安徽蚌埠汽车管理学院内燃机教研室 朱会田 彭生辉 戴启清
(蚌埠 233011)
关键词 汽油机 废气涡轮增压 障碍 对策
Impediment and Countermeasure on the Exhast2G as
Turbocharge for E ngines
Autom obile Management C ollege of the P LA Zhu H uitian Peng Shenghui Dai Q iqing
(Bengbu 233011)
Abstract By sim ply introducing the characteristics of the exhaust2gas turbocharging for gas oline engine,the paper analysises im pediment on the turbocharging for engine exhaust2gas in detail,such as
deflagrate,burthen of heat, difficult to engine matching and countermeasure to res olve the im pediment on the exhaust2gas turbocharge for en2 gine.
K ey w ords G as oline engine Turbocharging Im pediment C ountermeasure
1 前言
废气涡轮增压技术和废气涡轮增压器在柴油车上已得到大量的使用，这是柴油车发展的一种必然趋势。但是车用汽油机废气涡轮增压技术存在不少问题和障碍，这些问题和障碍限制了废气涡轮增压技术在车用汽油机上的应用和发展。
1.1 车用汽油机采用废气涡轮增压的特点
汽油机增压后动力性能得到较大的提高，对高原地区工作的适应性、C O和HC的排放、噪音等性能均能得到不同程度的改善。与柴油机采用废气涡轮增压相比，汽油机采用废气涡轮增压的特点是:
1.1.1 发火机理不同
柴油机为压缩自燃发火，在压缩过程中被压缩的是纯空气，压缩终点不会发生爆燃；汽油机在压缩过程中被压缩的是油气混合物，压缩终了温度过高就会产生爆燃，这给汽油提高增压比π
k带来了严格的限制。
1.1.2 混合气形成方式不同
柴油机混合气形成是通过剧烈的空气搅动和高喷射率的喷油泵在压缩上止点附近很短的时间内完成的，且边喷油、边混合、边燃烧；汽油机混合气的形成是依靠化油器喉管所造成的真空吸力和汽油的蒸发、扩散、雾化作用混合(化油器式燃油供给系统)或电磁式喷油器在进气过程喷油并与空气在整个进气过程中混合完成(汽油喷射式燃油供给系统)的。
1.1.3 压缩比ε和过量空气系数α范围不同
汽油机压缩比ε<10，过量空气系数α=0185～1115，如果ε及α超出这些范围，汽油机的工作会不正常，如起动困难、怠速不稳、中速经济性差、加速不良等。在汽油机增压后的变工况情况下，要控制ε和α范围就必须精心地调整燃油供给系统的供油特性曲线，进行增压器与汽油机的良好匹配。
1.1.4 扫气不同
进入汽油机气缸的是油气混合物，不能象柴油机那样可以通过增大气门叠开角δ
m
(δm=α+β,α—进气提前角;β—排气延迟角)来尽可能地扫除气缸内残余的废气。因而汽油机不能组织合理的扫气，与柴油机相比会使缸内废气量增加，同时也不利于高温机件(如活塞顶部、气门、气缸)热负荷的降低。
1.1.5 发动机转速范围不同
汽油机转速范围较宽，一般为800～6000r/min；而柴油机的转速范围在为800～4000r/min之间，给增压器性能及增压器与汽油机的匹配带来了新的要求。
2 汽油机增压主要障碍
汽车涡轮增压器综上所述，汽油机采用增压技术与柴油机相比存在一些障碍，表现为:
2.1 汽油机增压易发生爆燃
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小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 N o14(V ol131)2002
增压使压缩终了混合气的温度、压力趋于升高，致使爆燃的倾向增大。汽油机由于受爆燃限制，压缩比
ε较低，因而造成膨胀不充分，致使排气温度较高，热效率下降。
2.2 汽油机增压热负荷大
