柴油機渦輪增壓系統研究現狀與進展

段莉芹

摘 要：本文通過對柴油機渦輪增壓系統的構成和主要優缺點進行分析，同時對未來柴油機增壓系統的發展趨勢做出一定的展望。

關鍵詞：渦輪增壓系統；研究現狀；發展趨勢

中圖分類號：TK421 文獻標識碼：A

渦輪增壓自20世紀初期被發明以來，不僅極大地推動了內燃機的技術改革，而且使柴油發動機的性能有了突飛猛進的提高。歷史和實踐經驗證明，利用渦輪增壓系統提高柴油機能源利用率是最為有效和經濟的方式，因此渦輪增壓技術是現今及未來很長一段時間內相關學者們研究的重點內容。

1.柴油機渦輪增壓系統構成

1.1 結構特點及工作原理

柴油機在工作時產生的廢氣通過排氣歧管進入噴嘴環，噴嘴環會對廢氣進行加速，使其朝特定方向噴射，從而使渦輪進行高速旋轉；且渦輪的旋轉速度與廢氣自身的性質高度相關，如廢氣的壓力、溫度和速度等，通常呈正相關關系。接著，廢氣從渦輪直徑中心部位流出，通過排氣管和消聲器排出柴油機。壓氣機葉輪在柴油機工作時，會以渦輪的旋轉速度進行同步旋轉，把完成過濾步驟的新鮮空氣吸入壓氣機，空氣在經過高速旋轉的葉輪的加速和加壓過程后進入擴壓室。擴壓室內由于進口小出口大，空氣的流速被迫降低，壓力卻進一步增大；同時壓氣機外殼也在進一步增加空氣壓力，最終使空氣氣流壓力值達到180kPa～200kPa，經由進氣歧管流入氣缸。通過柴油機渦輪增壓系統，柴油機氣缸的噴油量將得到極大提升，這為柴油機更大的輸出功率和轉矩創造了條件。

1.2 主要優缺點

相比普通柴油機，具有渦輪增壓系統的柴油機的輸出功率和轉矩要高20%～100%，這就意味著小排量的柴油機通過加裝渦輪增壓系統，同樣可以達到大排量柴油機的輸出標準；并且這也意味著柴油機的質量將更輕，燃燒同樣柴油耗費的油量將更少，燃燒也將較為徹底，產生的污染物將更少，從而有利于實現節能減排，符合可持續發展觀念。同時，渦輪增壓系統是通過柴油機工作產生的廢氣來帶動工作的，因此并不會造成額外的功率消耗，符合企業的經濟性要求。

另一方面，渦輪增壓系統存在一定的渦輪遲滯缺陷。由于渦輪增壓器是依靠柴油機的排氣進行驅動的，因此一旦柴油機以低轉速進行工作，就很有可能無法驅動渦輪增壓器發揮作用。而一旦渦輪增壓器不工作或以較低的轉速進行工作時，渦輪增壓柴油機的表現甚至將不如同排量的自然吸氣柴油機，渦輪增壓系統的優越性將無法展現。并且，渦輪增壓器葉輪的慣性作用使其對油門的突然變化反應存在一定遲滯，容易出現加速后不能持續提升動力的情況。此外，由于渦輪增壓器的工作溫度介于400℃～650℃之間，因此對潤滑條件有較高的要求，并且高溫會對進氣溫度和充氣密度造成一定程度的影響，因此還需要對渦輪增壓器加裝冷卻器。

