车用发动机增压技术是利用某种形式的能量驱动压气机,将进气进行压缩,提高进气压力(密度),由此增加气缸单位体积进气量的一项措施。根据驱动压气机方式的不同,发动机增压可分为机械增压、气波增压和废气涡轮增压3种方式。废气涡轮增压由于利用了废气能量,故发动机经济性比机械增压和非增压发动机都好,并可大幅度地降低有害气体的排放和噪声水平,在车用发动机上得到了广泛应用。
一、废气涡轮增压的调节
1.废气涡轮增压存在的问题
车用发动机是动力机械装置,要求低速时输出高转矩。对废气涡轮增压,由于涡轮机是流体机械,其增压能力取决于增压器的转速。增压器的转速是由发动机排出的废气所具有的能量在涡轮机上推动叶轮旋转而转换的。发动机低速时,排气流量低而能量不足,涡轮转速低致使压气机的增压效果不明显,发动机转矩增加不多,与动力机械要求的发动机转矩特性互相矛盾。发动机对负荷与转速的迅速响应,对车辆行驶的安全性与经济性十分重要。在发动机工况改变时,涡轮增压器自身的惯性使其瞬态响应特性较差,从排气能量的变化到进气压力的建立需要一定的时间,不仅影响了发动机对突变负荷的加速响应特性,而且由于过渡过程拖长致使加速时排放性能和经济性能变差。因此,有必要采取措施对废气涡轮增压进行调节,以改善车用涡轮增压发动机的转矩特性。
2.废气涡轮增压调节的原理
废气涡轮增压调节的原理如图1所示,涡轮截面保持不变时,随着相对质量流量率的减少(即发动机转速的下降),膨胀比是逐渐下降的(从点1至点2)。但如果随相对质量率减小,即随发动机转速下降,不断减小涡轮当量流通截面(ATeq)的值(从点1至点引,是可以实现πT和,7T,保持不变(πT为涡轮膨胀比,πc为压气机压比),因此,只要采用可变截面涡轮就可达到调节的目的。涡轮调节包括可变截面涡轮和旁通放气2种。后者实质上也是可变截面涡轮,当发动机自某一转速上升而旁通放气时,相当于加大了涡轮的流通截面。
二、废气涡轮增压调节的方法
废气涡轮增压的调节中应用最多的是涡轮的调节,这种方法调节最为有效。涡轮调节除了涡轮前旁通放气外,就是流通截面的调节,即通常所说的可变截面涡轮。涡轮流通部分可起调节作用的,拥有3处截面,即舌尖处截面、涡轮出口环形截面和叶轮出口截面,如图2所示。其中,叶轮出口截面的调节因实现起来比较复杂,且易造成较大损失,调节效果也不如前两者,故一般不予考虑。
1.涡轮出口截面的调节
涡轮出口截面的调节如图3所示,其中最有效的是可调喷嘴的方案。喷嘴出口喉口面积的改变,直接影响到喷嘴出口气流速度,从而有效改变增压器转子转速,达到调节的目的,但此种结构比较复杂,制造精度高,难以保证在高温下长期工作的可靠性。近年来,由于各国竞相研制,可调喷嘴方案在结构上取得了重大突破,不但在大型增压器上,甚至在小型增压器上已有产品出来。
2.舌尖处截面的调节
舌尖处截面的调节均是针对无叶涡轮箱而言,如图4所示有4种不同方案。
方案一:借在垂直平面或水平平面转动的碟阀或旋阀来切断或开启某一通道。
方案二:可移动的舌尖,方式可以是滑动、摆动或转动。
方案三:可移动的侧壁。
方案四:可移动的外壁。
经过试验比较可知,方案四最高效率低,且结构比较复杂;方案三的试验效果尚可,但其可移动侧壁的惯性较大;方案一、二试验效果均较好,但均有一个不对称进气,从而增加涡轮叶片震动应力的问题。方案二中的转动舌尖型式由于其结构简单,故近来受到了广泛关注。