车用发动机增压的问题

8.3　车用发动机增压的问题

8.3.1　车用发动机增压的一般问题

1.使用工况对增压器的要求

(1)使用工况。车用机的使用工况与固定式不同。固定式发动机的增压匹配点选在额定工况，即在额定转速下提高平均有效压力。选择增压器时，只要求压气机在该点提供足够质量流量的空气，工作点放在喘振线右一定距离的高效区。车用机增压不在于高转速时有尽量大的动力输出，而在于低转速时产生更大的扭矩或提供更大的牵引力，以利于大负荷下迅速起步，并提高爬坡能力。

发动机的动力性指标有两个:一个是速度系数，为最高转速与最大扭矩时的转速之比;一个扭矩储备系数，为最大扭矩与最高转速下的扭矩之比。两者的乘积为适应性系数，其值越大性能越好。一般适应性系数为1.5～3.0，车用发动机的适应性系数为1.83左右。即:车用机的匹配点应在60%的额定转速处，此时发动机的扭矩和平均有效压力最大，增压器的效率最高。

(2)对车用增压的要求。与车用发动机相匹配的涡轮增压器应满足以下要求:

①尽量小的转动惯量。车用机变工况多，起动性、加速性必须良好，因而增压器转子的转动惯量必须很小，即转子尺寸和质量必须尽可能小。

②最佳涡轮速比。要尽可能地低转动惯量，汽车发动机室的空间很小，增压器的尺寸不允许很大，车用增压器的结构尺寸一般很小。涡轮机的效率与其速度比(即涡轮叶轮外缘的轮周速度与喷嘴环的出口速度之比)有密切关系。速比最佳时，涡轮效率最高。变工况时，由于转速和进口废气状态均发生变化，速比也发生变化，使涡轮效率下降。为了确保最佳的速比，在叶轮尺寸小的情况下，只有提高涡轮机的转速。一般中等吨位车用机的增压器转速在每分钟十几万转，轿车的则可达25万转以上。

③宽广的压气机高效区。发动机的流量变化范围较宽，尤其是车用机，而压气机的效率和压比随工况变化会明显下降，高效区很窄。解决这一矛盾的最佳方案之一，就是采用后弯式叶轮、拓宽压气机的高效区。

④较强的变工况适应性。车用发动机工况变化时，流量发生变化，涡轮喷嘴环出口的气流速度也发生了变化，导致叶轮入口相对速度的方向和大小均发生变化，但入口的几何角不变。气流入口角偏离了设计工况而产生撞击损失，影响涡轮效率，进而影响压气机出口压力。这种现象在有叶喷嘴涡轮机上反应十分敏感，而无叶喷嘴却比较迟钝。故车用增压器多采用无叶轮喷嘴涡轮，它对变工况的适应性较强。

另外为了满足车用发动机低转速下大扭矩和越来越严的排放指标要求，近年来还采用变截面增压器。

(3)车用增压发动机的道路特性。车用机采用增压技术后，其优越性必然反映在汽车的道路试验上。以下是解放CA10B的试验情况:

①实载运行的经济性。增压车可比非增压车节油(约7%);车速也可比非增压车提高;油耗也可以下降(每百公里下降约13%)。

②最大车速与平均车速。增压车的最大车速可比非增压车增加16%以上;在同样运载条件下，平均车速可增加14%左右。

③爬坡能力。同样坡度的爬坡时间，增压车比非增压车减少35%。

④加速性。通过起步、连续换挡加速性能试验，加速距离增压车比非增压车缩短24%～32%。

⑤最低稳定转速。最低车速增压与非增压基本接近。

(4)增压对发动机排放及噪声的影响

①对汽油机的影响。汽油机的排放污染物种，主要由HC、NO _x、CO及微量醛、酚、有机酸、铅、磷等。其中65%～88%来自排气，20%来自曲轴箱通风，5%～10%来自化油器中的汽油蒸发和泄露，5%来自汽油箱通风。

汽油机增压后，对排放和噪声的影响主要表现在以下几个方面:

可燃混合物经压缩后，温度升高，各工作特性点的温度均上升;同时，燃料雾化、蒸发、与空气的混合物得到改善。当过量空气系数大于1时，火焰前锋富氧，火焰温度升高，导致氮的氧化物含量增多。

但如增压后压缩比有所降低的话，则燃烧最高温度下降，氮的氧化物反而比非增压时减少。

由于增压后缸内温度升高，且燃烧室内紊流加强，减少了壁面激冷层中HC的含量。

排气温度升高，使未然HC的氧化反应在排气管及涡轮中继续进行，使HC的排放量减少。

CO含量主要受过量空气系数的影响。增压后，过量空气系数的最佳值与非增压时基本相同，故CO的排放量与非增压时大体相同。

汽油机设了增压系统后，相当于加设了一个消声器，对降低排气噪声有明显作用。

从另外一个角度看，汽油机采用机内净化措施必然要消耗功率，增压则补偿了这个损失。

因此，带净化装置的增压汽油机的排放量比不带净化装置的非增压汽油的要少的多。

②对柴油机的影响。一般柴油机的废气成分中，含有CO、氮的氧化物、二氧化硫及少许碳的颗粒。柴油机增压后对排放及噪声的影响主要在以下几个方面:

CO是柴油不完全燃烧的产物，在燃烧早期，CO在油束稀薄火焰外区域与油束稀薄火焰区之间的边界上生成。另外，在油束芯部和燃烧室壁面附近，因氧气的浓度低，CO生成的速率也很高。柴油机增压后，过量空气系数增大，燃料的雾化和混合均得到改善，CO消除反应加快，排放中CO的含量减少。不过，柴油机排放的CO本来就少。

氮的氧化物的生成取决于燃烧过程中各成分的浓度、温度和反应时间。其中，NO含量占90%以上，NO的生成率随温度的升高而迅速上升。柴油机增压后，缸内温度升高，加速了NO的生成。

当温度一定时，燃料越浓，NO的浓度越低。增压后，由于过量空气系数增大，燃料浓度下降，NO的浓度升高。

NO生成较燃烧反应慢，增压后，缸内温度升高，燃烧反应加快，NO生成相对较慢，因此NO的生成率增加缓慢。

综合以上三个因素，柴油机增压后，氮的氧化物的生成率加速，排放物中氮的氧化物的含量增加。

HC主要由原始燃料分子、分解的燃料分子及再化合的中间化合物组成。燃空比的增加会使喷油延续时间加长，尤其在喷油定时和喷油速率不变时，有更多的燃料延迟喷入气缸，燃空比的增加会造成氧气浓度降低，这两个因素降低了HC的消除反应。柴油机增压后，由于较非增压时富氧，缸内温度较高，燃烧反应加快，因而HC的消除反应增强，排放中的HC含量减少。

增压柴油机在低速低负荷时，由于涡轮进口焓值较小，增压机转速较低，压气机出口压力较小，在喷油泵没有负校正装置的情况下，造成低速富油，HC反应消除较慢，排放中的HC含量可能上升;但在中高速时，由于富氧，HC有所下降。

碳粒是由不完全燃烧产生的。柴油机增压后，燃料雾化和混合得到改善，燃烧反应加快，碳粒明显减少。但在低速和自由加速时，烟度相对较大。

与汽油机一样，涡轮机的安装减轻了排气噪声。

8.3.2　车用柴油机增压的特殊问题

1.车用柴油机增压的热负荷

增压柴油机新气的温度是压气机出口温度的函数，一般比非增压机高得多，即使是低增压度，也高出60℃～80℃以上。由于压缩初温的升高，造成各工作循环各特性点的温度相应提高。同时，循环供油量增加后，转变为有用功的热量增加，损失的热量也随之增加。这表现在机油温度、冷却水温及排气温度显著提高。

对于柴油机和涡轮增压器均存在热负荷过大的问题，有关的零部件会因热负荷过大而加速损坏;随着增压度的提高，热应力问题也会更加突出。因此，如何解决热负荷过大的问题是一个极其重要的问题。

