第五章 涡轮增压技术

第五章涡轮增压技术第一节概述第二节新奥迪A42.0TFSI废气涡轮增压技术第三节宝马N54发动机双涡轮增压技术第四节涡轮通流面积控制第五节废气涡轮增压电子控制第一节概述一、涡轮增压技术1.涡轮增压技术的特点2.增压技术分类二、涡轮增压技术的发展1.可变增压涡轮叶片几何技术（？）2.涡轮增压中冷技术3.双涡轮增压技术4.涡轮增压+机械增压技术三、涡轮增压技术的实际应用1.萨博Saab的低涡轮增压技术从20世纪70年代末开始，萨博Saab的增压技术一直领先。Saab的动力分流技术和Trionic8发动机管理系统。Trionic8发动机管理系统在低转速时使涡轮增压器提前工作，同时提前打开节气门，以便增压器迅速进入运行状态。对来自加速踏板的信号进行独立编程处理。其2.0L低涡轮增压发动机，在转速5300r∕min时输出155kw的功率，几乎相当于3.0L自然吸气发动机。2.大众TSI涡轮增压技术TSI发动机通过电子系统根据不同转速对废气涡轮以及机械增压器介入工作时间进行控制，发挥这两种增压技术的各自优势，最终实现在宽转速范围的最大动力输出。具体来说，TSI的涡轮是根据以下逻辑进行动作的:1)在低转速时，由于废气涡轮的迟滞效应，大部分的增压压力都由机械增压器产生。发动机低转速响应性更好，废气涡轮增压器的起动更加平顺。2)当转速达到1500r/min时，两个增压器同时产生作用，总增压值达到250kPa。随着转速的提高，废气涡轮增压器使发动机获得更大的动力，而机械增压器由于摩擦的增大，增压效果逐渐降低。3)当转速超过35OOr/min时，发动机管理系统控制电磁离合器分离，使得机械增压器退出工作，减少摩擦损耗。此时，废气涡轮增压器完全提供发动机的增压压力。以国外销售的大众1.4TSI发动机为例(国产1.4TSI发动机取消了机械增压)，最大功率在6000r/min时达到125kW，最大转矩在175O-4500r/min的范围内达到240N・m，相当于一台2.3L自然吸气发动机的动力输出。在燃油消耗上，则比2.3L自然吸气发动机降低20%。第二节新奥迪A42.0TFSI废气涡轮增压技术一、新奥迪A42.0TFSI废气涡轮增压技术新奥迪A42.0TFSI采用的是旁通阀式废气涡轮增压器，在这种新型发动机上，汽油直喷技术与废气涡轮增压技术相结合，因而发动机体积很小，但动力性极佳。为了满足涡轮增压器提出的更加苛刻的条件，其缸体依然采用铸铁材质，这样能承受更高的缸内燃烧温度；水冷系统能更好的解决涡轮增压器的冷却问题，延长增压器的正常使用寿命；涡轮增压器与排气歧管制成一体，体积更紧凑。转子的工作转速高达每分钟数万转至二十多万转，需要有单独的润滑油供应管路，并为浮动轴承提供油膜支撑。涡轮增压器的润滑：首页返回章返回节首页返回章返回节为节省空间，开发了集成排气歧管和涡轮增压器壳体的模块。其优点是方便维修，可方便地拆装排气管及三元催化转化器。排气歧管的结构与点火顺序相关，根据各缸的点火顺序，相应缸的废气到达排气管道的分离筋处，分离筋可使得废气的气流均匀地作用到涡轮上。分离筋还可阻止废气压力膨胀后进入其他气缸内。这样就可保持所需要的涡轮转速，并可优化涡轮增压器的响应特性。在发动机超速运行状态时，如果节气门关闭了，由于存在着增压压力，会在压缩室内产生一个背压。这个背压会显著降低压缩机转子的转速，导致增压压力下降。为了避免出现这种情况，发动机控制单元使涡轮增压器循环空气阀N249工作，该阀打开一个旁通通道，从而将压缩空气经压缩机转子再引回到压缩机循环的进气一侧，这样就可保持所需要的涡轮转速。当节气门打开时，涡轮增压器循环空气阀N249关闭，又会立即形成增压压力。N249废气旁通控制装有废气旁同阀的增压系统主要是为解决废气涡轮增压汽车柴油机的低速扭矩特性变差的问题，同时又要兼顾低速响应和高速功率之间的矛盾。旁通阀的开启或关闭由ECU根据增压压力和其他有关信息进行控制。首页返回章返回节系统工作原理

