增壓技術在SUV共軌柴油機上的應用

松濤

增壓技術在SUV共軌柴油機上的應用
- d1 k" q+ G) T8 _- N( S7 e4 x增壓技術在普通柴油機上已趨普及，而在共軌柴油機上采用的渦輪增壓器主要有兩種：旁通閥式和可變截面式。長城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油機采用了旁通閥式渦輪增壓器，華泰圣達菲SUV的D4EA柴油機(CRDi)采用了可變截面渦輪增壓器VGT。
4 L. V, u( ~5 G1 Z( r5 H5 cSUV汽油車以其強大的動力、轎車般的舒適感、多變的空間組合，深得追求個性生活的年輕一族喜歡。但隨著環保節能意識逐漸深入人心，以及燃油成本的逐漸走高，SUV汽油車高油耗的弊端也暴露無疑。
; c- x+ \7 I3 i7 ]+ T基于動力性、經濟性特別是日益嚴格的排放法規之考慮，柴油動力正日漸興起，柴油機采用電控高壓共軌系統在歐洲已普遍采用，我國也已有多個車廠生產柴油版SUV。
$ R2 ]  j$ w7 D8 D0 e增壓技術在普通柴油機上已趨普及，而在共軌柴油機上采用的渦輪增壓器主要有兩種：旁通閥式和可變截面式。長城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油機采用了旁通閥式渦輪增壓器，華泰圣達菲SUV的D4EA柴油機(CRDi)采用了可變截面渦輪增壓器VGT。
1.        旁通閥式廢氣渦輪增壓器在長城哈弗GW2.8TC型柴油機中的應用
長城哈弗車裝備了具有電控高壓共軌系統(Bosch公司的CRS2.0系統)的GW2.8TC型柴油機，該柴油機采用了帶旁通閥式的廢氣渦輪增壓器，增壓器為Garret公司的GT22型或三菱公司的TF035HM增壓器，其中TF035HM最高轉速達180000r/min，最高壓比為1.83。
(1)        旁通閥式增壓器的結構
　GW2.8TC型柴油機的廢氣渦輪增壓器由渦輪、徑流式壓氣機、中間殼、轉子總成和旁通閥等組成(如圖1)。渦輪和壓氣機分別被安裝在軸的兩頭，并有各自的鑄造殼體，軸本身被安裝在中間殼中，并由中間殼來支撐。

　　渦輪部分主要包括渦輪殼和單級徑流式渦輪(如圖2)，它們是一個能量轉換器。柴油機排出的廢氣經過渦輪殼噴向渦輪葉輪時，將廢氣的熱能及壓力能轉變成動能，從而使渦輪高速旋轉。

中間殼是支撐轉子總成及固定渦輪殼、壓氣機殼的中間支撐體，也是潤滑和冷卻浮動軸承的潤滑油箱(如圖3)。


% x/ x  \( T  I: t% s( G0 _ 　　潤滑系統(如圖4)的作用是冷卻來自渦輪工作的熱量、向軸承系統提供潤滑、為轉子動平衡提供油膜支撐。
, E$ z8 o' F  T1 R0 e$ S渦輪軸與渦輪葉輪采用摩擦焊(利用焊件表面相互摩擦所產生的熱，使端面達到熱塑性狀態，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法)連成一體，壓氣機葉輪以過渡配合裝入渦輪軸上，并用自鎖螺母壓緊(如圖5)。整個轉子總成經過非常精確的動平衡，以保證高速運轉情況下正常工作。  