汽油机混合气的浓度范围窄(过量空气系数α= 0185～111)，燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大；同时，汽油机又不能通过提高气门重叠角δ
m加大扫气来冷却受热零件(如气门、燃烧室等)，造成汽油机在增压后的热负荷偏高。汽油机增压后热负荷大又促使爆燃倾向的发生。
2.3 汽油机与增压器匹配困难
与柴油机相比，汽油机的转速范围宽，从低速到高速混合气质量流量变化大。当节气门突然开大时，增压器响应滞后造成动力响应的滞后；汽油机增压后发动机排气温度高，易造成增压器损坏，并出现低速时增压压力不足，高速时增压压力过高及寿命降低的情况。3 汽油机涡轮增压的对策
3.1 汽油机增压爆燃的解决措施
要解决汽油机增压存在的障碍，首先要在不能影响汽油机的其它性能的条件下防止爆燃和控制增压压
力。引起汽油机爆燃的原因是由于压缩终了温度T
a 过高，末端混合气受已燃混合气的加热和辐射，自身温度、压力升高，在火焰前锋未到达前达到自身燃点而发
生自燃现象。因而一切能够降低压缩终了温度T
a的方法均可以达到限制爆燃的目的。其具体措施有:
3.1.1 降低压缩比ε
降低压缩比ε可以降低压缩终了混合气的温度T a，控制爆燃的发生，这是增压后解决爆燃的常用方法。实验证明：自然吸气发动机原机压缩比为910，将压缩比减小到617，就可以不做其他调整而有效地控制爆燃。
但是，降低压缩比ε会使膨胀功减少，废气余量增加，排气温度相对升高，热效率下降的问题可以通过废气的能量在涡轮中得到回收利用来补充。对于增压汽油机适当降低压缩比ε，并利用爆燃传感器来监测发动机的爆燃情况，由EC U适时地根据爆燃强度推迟点
火定时，可以使燃烧最高压力P
max相对降低，使发动机的机械负荷不致过高。
3.1.2 增压中冷
增压后增压器出口温度(进入气缸的进气温度) T k与自然吸式进气温度(接近大气温度)相比要高很多。增压中冷就是在增压器出口与进气管之间加装中间冷却器，对进入气缸的空气进行冷却。通过增压中冷可以有效地降低压气机后气体的温度，提高气体密度，增加混合气的浓度。
通过增压后进行中冷，若使进气温度冷却至60℃，即使压缩比ε为811，发动机仍然不会发生爆燃；同时，根据发动机平均有效压力P
e的计算公式:
P
e
=K
P k
T k
・
η
v
α
η
i・
η
m
(kPa)
式中:K—常数；大小取决于燃料低热值H
n、气体通用常数R、理论空气量L。
P k—压气机出口压力
T k—压气机出口温度
η
v
—充气系数
η
i
—指示热效率
η
m
—机械效率
可以看出：采用增压中冷降低T
k
，可以提高P e。
由公式:N
e
=
P e・V h・n・i
30・τ
(kW)
(式中:V h—气缸工作容积
n—发动机转速
i—气缸数目
τ—每循环行程数,4行程机:τ=4;2行程
机:τ=2)
可以看出：提高P
e
可以有效地提高发动机的有
效功率N
e
。
因此，采用增压中冷可以通过采用最佳供油定时,
提高发动机的有效功率，减少尾气中的NOx排放，冷
却高温机件，并可以延长零部件的使用寿命。目前采
用的中冷系统有以下几种:
(1)用发动机冷却水冷却的水冷却器系统;
(2)与发动机冷却水分开的水循环冷却系统，使汽油机在高速高负荷工况下能得到较好的经济性和功率输出，并降低其热负荷;
(3)冷却器和散热器共用同一个风扇的空2空中冷系统;
(4)由自由涡轮带动风扇冷却器的分隔式空2空中冷系统。
上述4种冷却方案中，第1种方案最简单，但效率
也低；第2种方案最先进；方案4的最大优点是中冷器
布置的灵活性，特别是对于原机改进增压设计比较方
便。
3.1.3 其他措施
如改善燃烧室结构，缩短火焰行程的距离，使火焰
前锋到达末端混合气的时间变短；燃用高辛烷值的汽
油，提高发动机抗爆性；减小点火提前角θ；采用双火
花塞提高点火能量等，这些措施均可以在一定程度上
降低汽油机增压后发生爆燃的可能性。
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2002年(第31卷)第4期 车用汽油机废气涡轮增压存在障碍及对策
目前，有效的措施是采用爆燃传感器反馈控制的
电子控制汽油喷射系统来自动控制发动机的点火正时，实现点火正时的最优化，有效地防止爆燃。
3.2 汽油机增压热负荷高的对策
