2024年9月20日

涡轮增压工作原理(一文搞清楚涡轮增压系统的构造与原理)

发动机进气增压有机械增压、气波增压、废气涡轮增压等多种形式。

目前,废气涡轮增压更为常见。废气涡轮增压器实际上是一种通过压缩空气来增加进气量的空气压缩机。它利用发动机排放的废气惯性冲击来推动涡轮室内涡轮,涡轮驱动同轴叶轮,叶轮压力通过空气过滤器管道输送的空气进入气缸。

1. 气缸盖集成排气歧管

目前,新型国六发动机基本采用集成排气歧管缸盖,称为内置缸盖排气歧管(IEM)技术。

该集成排气歧管的气缸盖具有以下优点:

(1)取消单独的排气歧管,提高集成度,节省空间,简化零件布局,减轻机体重量,相应提高油耗和排放。

(2)在冷启动和加热过程中,热废气与气缸盖水套进行热交换,冷却液加热快,发动机加热快,内部部件摩擦减少,可燃混合气雾化更好,燃烧效率提高,不仅节约燃料,而且减少加热过程中的污染物排放。

(3)当发动机达到热机状态或处于负荷运行状态时,发动机排放的废气温度很高,涡轮增压器的整体温度也会很高。泵轮泵压力后的空气非常热,密度低,容易引起爆震。

如果采用内置缸盖排气歧管,热废气与缸盖水套冷却液进行热交换,可以在一定程度上降低废气温度,相应提高涡轮增压器的泵压效率。

(4)取消单独的排气歧管意味着缩短废气侧涡轮增压器的气路长度,提高涡轮增压器的响应速度。

2. 双流道废气管道

涡轮增压器的废气管道采用两种管道,目前已广泛应用于国六发动机,即涡轮排气采用更先进的单涡轮双涡管技术。

传统的普通涡轮增压发动机大多采用单涡轮单涡管技术。所有气缸的排气歧管首先聚集在一起,然后吹向涡轮,即只有一个废气流道。该技术的优点如下。

以四缸涡轮增压发动机为例,点火顺序为1-3-4-2。如果使用废气管道,发动机排气将不可避免地导致气体的脉冲谐振,即排放的废气将“战斗”,从而影响气缸与气缸之间的排气效率。

主要原因是气缸工作时有一段重叠时间,进气门和排气门都是开着的。如果同时打开相邻的两个气缸排气门,废气会回流到前一个气缸,降低其进气效率,影响下一个循环的总功率。

为了消除各缸排气之间的干扰,将气缸盖排气侧设计成两根管道,使两个相邻气缸的排气管(1、4、2、3)分开,使两个相邻气缸的进排气不受干扰影响,每个气缸的进排气过程更加顺畅,提高发动机的工作效率。

数据显示,单涡轮双涡管发动机的工作效率比单涡轮单涡管发动机高7%左右,尤其是瞬态加速性能明显提高。

3. 电控废气门执行器

涡轮增压器应正常工作。除了废气冲击使涡轮旋转,驱动泵轮泵压进气侧空气,实现进气增压外,还必须调节进气增压压力,以满足目标增压的设计要求,防止系统过度增压造成发动机损坏。

因此,在涡轮增压器的涡轮腔中设置了一个废气旁路阀,可以使部分废气在不影响涡轮的情况下被旁路驱动。因此,只要调整废气旁路阀的开度,就可以调整涡轮的转速,进气侧增压可以调节到目标增压的范围。

对于早期涡轮增压器,一般采用气动或真空控制。相比之下,气动模式被广泛使用,其结构特征是使用一个三通两位电磁阀(通常称为增压控制电磁阀)。

气动执行器通过气压控制与废气旁通阀连接的气动执行器。因此,只要控制气动执行器的管道气压,就可以调整废气旁通阀的开度,然后调节发动机的进气增压。

目前,涡轮增压器的废气旁通阀已改进为电机控制模式。该装置在某些数据中称为电子废气门(E-Wastgate)或电气废气旁通阀执行器。

废气旁路阀的电动执行器实际上是一个带有位置传感器的直流电机。在工作过程中,直流电机由发动机控制模块控制。由于电机通过连杆与废气旁路阀连接,电机的旋转角度与废气旁路阀的开度相对应。

因此,发动机控制模块可以根据位置传感器的反馈信号实时识别废气旁路阀的当前开度,实现增压控制的整个闭环控制过程。

4. 进气旁通阀

为了使涡轮增压器正常工作,还需要在泵轮进气口与出气口管道之间安装旁通阀,在特殊工况下排出出气口管道中的高压空气,防止喘振,消除快速加速后的滞后。因此,进气旁通阀又称喘振控制阀、排气阀、排气阀或补偿阀。

进气旁通阀是由发动机控制模块控制的电磁阀元件。常见的进气旁通阀有两种布局形式。一种是进气阀直接安装在涡轮增压器外壳内。涡轮增压器外壳内的泵轮腔设有旁通道,即安装在旁通道座孔内的进气旁通阀。

另一种布局形式是在泵轮进气口和出气口管道之间布置空气管道,进气旁路阀安装在空气管道上,通过打开或关闭实现进气侧高压气体的排放。目前,大多数国家六发动机和进气旁路阀都采用这种布局形式。

综上所述,进气旁路阀的主要作用是消除加速后的延迟。当油收集迅速加速时,泵轮出口与节气门之间的气压会制动泵轮,导致涡轮停滞和排气阻塞,甚至损坏进气管道和电子节气门。

下次加速时,会出现加速滞后。解决办法是根据加速踏板行程和速率识别发动机控制模块的快速加速条件,在快速加速结束时打开进气旁路阀,释放增压气体,消除上述不利因素。

5. 增压传感器

增压传感器通常安装在涡轮增压器中冷器出口与电子节气门进口之间的管道上。其功能是测量实际进气增压压力。发动机控制模块根据传感器信号调整涡轮转速,使实际增压与目标增压一致。

需要注意的是,为了更准确地计算实际的增压进气量,还需要安装一个增压空气温度传感器。该传感器有两种设计方案,一种是单个元件。

另一种是与增压压力传感器集成。

增压压力和增压温度传感器的基本技术参数如下:增压压力传感器采用5V工作电源,传感器信号电压和实际压力呈线性变化特征;增压温度传感器采用负温度系数热敏电阻,信号参考电压为5V。

在实际维护工作中,如果增压压力和增压温度传感器损坏、线路中断或信号偏差严重,则发动机控制模块将设置故障代码,启动故障运行模式,涡轮增压器电气控制功能故障,即发动机进气增压功能故障。

6. 水冷式中冷器

由于涡轮增压器泵轮泵压力后的空气非常热,需要冷却,否则空气密度小,实际进气质量不足,影响发动机功率性能,热空气也会导致发动机热负荷过高,容易引起爆震。

因此,需要在涡轮增压器泵轮出口与电子节气门进口管道之间安装冷却装置,即中冷器。中冷器有两种散热方式,一种是通过与空气对流实现散热,通常称为风冷中冷器,安装在车辆前面,管道连接路径较长。

另一种采用发动机冷却液散热,通常称为水冷式冷却器。就布局而言,水冷式冷却器通常有两种布局形式。一种是与进气歧管集成,集成度高,但进气歧管总成体积大。

目前,新型国六发动机倾向于采用水冷式中冷器。水冷式中冷器可降低进气温度10~15℃,部分工况油耗2%~10%,功率性能3%~5%,低速工况功率输出50%左右。因此,水冷式中冷器的技术优势更加明显。