量計(jì)）→節(jié)氣門體→進(jìn)氣歧管→發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋（進(jìn)氣門）。

如圖1 所示，由于廢氣渦輪增壓的加入，電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)發(fā)生了如下變化：空氣濾清器→進(jìn)氣軟管（空氣流量計(jì)）→廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣口→廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)→廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)出氣口→增壓后進(jìn)氣管路→進(jìn)氣冷卻器（中冷器）→增壓后進(jìn)氣管路→節(jié)氣門體→進(jìn)氣歧管→發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋（進(jìn)氣門）。

圖1 廢氣渦輪增壓的進(jìn)排氣路徑

對(duì)比可見，安裝了廢氣渦輪增壓器的電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)氣系統(tǒng)在自然吸氣的基礎(chǔ)上增加了廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)、中冷器和必要的增壓后進(jìn)氣管路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得相對(duì)復(fù)雜。

2 對(duì)排氣系統(tǒng)的影響

自然吸氣式電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)路徑通常是：排氣歧管→三元催化器→排氣管→消音器→尾喉。

帶有廢氣渦輪增壓的電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其排氣系統(tǒng)的路徑為：排氣歧管→廢氣渦輪增壓器→三元催化器→排氣管→消音器→尾喉。

由上述廢氣渦輪增壓電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)路徑可以看出，廢氣渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的出口處（如圖1 所示），這是由廢氣渦輪增壓器以排氣歧管排出的廢氣為動(dòng)力所決定的。有些發(fā)動(dòng)機(jī)甚至將排氣歧管與廢氣渦輪增壓器集成為一個(gè)總成。

當(dāng)廢氣渦輪增壓器工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘20～30萬轉(zhuǎn)，并且由于其位于排氣歧管的出口處，溫度很高，因此，在如此惡劣的工作條件下，為了確保廢氣渦輪增壓器的性能和使用壽命，必須對(duì)其進(jìn)行必要的冷卻和潤滑。

3 對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響

如圖2 所示，為了進(jìn)行必要的冷卻，在廢氣渦輪增壓器上設(shè)計(jì)了冷卻水道，并通過一個(gè)進(jìn)水管和一個(gè)出水管連接到了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)當(dāng)中，通過冷卻液的不斷循環(huán)，將渦輪增壓器處的熱量帶走。

圖2 廢氣渦輪增壓器的冷卻管路和機(jī)油潤滑管路

當(dāng)前很多帶有廢氣渦輪增壓器的電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)都額外安裝了電子冷卻水泵。在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，電子冷卻水泵會(huì)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，為增壓器有效散熱，防止因發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后冷卻液不再循環(huán)而導(dǎo)致增壓器處熱量積聚，影響增壓器的工作性能和使用壽命。因此，對(duì)于那些沒有安裝電子冷卻水泵的帶有廢氣渦輪增壓器的電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在車輛長時(shí)間高速行駛后，一定注意不要停車后立即熄火，應(yīng)該在停車后讓發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行2～3 分鐘后再行熄火，以充分為增壓器散熱。

4 對(duì)潤滑系統(tǒng)的影響

廢氣渦輪增壓器上設(shè)計(jì)有潤滑油道，有兩條機(jī)油管路與之相連，如圖2 所示，一條來自發(fā)動(dòng)機(jī)主油道，將壓力機(jī)油輸送給增壓器輪軸，另一條通往發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱，使?jié)櫥鰤浩鬏嗇S的機(jī)油回流至油底殼。

廢氣渦輪增壓器高溫、高速的工作條件要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須使用高性能的機(jī)油，無論是質(zhì)量等級(jí)還是黏度等級(jí)都要滿足增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作要求。通常情況下，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)都優(yōu)先選用全合成機(jī)油，機(jī)油具體的質(zhì)量等級(jí)和黏度等級(jí)按照汽車生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)要求確定。

5 對(duì)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)的影響

為了防止有害的曲軸箱竄氣進(jìn)入大氣污染環(huán)境，同時(shí)也為了防止曲軸箱竄氣腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)部件，避免過高的曲軸箱竄氣壓力造成曲軸箱漏油，發(fā)動(dòng)機(jī)上都配有曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)，用于將曲軸箱竄氣導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)行二次燃燒，從而消除其危害。

