涡轮增压发动机结构分析

涡轮增压发动机结构分析

燃油涡轮增压系统的利用增加了发动机部分精发动机压力法是将空气压缩到气中，提高气密度，增加入口处的空气。发动机增压意味着向气缸提供的空气比单纯靠活塞自然吸入的空气更多,压力更高。当更多的空气被压入气缸时,就必须增加燃油量以保持14.7:1的空燃比,使发动机功率增大,适应高速、大功率要求,从而改善发动机的动力性。增压技术已经成为提高发动机功率、完善发动机性能的重要手段。在发动机中应用最普遍、最有效的增压技术是废气涡轮增压系统。该系统利用排气能量,通过控制废气流动路线,驱动泵轮旋转带动压气机旋转,增加进入发动机的空气量,增大进气压力,提高发动机的功率。通过涡轮增压系统对吸入的空气进行压缩,增大气体密度,从而增加每个进气冲程进入燃烧室的空气量,增加循环供油量,提高功率和扭矩,达到提高燃烧效率、提高整机使用经济性、动力性和排放控制的目的。与传统的自然吸气式发动机相比,涡轮增压发动机具有以下优点:更大的体积效率;改进的发动机功率和扭矩;油耗降低;排气减少;再利用废气能量;不受海拔影响;瞬间超增压以满足发动机的直接需求。废气涡轮增压系统按增压的结构形式不同,可以分为旁通阀式废气涡轮增压系统、带中冷器的废气涡轮增压系统和可调叶片式废气涡轮增压系统等3种。废气涡轮增压系统结构该系统的结构如图1所示。在排气管中装有排气涡轮,利用发动机的排气能量驱动旋转。在进气管中装有压气机,涡轮与泵轮同轴。在排气管泵轮的排气旁通通道上设置有切换阀,可以打开或关闭排气的旁通通道,从而使废气不流经或流经泵轮。切换阀受驱动气室的气室弹簧和气体压力的控制,当有气体压力时,克服弹簧力,切换阀关闭排气的旁通通道。当没有气体压力时,弹簧力使切换阀打开排气的旁通通道。驱动气室的气体来自废气涡轮增压器的出口,在废气涡轮增压器的出口到驱动气室之间的气体通路上安装有释压电磁阀,可以接通或切断气体通路。释压电磁阀的开启或关闭受控于电子控制单元(以下简称ECU)。工作原理当ECU检测到的进气压力在0.1兆帕以下时,受ECU控制的释压电磁阀的搭铁回路断开,释压电磁阀关闭,接通从废气涡轮增压器出口到驱动气室之间的气体通路,气体进入驱动气室,进气压力克服弹簧的作用力推动切换阀立起关闭排气的旁通通道,废气流经泵轮,驱动泵轮旋转,由于同轴,泵轮带动涡轮旋转,从而带动进气管内进入的新鲜空气,对进气增压,加大空气密度,提高进气量。当ECU检测到的进气压力高于0.1兆帕时,受ECU控制的释压电磁阀的控制电路接通,释压电磁阀打开,切断从废气涡轮增压器出口到驱动气室之间的气体通路,驱动气室没有气体压力,在弹簧力的作用力切换阀打开排气的旁通通道,废气不流经泵轮而直接从旁通通道排出,泵轮和涡轮都不旋转,增压器停止工作。当增压器停止工作时,进气压力将下降,直到进气压力降到规定的压力时,ECU又将释压电磁阀关闭,切换阀又将废气引入涡轮室,流经泵轮,增压器重新开始工作。实例以帕萨特B51.8T型轿车为例,其发动机的废气涡轮增压系统结构与工作原理如图2所示。当ECU检测到进气压力在0.1兆帕以下时,综合考虑进气温度、发动机转速和海拔高度等输入信号,控制增压压力电磁阀N75,将进气管进气涡轮增压器出口处与驱动气室之间的气体通路打开,克服驱动气室弹簧的压力推动旁通阀关闭废气的旁通通道,将废气进入涡轮室的通道打开,废气流经废气涡轮带动进气涡轮旋转,对进气增压。当ECU检测到进气压力高于0.1兆帕时,综合考虑进气温度、发动机转速和海拔高度等输入信号,控制增压压力电磁阀N75,将进气管进气涡轮增压器出口处与驱动气室之间的气体通路切断,在驱动气室弹簧力的作用下,旁通阀打开废气的旁通通道,废气不流经涡轮室直接排出,增压器停止工作。当压力下降到规定值时,ECU重新控制增压器开始工作。空气冷却系统结构带中冷器的废气涡轮增压系统,其结构只是在普通废气涡轮增压系统的基础上增加了中冷器(中冷器就是一个热交换器,它交换空气间的热量)。中冷器通常安装在涡轮增压器出口与进气歧管之间,其作用是冷却增压后的空气,增大空气密度,提高充气效率,节油,从而达到提高动力性和经济性的目的。