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发动机涡轮增压的基础知识储备

作者:www.43qc.com 来源:www.43qc.com 2024-06-10 08:45 浏览数: 152 次 收藏成功收藏本文

涡轮增压发动机是靠燃料在汽缸内焚烧作功来发生功率的,由于输入的燃料量遭到吸入汽缸内空气量的约束,因而发动机所发生的功率也会遭到约束,如果发动机的运转性能已处于最佳状态,再添加输出功率只能经过紧缩更多的空气进入汽缸来添加燃料量,从而进步焚烧作功才能。因而在现在的技能条件下,涡轮增压器是专一能使发动机在工作效率不变的情况下添加输出功率的机械设备。

涡轮增压发动机的增压器实际上可以看成是一个鼓风机,鼓风机的动力来自一个同轴的涡轮,涡轮通过发动机的尾气推动,带动鼓风机的叶片高速旋转,实现增压的效果。

发动机的闭环控制和开环控制

对于现代的电喷发动机来说,无论是涡轮增压还是自然吸气的原理都是差不多的,那就是通过空气流量传感器、进气压力传感器监测进气量,然后通过氧传感器监测废气中氧含量,然后ECU再结合这些参数控制喷油嘴的喷油脉宽长度(喷油量多少),进行短期燃油修正,从而实现发动机的闭环控制。简单的一句话,就是根据进气量和燃烧工况动态调整喷油量,确保燃烧效率最高。
而当发动机处于急加速、低水温、怠速运转时,通常会采取开环控制,利用ECU中固化预设的数值去控制喷油脉宽(喷油量)。因此理论上处于开环控制时不会达到最理想的燃烧工况,油耗会增加。

涡轮增压发动机和自然吸气发动机结构上的区别

简单的从结构上来说,涡轮增压发动机比自然吸气发动机多了涡轮增压器、中冷器、冷却系统,涡轮增压器的目的是为了增加进气压力,而中冷器的目的是降低进气温度,避免因进气温度过高影响空气密度。而冷却系统通常是为了对涡轮增压器和中冷器降温。

涡轮增压发动机的两种工况

对于自然吸气发动机来说,进气歧管的压力永远是负压状态,利用发动机汽缸下行将混合气吸入(进气歧管喷射),或者将空气吸入汽缸(缸内直喷)。

对于涡轮增压发动机来说,通过尾气推动涡轮转动,通常有两种工况,一种是进气歧管负压状态,在发动机低转速时,由于尾气不足,涡轮转速比较低,产生的压力小于汽缸吸入的压力,此时发动机仍然相当于一个自然吸气发动机。

随着发动机的转速升高,尾气增多,推动涡轮高速转动,此时,涡轮产生的压力大于进气压力的需求,此时涡轮具有介入的能力,也就是说涡轮高速转动产生的压力可以大于进气需求,也就是可以产生正压。当然为了降低油耗,此时虽然涡轮高速转动,但是由于进气旁通阀会处于打开状态,实际上并不会起到增压作用。也就是说如果空档模式下即使油门踩到底也不会处于增压状态。

只有当发动机检测到有动力需求时,比如节气门开度增大,但是发动机转速却没有随之提升,此时ECU才会控制进气旁通阀关闭,产生正压。

如果在低速匀速驾驶,没有较大的动力需求,实际上有没有涡轮增压都是一样的,也就是说理论上没啥影响,油耗并不会增多。因为没有动力需求,涡轮增压器根本就无需介入。涡轮增压器坏了会怎么样?
但是如果发动机有动力需求时,比如急加速,ECU会控制进气旁通阀关闭,此时由于涡轮增压器损坏,无法达到增压需求,或者导致增压效果不稳定。而由于急加速时发动机处于开环控制,也就是说并不会自动修正喷油量,还会按照ECU固化的喷油量控制喷油脉宽,但是由于实际进气量不足,空燃比过大,因此燃烧不充分,导致发动机油耗过高、加速乏力、积碳严重,甚至冒黑烟。而由于涡轮增压器的损坏往往会漏机油,这些机油也会进入进气道重新参与燃烧,实际上的表现就是冒蓝烟,烧机油、异响等。
涡轮增压器损坏以后,应该立即更换,由于绝大部分涡轮增压损坏都会导致机油渗漏,这些机油会重新进入进气歧管,参与燃烧会产生严重的缸内积碳,也会导致三元催化器的提早报废。

涡轮增压器的性能重要参数——A/R值

AR 值是压气机壳体(Compressor Housing)及涡轮壳体(Turbine Housing)的几何特性数字。R(Radius)为涡轮轴承中心到压气机出风口(涡轮进风口)横截面(涡轮半径线绕360 度一圆周后)中心点的距离。A(Area)指压气机壳体的出风口(涡轮进风口)对应以上中心点所在的横截面积,以A 除以R 的所得两者的值即为AR 值。
AR值分为压气AR值与涡轮AR值。一般而言压气AR值大,说明流速快但流量少,较适合低增压涡轮使用;而压气AR 值小,说明流速慢但流量大,较适合高增压涡轮使用。相对而言压气AR 值的大小变化对涡轮性能的影响较小,而对于排气端的涡轮AR 值就显得非常重要了。AR 值越小,即排废气的流速较高,涡轮在低转速区域的增压反应越快,涡轮迟滞减低,涡轮也就能在较低的转速区域取得接近峰值的增压,所以在低速提速情况下基本无甚涡轮迟滞的感觉;但与此同时高速所能提供的增压压力会显得不足,因为靠增压器提供的压力已经不足以弥补减小的压缩比了,所以此时会有高速无力的感觉。相对的,AR 值越大,涡轮在低转速域的增压反应便越差,涡轮迟滞的感觉越明显;尽管引擎的低转速增压难以上升,不过在高转速区域却可以产生更大的动力,转速越高发出马力越大的倾向相当明确。总而言之,AR 值(涡轮AR 值)小属于低速发力型涡轮,而AR 最大则是高速发力型涡轮。

何为涡轮迟滞?
不少人买了涡轮增压的汽车的朋友们经常会有这样的感觉:正想要加速时,一脚踩油门到底,会有一秒多的延迟,然后转速再上来,速度再上去,给人一种汽车“动力不足”的感觉。从专业角度上讲,这就是涡轮迟滞现象。对于涡轮迟滞现象的影响因素有很多,主要包括发动机排量、涡轮大小、进气损失和排气背压等因素。如果发动机的排量很小,那么产生的废气量也较小,进而推动涡轮旋转就越困难;对于涡轮的大小而言,涡轮越大其质量就愈大,废气越不容易推动涡轮转动达到最佳的旋转速度;另外排气背压所产生的压力也会阻碍涡轮旋转,造成涡轮迟滞现象的产生。

有何改善的方式?
1、对于涡轮的大小而言,通常可以采用减小涡轮质量的办法减小涡轮迟滞现象,但是涡轮太小了,在较高引擎速度下产生的回压,会明显削弱涡轮增压的性能;
2、采用双涡轮增压技术,在发动机转速较低时,低速涡轮单独工作,当发动机转速增高时,高速涡轮工作,可以使得进气效率大幅提升,增压效果更加显著。
3、采用可变截面的涡轮增压器,即在发动机排气管出口与涡轮入口之间装置可变的“喉口”,通过改变口的大小实现发动机与增压器之间的相互匹配,以削弱涡轮迟滞。
随着技术的不断更迭,机械类型的涡轮有可能会慢慢退出发动机增压的舞台,被电涡轮或者其它新的技术逐步地取代!

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