如圖3 所示，自然吸氣電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)主要由油氣分離器、PCV 閥以及連接管路等部件組成。油氣分離器可以安裝在氣門室蓋上，也可以安裝在氣門室蓋外面的管路中，它的作用是將曲軸箱竄氣中的機(jī)油蒸氣分離出來，流回油底殼，防止機(jī)油消耗過大。PCV 閥是一個(gè)單向閥，也是計(jì)量閥，根據(jù)進(jìn)氣歧管真空度的大小來調(diào)節(jié)曲軸箱竄氣的流量。PCV 系統(tǒng)管路分為兩部分：一條管路將來自空氣濾清器的新鮮空氣導(dǎo)入氣門室；另一條管路將聚集在氣門室內(nèi)的曲軸箱竄氣和新鮮空氣的混合體經(jīng) PCV 閥送入進(jìn)氣歧管。

圖3 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)組成

自然吸氣電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)竄氣的處理路徑為：曲軸箱→油氣分離器→PCV 閥→進(jìn)氣歧管→燃燒室。

對(duì)于帶有廢氣渦輪增壓的電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)不僅要滿足自然吸氣狀態(tài)下的功能需求，同時(shí)也要滿足在進(jìn)氣增壓狀態(tài)下的功能需要，因此，其曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)就必須在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的組件基礎(chǔ)之上進(jìn)行系統(tǒng)的完善。以上汽通用別克LFV 廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)為例，如圖4所示，其曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)增加了新鮮空氣補(bǔ)給閥、抽氣閥和異常竄氣閥等3 個(gè)單向閥及相關(guān)管路，以滿足渦輪增壓未啟用（自然吸氣狀態(tài)）、渦輪增壓啟用、異常大量竄氣等三種工況的曲軸箱通風(fēng)。在曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生真空時(shí)，被空氣濾清器過濾后的新鮮空氣經(jīng)由新鮮空氣補(bǔ)給閥進(jìn)入氣門室罩蓋，再進(jìn)入曲軸箱（圖4（a））；在渦輪增壓器未啟用時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)有較大真空，在此狀況下的曲軸箱竄氣路徑為（圖4（b））：曲軸箱→氣門室罩蓋→油氣分離器→PCV 閥→進(jìn)氣歧管→燃燒室；當(dāng)渦輪增壓啟用時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)的真空度降低，此時(shí)的曲軸箱竄氣路徑為（圖4（c））：曲軸箱→氣門室罩蓋→油氣分離器→抽氣閥→渦輪增壓器進(jìn)氣端→中冷器→節(jié)氣門→進(jìn)氣歧管→燃燒室；當(dāng)曲軸箱出現(xiàn)異常大量竄氣時(shí)，曲軸箱內(nèi)部壓力推開異常竄氣閥，形成一條新的竄氣路徑（圖4（d））：曲軸箱→氣門室罩蓋→油氣分離器→異常竄氣閥→空氣濾清器后方→渦輪增壓器進(jìn)氣端→中冷器→節(jié)氣門→進(jìn)氣歧管→燃燒室。

圖4 LFV 廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)工作工況

上述這些單向閥的設(shè)置，主要是用來防止渦輪增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在進(jìn)氣歧管中所產(chǎn)生的正壓力對(duì)曲軸箱加壓。在渦輪增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣歧管中的壓力可能會(huì)超過大氣壓力，如果沒有這些單向閥，會(huì)使機(jī)油和竄氣從凸輪軸蓋流出并進(jìn)入到渦輪增壓器前端的進(jìn)氣系統(tǒng)，這可能導(dǎo)致節(jié)氣門體和進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)焦，并且可能會(huì)降低燃燒系統(tǒng)和中冷器的效率。

6 對(duì)廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)的影響

廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)主要用于減少發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOX的排放，其基本原理是：將一部分廢氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中，破壞混合氣成分，降低燃燒溫度，從而抑制NOX的生成。

如圖5 所示，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)主要由連接進(jìn)氣歧管與排氣歧管的廢氣傳輸管路、EGR 閥和相關(guān)控制組件組成。這套系統(tǒng)主要依靠自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力高于進(jìn)氣歧管壓力的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)。