从我国材料的实际情况来看，不可能大量采用高耐热的材料和高含镍的材料来制造涡轮和车用增压器。因此，我国在推广车用发动机增压技术时，在降低热负荷方面有更大的难度。

(1)影响热负荷的主要因素

①在过量空气系数不变的情况下，热负荷随气缸中工作质量的增加而增加。汽缸中的工质包括充气量和循环供油量。随着发动机转速的提高，增压空气的密度相应增大，充气量增加;发动机负荷增大，循环供油量增大。也就是说当过量空气系数不变时，汽缸中工质量的增加表明发动机转速和负荷的增加，其热负荷上升。

②增加冷却扫气量可降低充气的温度，即减轻热负荷。为此，适当增大增压柴油机的进、排气门重叠角，增大进排气管压差，增大进、排气门的时间－截面等，都有利于降低热负荷。

③降低压缩空气温度不仅可以增大进气密度，而且可以降低工作循环各特征点的温度，减少热负荷。

④排气始温对排气温度有直接影响。增大压缩比，改善燃烧是降低排气始温的重要措施。

(2)降低热负荷的主要措施

①适当增大进排气门的重叠角。每增加重叠角10°曲轴转角，可降低排气温度5℃左右。但重叠角过大，又会发生活塞与气门相碰现象，所以不得不在结构上采取措施，而这又会影响系列机型的互换性。

②增大叠开期内进、排气管的压差。每增加压差0.01MPa，每循环一次每缸可增加扫气量0.02g。增大压差的主要途径是合理设计进、排气歧管。

合理设计进气管。适当加大进气管容积，增加进气压力平稳度，可以改善扫气过程，降低排放温度;合理设计排气管。合理设计排气管的形状和尺寸，可以有效降低增压系统的热负荷。

增大进、排气门的时间－截面的主要措施是:合理设计凸轮，使其在可能承受气门机构惯性力的条件下，尽可能使气门快启快闭;在缸盖上位置允许的情况下，力所能及地扩大进、排气门的面积;增大气门断臂长和推杆臂长之比可有效地增加气门升程，这比改变凸轮行线更为简便。

③增压中冷。压缩空气每降低1℃，最高燃烧温度和排气温度可降低2℃～3℃。因此，对增压空气进行中间冷却可以有效地降低排温，缓解热负荷。中冷使发动机进气密度进一步提高，在不增加热负荷的情况下可提高功率15%～12%，是车用柴油机扩大功率覆盖的有力措施。另外增压中冷还有利于降低排放中氮氧化物的含量。

增压中冷方式有:用水冷却空气;用外水源冷却空气;用大气冷却压缩空气;涡轮风扇冷却空气。不同的冷却方式的冷却效果不同，发动机省油的情况也不相同。油耗小的柴油机，其排气温度也低。

④强化冷却系统。为了降低热负荷，在冷却系统方面也要进行进一步强化调整。强化措施有以下两个方面:

改善机油冷却系工作条件。适当调整水泵容量，提高水泵转速，增大散热水箱面积，增大风扇直径，必要时适当提高冷却系统零件的机械强度和热强度。

改善机油冷却条件。适当增大机油容积，增大机油冷却器散热面积，改善曲轴箱通风条件。

⑤改善供油系统和燃烧系统。柴油机增压后，循环供油量增大，若供油及燃烧系统不做调整，热负荷必然增加。适当调整燃油系统，合理组织燃烧过程，对降低热负荷十分关键。在循环供油量增加后，如何在不变的时间内喷油、雾化、混合，使燃烧保持在最佳状态，是增压匹配的重要内容，也是改善热负荷的有力措施。

可以通过缩短供油时间、增加燃烧室中油气的混合、合理调整供油提前角等措施来实现。

缩短供油时间。适当加粗柱塞直径，增加喷孔数及喷孔直径，可以缩短供油时间，防止后燃。

增加燃烧室中的油气混合。由于增压后缸内的油和气增多，但混合时间不变，要按时燃烧完循环供油量，必需强化油、气混合。可通过适当缩小涡流燃烧室镶块的喷孔面积、适当提高喷油压力、采用适当的喷嘴安装深度来实现。

