当涡轮增压发生故障时哪些技术能改善内燃机低速扭矩的性能？
发布时间： 2024-06-15 来源：安博体育官方下载
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涡轮增压器和柴油机匹配时，由于活塞式发动机和叶片式增压器的气体流通特性不同，它们只能在一定工作范围内有最佳的匹配特性，而车用发动机负载和转速变化频繁，在整个工作范围内，要求涡轮增压器与柴油机有良好的匹配性能。
但当发动机在低转速工作时，压气机提供的增压空气的压力降低，发动机进气量减少，空燃比失调，使发动机排放情况恶化，输出转矩降低。
因此，发动机必须采取措施增大发动机在低速时的进气量，即便增压器的匹配点选在低速工况以获得最大转矩，但发动机在高速时也应采取措施防止增压器超速，为此我们开始研究有哪些技术可以满足以上需求。
首先，涡轮增压器在低转速时增压效果不明显，发动机扭力输出要比同等排量的自然吸气式发动机还要弱；机械增压发动机尽管高转速时功率输出有限，但有助于低转速时的扭力输出，两者结合起来很好地解决了涡轮增压发动机在低速时增压不足的问题。
但是复合增压结构较为复杂，同时机械增压装置仍会消耗部分发动机的功，相比其它技术的实现，需要占用较多的空间。
2005年，大众开始将这套技术应用到量产的民用车型高尔夫1.4TSI上，这套系统被称作“双增压”，兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。
在低转速时，由机械增压提供大部分的增压压力，在1500r/min时，两个增压器同时提供增压压力，其总增压值达到0.25MPa（如果涡轮增压器单独工作，只能产生0.13MPa的增压压力）。
随着转速的提高，涡轮增压器能使发动机获得更大的功率，与此同时，机械增压器的增压压力逐渐降低。
机械增压通过电磁离合器控制，在转速超过3500r/min时，由涡轮增压器提供所有的增压压力，此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离，防止消耗发动机功率。
发动机在低速运转的情况下或在过渡工况下，可以采用电辅助增压的方式，来提高增压发动机的低速扭矩性能，电辅助增压器的电源可以是蓄电池或交流发电机。
图1是美国底特律柴油机厂研究用的电辅助涡轮增压系统，在低速时该系统用电池组为增压器提供动力，发动机在高速工况工作时，发动机的废气量增加，辅助电机可利用增压器产生的部分动力，变为发电机为蓄电池供电。
图2是多种涡轮增压方式低速扭矩性能比较图，由图2可见：电辅助增压技术可以显著地提高涡轮增压发动机的低速扭矩。
与大涡轮相比，小涡轮的转动惯量小，动态响应特性好，具有更好的加速性能，能够获得较好的低速扭矩性能。
图3表明与安装大涡轮增压器的内燃机相比，安装小涡轮增压器的内燃机低速扭矩特性较好，增压空气压力、扭矩、平均有效功率都较高，而燃油消耗率有所下降。
也正是由于高速小型涡轮增压器，在加速性和低速性能方面的突出优点，它在车用内燃机特别是在汽油机上得到广泛应用，在V型多缸内燃机上也优先采用两个小型增压器代替一个大增压器。
利用新的涡轮制造材料，减轻涡轮质量是减小涡轮增压器的转动惯量，提高其低速扭矩的一条措施，铝钛合金作为一种新型的高温材料，密度小（约3.7~3．9g/cm3，只有镍基高温合金7.8~8.3g/从m的1/2左右），高温强度及抗氧化性好，用于涡轮增压器可以大幅降低其转动惯量，提高其动态响应性，提高涡轮增压发动机低速扭矩。
MHI公司开发出了运用铝钛合金涡轮制造技术的TD05涡轮增压器，同以镍基高温合金为制造材料的涡轮增压器相比其响应性得到较大的提高，在达到要求0.05MPa的增压下，响应时间减少了0.2s。
同时其耐温性、可靠性也得到了不同程度的提高，然而铝钛涡轮只是传统耐热金属涡轮和陶瓷涡轮的一个过渡阶段，由于陶瓷材料重量轻、耐热性好，陶瓷材料是制造涡轮的一个良好的选择。