工作原理带中冷器的废气涡轮增压系统,其工作原理与旁通式废气涡轮增压器相同,区别就在于增压后的空气多了冷却装置即中冷器。在废气涡轮增压系统的工作过程中,当空气被涡轮增压器增压时,它的温度也会随之升高。进气温度高,进气密度就小,充气效率就降低,从而降低了发动机的功率。所以将增压器出口的增压空气加以冷却,一方面可以提高充气密度,从而提高发动机功率;另一方面也可以降低发动机压缩始点的温度和整个工作循环的平均温度,从而降低了发动机的热负荷和排气温度。实践证明,在增压比为1.5~2时,采用增压空气冷却的增压发动机的进气量比不采用增压空气冷却的增压发动机的进气量提高10%~18%。冷却增压空气的方法,一般是利用水或空气在中间冷却器中进行间接冷却,即采用中冷器对增压空气进行冷却。采用独立水冷却系统结构复杂,在汽车上布置困难,一般不太常用。而采用空气冷却的方案简单易行,比较可取,在很多车型上都已经使用。实例以宝来A41.8T型轿车带中冷器的涡轮增压系统为例。1.增压压力调整(如图3)。ECU通过控制N75的通电脉冲,从而控制通空气高压端与通压力调节单元端之间的气体流量,控制旁通阀的打开程度,达到根据发动机的转速和负荷来控制增压压力的目的。当ECU接收到进气压力、进气温度、发动机转速和节气门开度等信号时,切断增压压力电磁阀N75的电路,接通从废气涡轮增压器出口到旁通阀的通路,旁通阀关闭排气的旁通通路。ECU通过控制N75的占空比,控制旁通阀的开启程度,从而控制废气流经泵轮的流量,达到调整进气增压压力的目的。增压后的空气经过中冷器时进行冷却进入气缸,增大了空气密度,提高了充气效率。2.超速切断工况(如图4)。当发动机转速过高,可能引起发动机损坏时,ECU执行发动机超速断油和增压器超速切断控制。发动机运行时,ECU将发动机的实际转速与储存的最高转速进行比较,当转速超过设定转速时,ECU接通增压压力电磁阀的电路,旁通阀打开排气的旁通通路,废气不流经泵轮,涡轮增压器停止工作。同时ECU接通增压空气再循环阀N249的电路,使增压空气在进气管与空气再循环机械阀控制的内部通路中再次循环,以此降低进气压力,降低发动机转速,避免发动机超速损坏。此时,中冷器依然工作,但是经过的不再是高压空气。可调叶片式废气涡轮增压系统结构可调叶片式废气涡轮增压系统从结构上看,配有旋转电子执行器(REA),改变可调叶片的几何尺寸,以满足发动机不同负荷与转速下的增压要求。涡轮增压器安装在发动机的排气歧管上,使用支架固定在气缸体上。隔热板安装在涡轮增压器和排气歧管上部以保护其它部件,并防止与热排气部件意外接触。可调叶片式涡轮增压器主要由旋转式电子执行器旋转式调整环、可变角度叶片、排气转子、进气转子、壳体和相应的传感器等组成。排气转子和进气转子同轴安装,封闭在铸造壳体内。通用轴由2个半浮式轴承支持。铸造壳体构成2个室,紧紧围住排气转子和进气转子。排气转子位于发动机的废气流和排气系统之间。进气转子位于空气滤清器和增压空气冷却器出口之间的进气流中。旋转式电子执行器被安装在壳体上,与涡轮壳体内部的旋转调整环连接,可以控制旋转调整环的旋转角度。旋转调整环旋转带动内部圆周安装的辐射状的可变角度叶片。改变可变叶片角度的目的是改变流经排气转子的废气流能量,适应发动机不同工况下的增压要求。工作原理ECM根据发动机的各传感器的输入信号控制REA执行器的位置,带动旋转调整环旋转,改变可调叶片的角度,从而改变经过排气转子的废气流能量,确保涡轮增压器可以为当前发动机操作条件下生成所需的进气压力增压水平。为响应各种传感器的信号,ECM控制REA以便操作旋转式调整环。移动旋转式调整环会改变可变角度叶片的旋转角度,将废气流偏转到排气转子的内侧中央或外部边缘。1.当发动机转速低时,发动机排出的废气量较少。ECM控制REA,REA控制旋转调整环使叶片向前移动到关小位置,将废气流集中引导到排气转子的外侧。此时的叶片封闭位置使废气流通路的截面积减小,流速增加,从而使排气转子转速增加,带动进气转子高速旋转,进而在进气系统中产生更多的增压空气(如图5-A)。2.当发动机转速增加时,发动机的废气流量增加。ECM控制REA,REA控制旋转调整环使叶片移动到打开位置,逐渐向排气转子的中央引导废气流。此时的