⑥合理调整供油提前角。供油提前角对排温十分敏感。减少供油提前角对降低爆发压力有利，但供油过晚产生后燃，使排温升高。增压机由于工质和燃烧室周壁温度较高，滞燃期较短，供油提前角应比非增压小。

(3)车用增压机的机械负荷。车用柴油机采用增压技术后，进气压力为压气机(含中冷器)的出口压力。随着进气压力的增高，最高燃烧压力也要增高。进气压力每增加0.1MPa，最高燃烧压力就增加0.868MPa。由于车用柴油机增压后最高燃烧压力剧增，柴油机的机械负荷也增大很多。

降低机械负荷的主要途径有:

①适当降低压缩比。从柴油机工作过程考虑，提高压缩比可以提高热效率;但从增压后的机械强度考虑，增大压缩比会使最高燃烧压力显著上升，压缩比每增加1，最高燃烧压力增加1.2MPa左右。适当降低压缩比对缓解负荷有显著作用。

②适当减小供油提前角。在排气温度不高、距设计指标还有一定富裕度的条件下，适当减小供油提前角，既不使热负荷过分严重，又缓解了柴油机的机械负荷。

③调整涡轮增压器。适当增大喷嘴环面积可使增压器转子转速减慢、压气机出口压力降低，柴油机最大爆发压力减小，机械负荷得到缓解。还可适当增大压气机及涡轮的涡壳来调整压比、流量效率范围，以优化匹配，满足增压的需要。

④优化供油系统。供油系统匹配合理对发动机的性能影响很大。经济性和燃烧粗暴性互相矛盾，降低热负荷和降低最高爆发压力顾此失彼，在优化供油系统时应特别注意。

为缩短供油时间可加大柱塞，但柱塞加大后，初期的喷油速率也较大，燃烧粗暴，所以要注意调整。

喷孔尺寸。喷孔总截面要足够大才能保证喷油量。在总截面积一定的情况下，喷孔数多，喷孔直径就小，燃料在空间的分布量增加，雾化质量改善，但油束的贯穿距离减小，喷孔容易堵塞。另外，还要注意油束在燃烧室的落点是否均布。

⑤采用特殊结构。可采用低温高增压系统(米勒系统)、补燃增压系统。可变压缩比增压系统等特殊结构使最高爆发压力降低，从而控制机械负荷。

(4)冒烟限制器。由于增压车用柴油机在低速运转时是富油，燃烧恶化，冒黑烟;在加速时，节气门突然开大，压气机由于惯性，供气滞后，也会出现冒烟。采用冒烟限制器后，可获得满意的扭矩特性，改善经济性和排气烟度。

8.3.3　车用汽油机增压的特殊问题

1.概述

汽油机的废气涡轮增压技术与柴油机基本相同，但因为这两种发动机的工作特性有明显差别，在具体措施方面也有很大不同，限制了涡轮增压在汽油机上的应用。

2.汽油机增压的主要困难

如果使用普通辛烷值的汽油，则使爆震趋势加大。

由于爆震趋势加大，而不得不使压缩比降低，这就使膨胀比降低，排气温度升高，加上不能加大排气来冷却受热条件，使热负荷增加。

汽油机的速度变化范围大，整个速度范围内的功率差别也大，涡轮增压机与汽油机的匹配比柴油机更为困难。

涡轮增压汽油机的增压器直接影响空气和燃油量，其瞬态效应比柴油机差。

发动机空间小，总体布置困难。

汽油机增压的主要问题是，爆震倾向加剧和热负荷特别大。汽油机增压需解决的主要问题可采取的措施是:

(1)消除爆燃和减小爆震的措施:

①采用辛烷值高的燃料，或降低压缩比。

②更紧凑的燃烧室设计，以减轻爆震趋势;提高燃烧室的机械负荷和热负荷。

③采用废气再循环，使爆震趋势减弱。

④采用爆震传感器，进行保真调节。

(2)减小热负荷的措施。采用中冷装置冷却混合气，以降低充气温度，使压缩比得以增加并使排温降低。