增压技术在SUV共轨柴油机上的应用8 q8 t6 D( l$ `$ k' A* d 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。 9 C+ O9 }" } n% e3 lSUV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。6 |6 Q4 g, w6 j% W; G+ M 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。7 k, U" z" `: c8 _3 B 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。) N: m5 K) x& G' P: O 1. 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 : H: ~# S5 W6 @. m( E \* S9 p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。 : |: g' h; ?; a! o- ~% {+ _(1) 旁通阀式增压器的结构0 P& J7 |' C" h& } 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。 2 Y4 D5 | Q$ z' Y4 T! O) v1 l$ B/ k) J6 W* |: w' S2 H& S3 L* \ 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。 6 e! r' ~. n$ j * ]8 M( u6 `- ~! {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)。 : h5 {, K1 k% Q, E& ^' d' q ' V1 e6 L& u! G6 ]: s& K" D) e' m0 D2 ?4 F8 `: } 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。 $ w& M' t3 a! \$ h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。2 K% z3 K# @' @3 H / W& }* K8 J) J: l; C
+ d7 i( P: z! s/ s/ A' g 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。( / P8 ?! K- K6 V8 p4 z( c(2)旁通阀式增压器的工作原理 8 ^7 c7 s+ Z, a' p+ j8 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。 7 ]/ ~( p$ b7 v( | 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。$ K% W' v$ j- [6 A" F ~% L% ^ 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。 * }+ v5 f4 {# @. b 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。 / U7 {" `% `! e. k7 O X+ | 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。' C: S+ Y1 C! |9 A+ n! O! i# v 2 z/ b2 u$ t: j% P, T' @ 2.可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用" a' B% C) b5 S4 |* [* _# } 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。 7 P/ s# }$ W9 F( J2 l8 T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。 0 p' Y: `1 I. ]2 a+ s- M* HD4EA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。 ( t! p9 ^7 {) A1 M" C $ U4 d* \/ B3 p, f) O6 X4 B& _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)。1 c, g& {- E8 M 2 J2 ? s* S2 f& n2 C2 J 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。; O3 W6 R( D4 t. X 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。 2 v1 _2 | g4 C1 N! [+ p) ]' T6 d+ e- `8 e; ? 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。 ! { Z- W8 u6 }2 K3 X5 R- c/ f3.结束语 1 x, c0 _! b2 d5 e* S+ XSUV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。 |