汽油机增压后温度要比自然吸式的高出几十度甚至上百度，这就使得发动机热负荷增加，使爆燃倾向增
加；使进气密度下降，每循环进气量减少，造成发动机功率下降；同时，增压热负荷高，要求提高增压器涡轮材料性能，即具有耐高温性，并且热膨胀系数要小。
现在解决热负荷高的办法有:
(1)涡轮转子和压气机采用耐热材料。涡轮转子的陶瓷化材料具有良好的高温强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数和低密度(约等于钢铁的1/2)等特点，可以有效地提高热效率，降低能耗。目前，应用陶瓷材料代替Ni基耐热合金制造涡轮增压器的转子，利用碳纤维强化树脂PK U制造压气机叶纶，以代替以往使用的铝合金材料，它具有良好的耐蠕变性、耐腐蚀性、耐磨损性和热伸缩性小(-65～105℃之间无伸缩)等特点，适合于压气机叶轮的使用环境，并且取得了良好的效果。
(2)安装中冷装置可以降低压气机出口温度，并可减少NOx排放。
(3)采用汽油直接喷射(缸内喷射)技术(如三菱公司生产的G DI发动机)可以提高气门叠开角δ
m
，利用新鲜气体对高温机件进行吹洗冷却，降低发动机的热负荷。
汽油机爆燃和热负荷问题彼此之间相互联系，又相互影响，最常用最可靠的措施是安装中冷器。安装
中冷器，既可以降低涡轮增压器出口温度T
k
，使压缩
终了温度T
a降低，降低爆燃倾向；还可以降低发动机
的热负荷，提高增压器使用寿命；同时,T
a的降低，有利于降低燃烧最高温度，减少NOx的排放。
3.3 汽油机与增压器匹配的对策
汽油机与增压器要良好匹配需要解决几个问题: 3.3.1 需要对增压压力进行控制
车用汽油机工作转速范围较宽，发动机进气质量流量的变化范围也较宽，这就要求增压器具有较宽广的流量范围，以适应车用汽油机的要求。车用汽油机增压要求在部分负荷和部分转速工况下具有良好的扭矩特性及动态响应特性，要求汽油机在匹配涡轮增压器时其基本匹配点必须选择在部分工况，然而这会
导致额定工况时增压压力过高。因此，要使车用汽油机在涡轮增压后能在常用转速范围内保持一定的扭矩储备，避免低效率压缩而导致进气温度过高，而且又能在额定增压压力下温度不致于过高而引起爆燃，因此需要对增压压力进行控制。
对增压压力进行控制可以采用:
(1)采用进气减压阀和排气放气阀，这种方法可以使发动机的全部工况几乎处在增压器压气机的高效率区内。
(2)采用变截面的涡轮，改变涡轮进口废气压力来改变增压器的转速，实现对增压压力的控制。
(3)排气管喷水，在发动机处于高负荷时，向排气管喷入适量的水，通过冷却水的汽化吸热来降低排气温度，使增压器转速降低，降低增压压力。
(4)采用双涡轮增压器。
3.3.2 涡轮增压器响应滞后的对策
涡轮增压汽油机在响应滞后方面比柴油机更突出，原因是:
(1)汽油机质量较轻、体积较小，较轻的飞轮使汽油机速度比柴油机响应更灵敏，而涡轮增压器质量大、惯性大，这增加了汽油机混合气供给的延迟，造成了涡轮增压器响应的滞后，称为“惯性滞后”。
(2)汽油机从节气门关闭的低怠速到节气门全开时的全速，其进气质量流量范围非常宽广。节气门突然打开时，空气流量应能迅速地增加，涡轮增压器不能立即提高转速以提供足够压力容积(足够质量)的混合气充满进气管，造成“热滞后”。
“消除”涡轮增压器响应滞后的措施应对涡轮增压器的惯性、点火正时、增压压力控制系统，进排气系统的长度和直径以及节气门位置进行良好匹配。如节气门置于压气机之前的响应能力与置于其后相比，可以防止当车辆突然换档发动机被拖动时压气机发生喘振；选择较小的涡轮进口截面，减少节气门和进气门管道之间的容积，即减少进气系统容积，可以改善增压器的响应。
4 结束语:
结合电子控制技术和电子控制汽油喷射技术，采用新型材料的小型陶瓷转子涡轮，合理匹配汽油机与增压器，使汽油机增压技术已得到了飞速发展，并在一些国产轿车如帕萨特118T、奥迪A6118T等轿车上得到良好的匹配和运用，动力性得到很大的提高，涡轮增压汽油机已成为汽油机发展的趋势。
参考文献
1 蒋德明.内燃机的涡轮增压.机械工业出版社,1986
2 杨世友、顾宏中.柴油机涡轮增压系统研究现状与进展.
柴油机,2001.4
3 张玉花、李建新.车用汽油机增压技术.车用发动机情报网,1993.11
(收稿日期:2001212224)
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