增压技术在SUV共轨柴油机上的应用

松涛

增压技术在SUV共轨柴油机上的应用
" R: N3 P- v) e增压技术在普通柴油机上已趋普及，而在共轨柴油机上采用的涡轮增压器主要有两种：旁通阀式和可变截面式。长城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油机采用了旁通阀式涡轮增压器，华泰圣达菲SUV的D4EA柴油机(CRDi)采用了可变截面涡轮增压器VGT。
SUV汽油车以其强大的动力、轿车般的舒适感、多变的空间组合，深得追求个性生活的年轻一族喜欢。但随着环保节能意识逐渐深入人心，以及燃油成本的逐渐走高，SUV汽油车高油耗的弊端也暴露无疑。
基于动力性、经济性特别是日益严格的排放法规之考虑，柴油动力正日渐兴起，柴油机采用电控高压共轨系统在欧洲已普遍采用，我国也已有多个车厂生产柴油版SUV。
增压技术在普通柴油机上已趋普及，而在共轨柴油机上采用的涡轮增压器主要有两种：旁通阀式和可变截面式。长城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油机采用了旁通阀式涡轮增压器，华泰圣达菲SUV的D4EA柴油机(CRDi)采用了可变截面涡轮增压器VGT。
. i9 n' y  c1 {' m' @' X/ k$ S1.        旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用
! [" z3 k/ M- I- M5 [& I+ o7 w' g4 s长城哈弗车装备了具有电控高压共轨系统(Bosch公司的CRS2.0系统)的GW2.8TC型柴油机，该柴油机采用了带旁通阀式的废气涡轮增压器，增压器为Garret公司的GT22型或三菱公司的TF035HM增压器，其中TF035HM最高转速达180000r/min，最高压比为1.83。
9 T6 l5 D5 x! v& l1 j. m; u(1)        旁通阀式增压器的结构
5 E/ ~) U0 T: W2 Y+ y& v$ q, P0 G　GW2.8TC型柴油机的废气涡轮增压器由涡轮、径流式压气机、中间壳、转子总成和旁通阀等组成(如图1)。涡轮和压气机分别被安装在轴的两头，并有各自的铸造壳体，轴本身被安装在中间壳中，并由中间壳来支撑。
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! E! C& e* c8 ]! S" g% v( @　　涡轮部分主要包括涡轮壳和单级径流式涡轮(如图2)，它们是一个能量转换器。柴油机排出的废气经过涡轮壳喷向涡轮叶轮时，将废气的热能及压力能转变成动能，从而使涡轮高速旋转。