& W8 \6 R! X, J- Q: h
　　如圖6，轉子總成的支撐采用內支撐在兩葉輪之間的中間體上，即兩個全浮式浮動軸承布置在兩葉輪之間的中間體上，轉子的軸向力由固定在中間體上的止推軸承裝置承受。(
(2)旁通閥式增壓器的工作原理
　　渦輪增壓器本身不是動力源，它是利用發動機排氣中的剩余能量來驅動渦輪工作，從而帶動壓氣機將更多的空氣壓縮進入發動機，使燃油能更充分地燃燒，達到提高發動機功率，降低有害物排放的目的。
　在高原地區，由于空氣稀薄，自然吸氣的發動機功率會下降，采用渦輪增壓器，就可以彌補發動機的高原功率損失。
旁通式增壓器具有低速扭矩大并能兼顧高低速性能的優點。其旁通閥工作是由增壓壓力來控制的。當增壓壓力達到預定值時，旁通閥打開，將部分多余廢氣排掉，控制渦輪增壓器增壓比，使發動機汽缸內的爆發壓力不超過發動機機械負荷的允許值。
' q7 C  R7 b% N　　渦輪增壓器采用旁通閥的目的是為了保證柴油機在低、中速范圍內與渦輪增壓器具有最佳的匹配效果，以便柴油機能夠得到較充足的空氣量，并與隨之加大的燃油供給量相適應，增大低速扭矩，改善燃油消耗，在高速范圍通過旁通閥放氣(即部分廢氣不經過渦輪直接進入排氣管)以避免增壓器轉子超速或增壓壓力過高而引起汽缸內燃燒壓力過大，加劇柴油機的機械負荷等。
　　如圖7所示，旁通閥的開閉由增壓壓力自動控制。將壓氣機出口的增壓壓力引入旁通閥調節器的密閉壓力室內，當增壓壓力達到或超過規定值時，其膜片將克服左邊的彈簧力與聯動推桿一起向左移動，推動搖臂繞銷軸旋轉，使放氣閥開啟，實現排氣旁通閥放氣，控制增壓器轉速的上升。使發動機汽缸內的爆發壓力不超過發動機機械負荷的允許值。
# M9 i, @' E5 J* R/ A
2.可變截面渦輪增壓器在華泰圣達菲車D4EA柴油機中的應用
　　在上述廢氣渦輪增壓器中，渦輪機轉子葉片與殼體之間的截面積是固定不變的，在廢氣沖擊下其轉速與發動機的轉速有關。當發動機低轉速工作時，廢氣的動能小，渦輪機的轉子轉速較低，同軸帶動壓氣機的充氣量相對較少，增壓后的進氣壓力較低；而發動機高速旋轉時，廢氣的動能大，同軸帶動壓氣機的充氣量相對較多，增壓后的進氣壓力高。這種充氣量的差異，限制了發動機中低時速功率的提高。可變截面廢氣渦輪增壓器(VGT——Variable Geometry Turbocharger)正是對此改進設計的，它主要是提高發動機中低速的充氣量，從而提高發動機的功率、消除了傳統渦輪增壓器低轉速時的“渦輪遲滯”現象。
華泰圣達菲車裝備了具有電控高壓共軌系統(Bosch公司的第二代產品CRDi)的D4EA柴油機，該柴油機采用了帶中冷器(水冷卻)電子控制的可變截面渦輪增壓器VGT，為美國Garret公司的 GT27型增壓器。
( k1 ?$ e0 O- t& f+ H. p! c; O7 VD4EA發動機采用的可變截面增壓器VGT剖面圖如圖8所示，VGT渦輪側的結構示意圖如圖9所示。
+ d2 c/ o+ J% b
VGT的壓氣機部分與一般廢氣渦輪增壓器相同，而在渦輪機側除具有渦輪轉子外，還有轉動葉片組、傳動及操縱結構(含膜盒式真空執行器及VGT電磁閥等)。  

# {6 ]7 z, q, _" w" A" r在渦輪機轉子一側的圓形固定盤上，裝有轉動葉片組，它的幾何位置由ECU通過控制VGT電磁閥、膜盒式真空執行器來控制。如圖10(a)所示，當發動機處于中、低速時，廢氣的動能較小，膜盒式真空執行器使活動葉片組處于最大關閉位置，葉片間通道截面變小，因此廢氣進入渦輪機的速度加大，從而使渦輪機的轉速提高，同軸帶動壓氣機使充氣量較普通的增壓器增多。
當發動機高速旋轉時，廢氣動能增加，氣膜盒式真空執行器推動活動葉片組逐步打開，最終至全開位置，葉片間通道截面增大，導致廢氣進入渦輪機速度減慢，從而使渦輪機轉速降低，同軸帶動的壓氣機使進氣量維持在合適的范圍內，如圖10(b)所示。
1 Q1 [9 d* K& x' O/ o1 Q
不帶VGT的D4EA柴油機(有旁通閥式渦輪增壓器)的最大輸出功率為83kW，最大輸出扭矩為255N•m，而帶VGT的D4EA柴油機(與前者比較，其它方面幾乎相同)的最大輸出功率增加了9 kW ，達到92kW，最大輸出扭矩達285N.m，增加了30N.m。由此可見，VGT系統明顯提高了發動機的動力性。
' S# H4 ]) h( l% O2 Z 3.結束語
& R- P( M8 O  N1 ~- S7 z& ASUV汽油車功率大、油耗高，柴油動力應是發展趨勢。柴油機采用帶可變截面渦輪增壓器VGT的電控高壓共軌系統，能夠很好地解決動力性、經濟性及排放之間的矛盾。