柴油发动机涡轮增压相关技术分析

高 芳

（农垦牡丹江管理局交通局，黑龙江 鸡西 158308）

采用涡轮增压技术不仅可以改善柴油发动机的动力性及燃油经济性，达到节约汽车能源、减少车用柴油机工作时的噪声，保证在海拔较高的地区克服车用柴油机由于外界空气密度过低而引起的发动机输出功率下降的缺点，满足高海拔的环境中车辆行驶的要求。尤其是最近几年，国际上的汽车排放相关法规标准越来越高，导致相关人员运用涡轮增压和中冷专业技术来解决有害气体排放的问题，降低车用柴油机的排气污染，使其达到规范要求。涡轮增压技术己经成为大多数车用柴油机满足欧洲Ⅱ以上排放法规要求所必须采用的标准配置。

1 柴油机涡轮增压技术概述

一台性能优良的发动机的比功率大，比质量小，燃油消耗率低，排放污染小，工作可靠，使用寿命长，操作方便。

影响内燃机功率的因素由公式（1）给出

式中：pe为有效功率，i为气缸数，Vs为气缸工作容积，Hu为燃料低热值，l0为化学计量比，τ为冲程数，Φc为充量系数，ηit为指示热效率，α为空燃比，ηm为机械效率，n为发动机转速，ρb为进气空气密度。

从公式（1）可以看出，过分增大缸径和行程，增加气缸数会使内燃机系统庞大、复杂、笨重，且加工、安装和维修不便，制造困难；采用二冲程则因低换气质量而影响热效率；过高转速会增加摩擦损失，不利于改善工况，且产生较大惯性力，使发动机可靠性及寿命受到影响。最为经济并且增压效果显著的方法是增加进气空气密度。如采用增压提高进气密度，则可使发动机功率提高40%～80%。

涡轮增压器不但可以提高发动机的功率，降低燃油的消耗，还会在降低交通污染、控制交通噪声、提高能源的利用等方面起到积极作用。涡轮增压器根据废气在涡轮机不同的流通方向，可分为径流式涡轮与轴流式涡轮两大类。对于车用内燃机则用径流式涡轮增压器。

2 涡轮增压器结构及原理

2.1 涡轮增压器的结构

径流式涡轮增压器结构如图1所示，它是由压气机、涡轮以及支承装置、密封装置、冷却系统、润滑系统所组成。

图1 径流式涡轮增压结构

2.2 涡轮增压器工作原理

涡轮增压器工作原理如图2所示，当发动机产生温度较高的废气时，一定的空气压力作用于涡轮壳并使之旋转后进入空气中。与此同时，压气机叶轮和涡轮共同安装在相同的转子轴上具有相等的速度，提高通过滤清器作用后的空气使空气的流动速度和压力并行进入扩压器，因此，空气流动的速度减少，从而空气的压力增加。同时，压气机壳不断地使空气压力继续升高，提高后的空气通过发动机的进气管而到达气缸中，达到改善进气密度数值的目的。

图2 涡轮增压结构

3 涡轮增压器结构设计

3.1 涡轮增压器参数确定

12V150柴油发动机的参数为：汽缸直径D＝150mm；汽缸工作容积Vh＝38.38L；活塞的行程S＝180mm；原机的发动机功率Pe＝382.35kW（520PS）／（2000r／min）；增压后为Ne＝536.76 kW（730PS）／（2000r／min）。

3.2 设计点的选择

为保证发动机具有良好的扭矩特性（扭矩系数K≥1.15），设计点选择在

要求达到

增压参数的确定：发动机过量空气系数的确定α＝1.7；容积系数ηv＝0.98；扫气系数ηs＝1.02；扫气过量空气系数φs＝ηvηs＝1。

增压发动机所需空气量为

式中：ge为发动机的燃油消耗率，单位（一般比不增压降低5%～10%，为了满足最大功率和最大扭矩的要求，应在发动机的外特性工况下计算）；α为过量空气系数（为了适应降低发动机的热负荷、降低排气温度以及提高扭矩系数一般比不增压时大10%～30%）；L0为燃烧1kg燃料所需的理论空气量，对柴油，L0＝14.3。

采用2台增压器，则每一台增压器的空气流量为0.364kg／s。增压空气的密度为

压气机进口的空气压力为

式中：Δp为压气机进口处压降，取为6000Pa。

压气机进口空气密度为

式中：R为气体常数，R＝287J／（kg·K）。

压气机压比为

式中：ηn为压气机多变效率，取ηn＝0.76。因此，确定增压器的设计参数为

4 涡轮增压器特性分析

4.1 匹配性

为了保证该增压器正常工作，使用过程中必须考虑以下几方面：

1）由于该增压器没有专门冷却系统，因此，要保证足够的机油循环量，即机油压力要达到250～400kPa。

2）涡轮壳与排气管连接时，一定要考虑排气管的热膨胀量。

3）检查各个结构之间的间隙，使其保持在合理范围内。

4）避免发生喘振，除了设计因素之外，通常采取加大进气管、增加中冷器以及避免在高速负荷下工作时紧急停车或突然减速等。

4.2 涡轮增压器的冷却和隔热

为保证增压器正常工作，涡轮端轴承部位的温度不超过150°，涡轮密封部位不超过230°，采用油冷方式，并在涡轮轴承上端、密封环附近专门设置油道，基本满足要求。

隔热的目的是防止热量自涡轮端传至轴承和压气机端，这样，可以减少连接零件的热变形，防止壳体零件产生裂纹。该涡轮增压器采取以下措施：

1）采用哑铃式布置方案，形成温度梯度差，减少热辐射。

2）把轴承座固定在压气机端，加大热阻。

3）把止推面设在压气机一端，可以减少自涡轮端通过转轴经止推面直接传热给轴承的可能性。

4）在涡轮叶轮与转轴焊接处采用摩擦焊并做成中空形式，以减少自涡轮叶轮向转轴的传热。

5 结束语

由于最近国际上的汽车排放相关的法规标准越来越高，因此，相关人员运用涡轮增压和中冷专业技术来解决有害气体排放的问题，降低车用柴油机的排气污染，使其达到规范要求。该文从介绍涡轮增压技术概况入手，对涡轮增压技术的结构及原理进行说明，并给出了其设计方法，对其相关特性及关键技术进行了总结，通过本设计体现出涡轮增压可以非常有效地提高发动机功率，同时，可降低排放污染，是一项以低投入换取高效率的技术。

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