圖5 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成

如果發(fā)動(dòng)機(jī)增設(shè)了廢氣渦輪增壓器，那么當(dāng)渦輪增壓器工作時(shí)，進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣壓力升高，此時(shí)利用排氣與進(jìn)氣的壓力差來完成廢氣再循環(huán)就比較困難了。為此，衍生出了兩種解決方案：一種是低壓回路EGR 方案，一種是高壓回路EGR 方案。

如圖6（a）所示，低壓回路EGR 是將廢氣引到渦輪增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)口前的低壓進(jìn)氣系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是容易獲得排氣與進(jìn)氣間的正向壓力差；缺點(diǎn)是再循環(huán)的廢氣流經(jīng)壓氣機(jī)和中冷器，使得壓氣機(jī)的進(jìn)氣溫度高于設(shè)計(jì)溫度，并且中冷器容易堵塞而導(dǎo)致壓力損失增加。

如圖6（b）所示，高壓回路EGR 是將廢氣引到壓氣機(jī)出口后的高壓進(jìn)氣系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是再循環(huán)廢氣不經(jīng)過壓氣機(jī)和中冷器，不存在影響增壓裝置耐久性和可靠性的問題；缺點(diǎn)是獲得排氣與進(jìn)氣間的正向壓力差較為困難。

圖6 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的兩種方案

上述的EGR 方案都是在發(fā)動(dòng)機(jī)體外進(jìn)行的，稱之為外部EGR 系統(tǒng)。為了有效解決外部EGR 系統(tǒng)存在的不足和問題，目前的電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)普遍利用可變氣門正時(shí)（雙VVT）系統(tǒng)，通過對(duì)進(jìn)、排氣門開閉時(shí)刻和時(shí)間的調(diào)整，直接在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)，規(guī)避了因?yàn)闇u輪增壓器而使發(fā)動(dòng)機(jī)EGR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜的諸多困擾，因此，通過可變氣門正時(shí)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)的方式也稱為內(nèi)部EGR。

7 對(duì)蒸發(fā)排放（EVAP）控制系統(tǒng)的影響

當(dāng)前的電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)都配置有蒸發(fā)排放（EVAP）控制系統(tǒng)，其作用是：收集和控制燃油箱內(nèi)的蒸氣，并將燃油蒸氣存儲(chǔ)起來，在合適的時(shí)機(jī)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，防止燃油蒸汽泄漏到大氣中去。

如圖7 所示，自然吸氣電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)主要由燃油加注口蓋、燃油箱、炭罐、蒸發(fā)排放進(jìn)氣口、蒸氣管、通風(fēng)管、吹洗管、吹洗電磁閥等部件組成。其工作過程為：燃油箱中的燃油蒸氣經(jīng)蒸氣管到活性炭罐，被收集存儲(chǔ)起來。當(dāng)EVAP 系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦以占空比形式控制吹洗電磁閥開啟，此時(shí)，進(jìn)氣岐管內(nèi)的真空施加到EVAP系統(tǒng)，新鮮空氣被吸入炭罐，炭罐中儲(chǔ)存的燃油蒸汽被吹洗出來并與吸入的新鮮空氣形成混合氣，混合氣在真空吸力的作用下進(jìn)入到進(jìn)氣歧管，然后被送入燃燒室參與燃燒。

圖7 排放蒸發(fā)（EVAP）控制系統(tǒng)的基本組成

對(duì)于渦輪增壓式電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)在炭罐和吹洗電磁閥之間的吹洗管中加裝了一個(gè)單向閥（圖7），用以防止渦輪增壓器工作時(shí)進(jìn)氣歧管的氣體在正向壓力作用下反流到活性炭罐。

8 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)真空源的影響

自然吸氣式電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)主要以節(jié)氣門后方的進(jìn)氣歧管真空作為真空源，為制動(dòng)系統(tǒng)真空助力器等提供真空。

而渦輪增壓式電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪增壓器工作時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)將呈現(xiàn)為正壓力，無法為真空助力器等提供必要的真空來源，因此，就需要為提供真空而加裝專門的真空泵，主要包括機(jī)械式和電子式。

此外，為了能夠更好地與廢氣渦輪增壓器匹配工作，渦輪增壓式電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的活塞頂及燃燒室形狀都需要在自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的改變。

9 結(jié)束語

綜上所述，廢氣渦輪增壓技術(shù)在電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，一方面提升了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率和動(dòng)力性能，另一方面也使得發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，維護(hù)成本和維修難度增加。