日本NTK公司制成的陶瓷涡轮增压器转子，质量比原先的镍基耐热金属轻40%，转动惯量减小35%，加速时间缩短36%，低速扭矩特性也得到较大的提高。
为解决涡轮增压发动机低速扭矩不足的问题，Borgwarner公司为轿车和载货车用发动机开发了两级可调涡轮增压系统，由一台大的低压废气涡轮增压器和一台小的高压废气涡轮增压器串联组成。
其中高压级涡轮增压器采取了带放气阀的涡轮增压技术，对于约1500r/min以下低转速来说，几乎全靠高压涡轮产生增压压力，此时放气阀几乎完全关闭，在中等转速两个增压器串联起来工作。
一旦达到增压压力，一部分废气就可以通过放气阀绕过高压涡轮，与典型的载货车用两级可调增压系统不同，轿车用增压系统还在低压级增压器上安装一个放气阀。
2004年BMW公司在世界轿车柴油机领域，首次把运用该原理的涡轮增压系统应用在其顶级的530d系列3.0L直列6缸共轨式直喷柴油机上，将发动机的比功率提高到67KW/L。
图4为该发动机双级串联式涡轮增压原理图，相对较小的高压级涡轮增压器确保尽快建立瞬时急需的增压压力，另外一台较大的低压级涡轮增压器则保证满足高标定工况的要求。
双极涡轮增压系统是运用小涡轮并联增压的一种形式，系统中的两个涡轮一个用于低转速时，并且始终运转，另外一个涡轮在高转速下运转。
图5为2007年上市的，由PSA集团、BMW公司与Honey-well共同研发的双极涡轮增压系统。在1300r/min时扭矩达到330Nm，在1500r/min扭矩达到370Nm，与前一代发动机相比燃油经济性提高25%，低转速时扭矩提高了50%以上。
而BMW公司在最新的3系列顶式轿车中采用了两个小涡轮装置，取代一个大的涡轮装置，则是另外一种形式的并联式涡轮增压系统，该系统每个涡轮对应三个气缸实施增压。
与传统的涡轮增压发动机相比，扭矩提升的更快，活顶式轿车的提速从0~100公里仅用5.5秒，带电子控制的最高时速达248Km/h。
在一个四缸柴油机中，与2.2L的原型涡轮增压系统相比扭矩提高了30%以上，燃油经济性更好，燃油经济性提高了5%~7%，在30～60Km/h的范围内，加速性能提高了20%以上。图6为装有美国盖尔公司生产的并行涡轮增压系统的V8发动机。
可变喷嘴涡轮增压技术（VNT）是近十年来发展起来的提高传统涡轮增压发动机低速扭矩的一项重要技术，图7为应用REA技术的可变喷嘴涡轮增压器，可变喷嘴环技术通过调节位于蜗壳与叶轮的喷嘴环角度，改变作用在涡轮叶片上的冲击力的大小。
低速时喷嘴角度变小，使流通截面变小，涡轮加速，高速时喷嘴角度增大，流通截面增大，能保证涡轮从废气获得的能量满足压气机达到预定空气压比的需要。
由于可调喷嘴环能很快调节喷嘴角度，使废气迅速进入涡轮叶轮内的通道，所以其动态响应特性比其它调节方式要好，同可变喷嘴截面涡轮增压技术一样。
可调喷嘴环用于增压器与内燃机的高速匹配，通过可调喷嘴环技术可改变或改善低速时的失配，在图2所示的Garrett公司应用的几种增压技术中。
VNT技术可以显著提高发动机的低速扭矩特性，一般低速扭矩可增升16%左右，图中表明，运用VNT技术的涡轮增压发动机，低速扭矩的提高仅次于电辅助增压发动机，另一方面VNT技术还可以进一步改善低速和高速工况下的燃油经济性及排放性。
可变涡轮喉口截面技术在不改变废气流量的前提下，改变废气进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。
如图8所示，低速低负荷时，增压器通过调节可变喉口截面调整板，使喉口截面变小，小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，作用涡轮叶片上的冲击力增大，涡轮加速，空气的增压压力得以提高，从而满足内燃机在低速小负荷运行的需要。
内燃机在高速大负荷时，喉口截面处于最大位置，排气背压达到最小值，可以保证涡轮在高速范围内运行。
可变喉口截面调整板是由类似于废气门的操纵机构，并由电控单元输出信号通过可变喉口截面控制阀控制。