Ende尾气叶轮进气叶轮通三元催化转换器新鲜空气旁通阀来自电磁阀N75的高压空气电磁阀N75的高压空气通燃烧室燃烧室尾气首页返回章返回节首页返回章返回节增压压力限制电磁阀N75首页返回章返回节辅助水泵V51辅助水泵V51在发动机热机关闭后还可工作15min，这样冷却液就可再循环一段时间。该泵将温度较低的冷却液逆着其流动方向传送。于是辅助水泵吸入的冷却液就从散热器经涡轮增压器流到发动机缸体，然后再流回散热器，从而消除停滞的热量。该泵运行时间的长短取决于冷却液温度和机油温度。第三节宝马N54发动机双涡轮增压技术一、宝马N54发动机双涡轮增压技术宝马N54发动机增压器最高转速可达200000r∕min，废气入口温度高达1050℃。因此N54发动机的增压器不仅与发动机润滑系统相连，而且还集成在发动机的冷却循环回路内。N54发动机还装有电动冷却液泵，可在发动机熄火后排出增压器内的余热，防止轴承过热和润滑油结焦。1、二、宝马N54发动机双涡轮增压系统的结构与原理2、3、4、5、三、宝马N54发动机的进气系统三、宝马N54发动机的进气系统四、宝马N54发动机的冷却系统五、宝马N54发动机的燃油系统1、2、系统组成3、4、5、维修注意事项(汽服、交通)6、火花塞（汽服、交通）采用带废气旁通阀的涡轮增压器后，虽可采用蜗壳面积比较小的涡轮增压器，但其工作范围相应也变窄了，要同时兼顾低速喘振线和高速阻塞线比较困难，因此不能把涡轮最佳转速定得太低。故它对车用增压柴油机低速性能的改善也是有限的。首页返回章返回节第四节涡轮通流面积控制此外，高速时的放气使废气利用率降低，造成全负荷时燃油耗率增加，影响高工况下的经济性。所以，尽管带废气旁通阀的涡轮增压系统是解决废气涡轮增压柴油机低速转矩和瞬态响应性能差的最简单和成本最低的方案之一，但在大排量重型车用增压柴油机上应用较少。为克服带废气旁通阀的涡轮增压系统的缺点，可采取改变涡轮通流面积的措施，即在低工况时缩小涡轮通流面积，而在高工况时增大涡轮通流面积。这样，就可在不损害高工况经济性的前提下，扩大低燃油耗率的运行区，增大低速转矩，提高加速性能，降低排放(特别是降低柴油机的烟度)和噪声。首页返回章返回节l.可变涡轮进口面积改变涡轮通流面积的方法有很多，其中之一是改变涡轮的进口面积。如在蜗壳中插入一块可移动的板以改变废气的通流面积，或将蜗壳中废气通道分成几个以改变废气的通流面积等。首页返回章返回节2.可变涡轮喷嘴截面在废气涡轮增压汽车柴油机中，比较成熟的改变涡轮通流面积的方法是采用可变涡轮喷嘴截面，即随发动机负荷和转速的变化，用改变涡轮喷嘴角度的方法来改变喷嘴有效截面积和叶轮进气角。柴油机低工况时，喷嘴有效截面积缩小，改善涡轮对废气能量的利用；柴油机高工况时，由于喷嘴有效截面积增大，可不让涡轮超速或增压压力过高。首页返回章返回节在有叶径流式涡轮增压器中，可以采用转动喷嘴叶片的方法来改变喷嘴有效截面积和叶轮进气角。在无叶径流式涡轮增压器中，则可以采用在喷嘴出口处用滑动挡板来调节喷嘴出口面积。首页返回章返回节可调整叶片式涡轮增压器调整圈导销销支撑圈叶片控制杆导向销控制杆首页返回章返回节可调叶片式涡轮增压器调整原理首页返回章返回节第五节废气涡轮增压辅助电子控制采用涡轮增压技术后，由于平均有效压力增加，发动机爆震倾向增大，热负荷偏高。为了保证发动机在不同转速及工况下都得到最佳增压值，防止发动机爆震和限制热负荷，对涡轮增压系统增压压力必须进行控制。目前对增压压力的控制方案很多，但总的说来，多是采用放气的方法，即调节进入动力涡轮室的废气。首页返回章返回节实践证明，这种方法比较简单有效。当需要增加进气压力时，排气歧管排出的废气进入涡轮增压器，经动力涡轮排出；随着节气门开度增加和发动机转速的升高，动力涡轮的转速就会加快，与动力涡轮同轴的增压涡轮的转速也同样加快，致使进气增压压力增大。如果放气阀门打开，通过动力涡轮的废气数量和气压就会减小，动力涡轮转速降低，增压涡轮的进气增压压力就会减小。首页返回章返回节由此可见，通过控制放气阀门，改变废气通路走向，使废气进入动力涡轮室或者旁路排出，就可以实现增压压力的控制。通常，放气阀门由膜片式放气控制阀控制，而放气控制阀则由ECU通过增压电磁阀进行控制。首页返回章返回节在实际控制中，为了获得较好的控制效果，基本上都是采用调节点火正时和调节增压压力相结合的办法。因为单一地通过降低增压压力的办法，会引起发动机运行性能降低；另外由于采用涡轮增压后，发动机排气温度较高，也不适宜单独采用调节点火正时的办法来控制爆震，否则由于温度的增高，对高温排气驱动的涡轮有不利影响。首页返回章返回节因此，两种方法并用，是它们的首选模式。实用中，常是当ECU根据传感器输入的信号，鉴别出爆震时，即刻使点火提前角推迟，推迟点火提前角是最快的措施。同时又平行地降低增压压力。在这两方面调节生效(爆震消失)时，再将增压压力慢慢降低，通过点火正时调节装置，又将点火提前角调节至最佳值，以便可能