2.柴油機渦輪增壓系統發展趨勢

2.1 高工況放氣渦輪增壓系統

高工況放氣渦輪增壓系統能有效改善柴油機高速作業時出現的問題，這種方法應用帶旁通閥的增壓器，在柴油發動機最大扭矩點處設置放氣點，根據增壓壓力要求經過螺旋彈簧預先壓緊橡膠膜片，當增壓壓力超過彈簧的設定值時，自動打開放氣閥門，使渦輪四周的廢氣自動進入到排氣系統。高工況放氣渦輪增壓系統在國內發展前景良好，國外正在積極研發增壓壓力的電子控制系統，這種電子控制系統的彈簧預加負荷很低，可以根據增壓空氣的溫度、點火提前角和燃油特性等實施控制，不僅允許建立最佳部分負荷增壓壓力，而且還允許在加速期進行暫時的超高增壓，因此綜合來看，一旦這種電子控制系統研發成功，將更能適應柴油機的實際工況。

2.2 低工況進排氣旁通系統

當柴油機以較低速度作業時，經過增壓步驟的空氣將不進入氣缸，而選擇繞過氣缸直接進入渦輪的排氣管，通過這種方式，氣體流量得到增加，并且增壓壓力也得到大大提升，能夠避免當流量減少到一定程度時的發生的喘振現象，從而改善當柴油發動機低速作業時的工況性能。如果能充分利用廢氣的余熱加熱旁通的空氣，將得到更好的效果。德國MTU16V 396型柴油機就采用了低工況進排氣旁通系統，但是此對此系統進行控制調節并不十分方便，因此沒有得到普遍應用，通常只應用于大功率高增壓的柴油機。

2.3 電動放氣渦輪增壓系統

電動放氣渦輪增壓系統可以有效解決渦輪的遲滯現象。電動放氣渦輪系統將電機與帶旁通閥增壓器的轉子部件連接起來，當排出的廢氣能量不足以驅動渦輪時，借助于電機來實現加速，從而保證柴油發動機的充氣量。在渦輪增壓器能夠獨立工作滿足發電機的充氣需求時，電機與供電系統呈斷開狀態。當柴油機處于高速工況的時候，經由放氣閥放走的剩余的廢氣被轉化電能，反向輸送給電路中需要的部位。電動放氣渦輪增壓系統可以在低速運轉時極大地優化發動機的特性，一定程度上降低發動機啟動過程中的有害氣體排放，解決渦輪滯后現象，降低油耗。

2.4 可變幾何截面渦輪增壓系統

可變幾何截面渦輪增壓系統的工作原理是通過改變渦輪的葉片角度、有效渦輪面積和轉子的燃氣進口角來實現對渦輪可用能量的控制。當發動機進行低速運轉時，可以通過該系統對有效渦輪面積進行調節，從而優化廢氣能量的利用度；當發動機進行加速運轉時，通過調節渦輪有效面積同樣能保證在短時間內為柴油機提供充足的進氣量，優化渦輪的加速性能。目前，可變幾何截面渦輪增壓系統在美國、日本和歐洲等多個國家已經得到了廣泛的應用。

3.渦輪增壓系統的試驗與應用

筆者在此將在12VPA6-280型柴油機上進行實驗，采用MPC相繼增壓系統詳細說明裝有相繼渦輪增壓系統的柴油機和標準型柴油機之間的差別。

在相繼增壓系統中，至少要有兩臺增壓器，標況下柴油機的每臺增壓器都處于高效率區進行工作，部分工況時則通過減少增壓器的投入使用量，從而保持投入使用的增壓器依舊在高效率區進行工作，從而使柴油機不論在何種工況都能以較高的功率良好運行。相繼增壓渦輪柴油機和標準型柴油機主要參數對照表見表1。

實驗證明，具有相繼增壓系統的柴油機相比于標準型柴油機，部分性能有了顯著提升，運行范圍得到擴大，能夠更好地滿足生產的需求。

結語

柴油機性能的進一步提升離不開對渦輪增壓技術的全面研究。筆者推測，今后我國學者關于柴油機渦輪增壓技術的研究將以未來的廢氣排放法規要求為藍本，著重致力于開發能進一步降低油耗和減少碳排放的相關技術。

參考文獻

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[2]楊世友，顧宏中，郭中朝.柴油機渦輪增壓系統研究現狀與進展[J].柴油機，2011（4）：11-15.