电控单元的输出信号也是由爆震传感器、点火脉冲信号和进气压力信号等输入信号的综合因素确定。这种可变涡轮喉口截面积的变化是连续、无级的，通过改变增压器喉口截面，使发动机在高低速都能获得理想的供气。
旁通阀技术包括压气机旁通阀技术和废气放气阀技术几种形式，是为了解决低速匹配涡轮增压发动机在高速时出现的增压压力过高，增压器超速等问题而应用的技术。
与其它涡轮增压可控技术相比，具有结构简单，体积小，实现方便等优点，能够较为明显地提高涡轮增压发动机的低速性能（如图2所示），是解决涡轮增压发动机低速扭矩特性低的最简单及成本最低的方案之一。
其中带废气放气阀装置的涡轮增压器，已经成为涡轮增压器的一种标准型式，阀门关闭可以提高内燃机低速性能，降低排温以及排放；阀门开启可以限制发动机在大负荷状态下的增压器转速，以及最高转速状态下的发动机爆发压力。
REA技术即旋转电机执行器技术，该技术和可变喷嘴涡轮增压技术的应用紧密联系在一起，该技术突破了早期的气动控制装置，通过旋转电机对叶片位置的控制，实现对增压压力和涡轮转速的更优控制。
通过发动机EMU中的PWM信号或者CAN通信接受和发送即时指令，由于带有可靠、无连接的位置传感器，REA的可靠性比传统的VNT更高，而且其反应速度比真空气源要更快。
作为REA技术的一部分，美国的盖瑞特公司开发了CAN总线接口，与PWM模式相比，是一个较大的进步。
通过这项技术可以对叶片的实际位置做出反应，实现更精确的控制，采用该技术可以更有效地采用VNT技术，进一步改善涡轮增压发动机的低速扭矩性能。
现代车用涡轮增压器大都采用出现于20世纪60年代的浮动轴承，浮动轴承实际上是套在轴上的浮动环，环与轴以及环与轴承座之间都有间隙，形成两层油膜。
工作时，轴承本身也转动，浮动轴承的优点很明显：尺寸小、结构简单、磨损小、效率高。
但是新型涡轮增压器轴承的使用，可以进一步有效地减少效率损失和结构可靠性，减小摩擦力，提高响应速度，进一步提高涡轮增压发动机的低速扭矩。
新型涡轮增压器轴承可以在原来浮动轴承的基础上采用新材料，或开发新的滚动轴承和空气轴承技术。
最新浮动轴承材料采用无磨擦力碳，其磨擦系数0.001，是现今磨擦系数最小的二硫化钼的1/20左右，可以有效地减小摩擦损失。
而采用滚动轴承也可以有较大的优势，日本IHI在其RHB5等多种型号增压器上采用了滚动轴承，其机械效率可达95%以上。
在小型增压器上用滚动轴承代替浮动轴承，增压器总效率可提高5%～7%，在小流量时甚至可提高20%，可大大改善车用发动机的低速扭矩性能；另外由于轴承中摩擦小，使得增压器转子转动非常灵活，可显著改善增压器的动态特性。
而效率更高且无需润滑油系统的空气轴承，吸引人们进行更深入的研究，预计不久会有新的产品问世。
美国Garrett公司在部分产品上采用空气轴承技术，增压器轴的方向可以任意布置，开创增压器润滑方式的革新，同时近几年小型增压器的中间体轴承部位，采用水冷结构的设计也逐渐增多，轿车用的小增压器几乎全部采用水冷结构。
此外在中间体内轴承壳体采用铝合金制成，表面内孔采用发动机润滑油路的机油进行喷射冷却，切向供给润滑油可使浮动衬套的转速降低约20％，即机械损失减小20％左右，这样可以进一步提高涡轮增压内燃机的低速扭矩性能。
通过采用辅助增压技术、利用小涡轮技术、应用柔性技术、以及使用先进的轴承技术、改善润滑条件等方式，涡轮增压内燃机的低速扭矩特性得到较好的提高，其中辅助增压技术提高涡轮增压内燃机的低速扭矩效果比较明显。
随着电控技术的进一步发展，“柔性技术”会得到更广泛的应用，而采用先进的轴承技术、改善润滑条件也能在一定程度上提高发动机的低速扭矩特性。
提高涡轮增压发动机低速扭矩性能的技术措施，不是单独应用在涡轮增压发动机上的，它们共同应用，进行涡轮增压器的匹配，能够更好地改善涡轮增压发动机的低速扭矩特性。
随着电控技术、加工制造技术、材料技术等新技术和一些增压新理论的应用，涡轮增压内燃机低速扭矩性能差的问题会得到进一步改善。
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