中间壳是支撑转子总成及固定涡轮壳、压气机壳的中间支撑体，也是润滑和冷却浮动轴承的润滑油箱(如图3)。
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　　润滑系统(如图4)的作用是冷却来自涡轮工作的热量、向轴承系统提供润滑、为转子动平衡提供油膜支撑。
+ |& P  k0 Q$ Q. x. y: }% W. q2 W& W涡轮轴与涡轮叶轮采用摩擦焊(利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法)连成一体，压气机叶轮以过渡配合装入涡轮轴上，并用自锁螺母压紧(如图5)。整个转子总成经过非常精确的动平衡，以保证高速运转情况下正常工作。  
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8 [6 o* g. ^. Q3 ]8 ]' m+ A$ Y　　如图6，转子总成的支撑采用内支撑在两叶轮之间的中间体上，即两个全浮式浮动轴承布置在两叶轮之间的中间体上，转子的轴向力由固定在中间体上的止推轴承装置承受。(
(2)旁通阀式增压器的工作原理
% ?7 d/ ^1 T3 N* V　　涡轮增压器本身不是动力源，它是利用发动机排气中的剩余能量来驱动涡轮工作，从而带动压气机将更多的空气压缩进入发动机，使燃油能更充分地燃烧，达到提高发动机功率，降低有害物排放的目的。
" u( q5 K/ v" y9 q' Z* m& y& f　在高原地区，由于空气稀薄，自然吸气的发动机功率会下降，采用涡轮增压器，就可以弥补发动机的高原功率损失。
# i) d3 _: ^) {  \% \9 m' R旁通式增压器具有低速扭矩大并能兼顾高低速性能的优点。其旁通阀工作是由增压压力来控制的。当增压压力达到预定值时，旁通阀打开，将部分多余废气排掉，控制涡轮增压器增压比，使发动机汽缸内的爆发压力不超过发动机机械负荷的允许值。
　　涡轮增压器采用旁通阀的目的是为了保证柴油机在低、中速范围内与涡轮增压器具有最佳的匹配效果，以便柴油机能够得到较充足的空气量，并与随之加大的燃油供给量相适应，增大低速扭矩，改善燃油消耗，在高速范围通过旁通阀放气(即部分废气不经过涡轮直接进入排气管)以避免增压器转子超速或增压压力过高而引起汽缸内燃烧压力过大，加剧柴油机的机械负荷等。
0 P# S3 L. e( e! A$ @* v) {# E: v　　如图7所示，旁通阀的开闭由增压压力自动控制。将压气机出口的增压压力引入旁通阀调节器的密闭压力室内，当增压压力达到或超过规定值时，其膜片将克服左边的弹簧力与联动推杆一起向左移动，推动摇臂绕销轴旋转，使放气阀开启，实现排气旁通阀放气，控制增压器转速的上升。使发动机汽缸内的爆发压力不超过发动机机械负荷的允许值。
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8 V5 U7 E) x  ]/ d& _/ G2.可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用
　　在上述废气涡轮增压器中，涡轮机转子叶片与壳体之间的截面积是固定不变的，在废气冲击下其转速与发动机的转速有关。当发动机低转速工作时，废气的动能小，涡轮机的转子转速较低，同轴带动压气机的充气量相对较少，增压后的进气压力较低；而发动机高速旋转时，废气的动能大，同轴带动压气机的充气量相对较多，增压后的进气压力高。这种充气量的差异，限制了发动机中低时速功率的提高。可变截面废气涡轮增压器(VGT——Variable Geometry Turbocharger)正是对此改进设计的，它主要是提高发动机中低速的充气量，从而提高发动机的功率、消除了传统涡轮增压器低转速时的“涡轮迟滞”现象。
华泰圣达菲车装备了具有电控高压共轨系统(Bosch公司的第二代产品CRDi)的D4EA柴油机，该柴油机采用了带中冷器(水冷却)电子控制的可变截面涡轮增压器VGT，为美国Garret公司的 GT27型增压器。
6 G: D# t* w6 N6 f7 ~( vD4EA发动机采用的可变截面增压器VGT剖面图如图8所示，VGT涡轮侧的结构示意图如图9所示。
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VGT的压气机部分与一般废气涡轮增压器相同，而在涡轮机侧除具有涡轮转子外，还有转动叶片组、传动及操纵结构(含膜盒式真空执行器及VGT电磁阀等)。  

2 |  S, E# R$ a; T  Q0 x6 ~  Y在涡轮机转子一侧的圆形固定盘上，装有转动叶片组，它的几何位置由ECU通过控制VGT电磁阀、膜盒式真空执行器来控制。如图10(a)所示，当发动机处于中、低速时，废气的动能较小，膜盒式真空执行器使活动叶片组处于最大关闭位置，叶片间通道截面变小，因此废气进入涡轮机的速度加大，从而使涡轮机的转速提高，同轴带动压气机使充气量较普通的增压器增多。
. t0 m% K- o1 B& B- C& _1 P+ Q当发动机高速旋转时，废气动能增加，气膜盒式真空执行器推动活动叶片组逐步打开，最终至全开位置，叶片间通道截面增大，导致废气进入涡轮机速度减慢，从而使涡轮机转速降低，同轴带动的压气机使进气量维持在合适的范围内，如图10(b)所示。
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$ Y. }' I! k+ P  l8 z+ @0 ]3 a不带VGT的D4EA柴油机(有旁通阀式涡轮增压器)的最大输出功率为83kW，最大输出扭矩为255N•m，而带VGT的D4EA柴油机(与前者比较，其它方面几乎相同)的最大输出功率增加了9 kW ，达到92kW，最大输出扭矩达285N.m，增加了30N.m。由此可见，VGT系统明显提高了发动机的动力性。
3.结束语
SUV汽油车功率大、油耗高，柴油动力应是发展趋势。柴油机采用带可变截面涡轮增压器VGT的电控高压共轨系统，能够很好地解决动力性、经济性及排放之间的矛盾。