發動機渦輪增壓中冷技術對排放的影響

馬赫+吳陽

摘 要：渦輪增壓技術由渦輪和壓氣機兩個主要部件組成的增壓器來進行增壓工作。對于增壓壓力較高的中、高增壓發動機，一般需裝置中間冷卻器，以提高進氣密度。分析表明渦輪增壓及增壓中冷技術對降低發動機排放起著重要作用。

關鍵詞：發動機；功率提升；排放控制

發動機渦輪增壓技術主要作用是提高發動機功率、降低燃油消耗，同時渦輪增壓中冷技術對降低發動機排放起到十分重要的作用。增壓技術的發展主要歸結于渦輪增壓技術。

一、渦輪增壓器的組成及工作原理

（一）組成部件及關鍵零件

渦輪增壓器由渦輪和壓氣機兩個主要部件以及軸承與密封裝置、潤滑與冷卻系統所組成。渦輪增壓器安裝在發動機的進排氣歧管上，處在高溫、高壓和高速運轉的工作狀況下，因此對部件材料和加工技術都要求很高。

（二）工作原理

渦輪增壓器利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪帶動同軸的葉輪，葉輪再壓送由空氣濾清器管道進來的空氣，使之增壓或者增壓冷卻進入氣缸。當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，提高了充入氣缸的空氣密度，可以有更多的燃料進入氣缸進行充分燃燒。達到提高平均有效壓力，提升功率，改善經濟性和降低污染的目的。

二、與其它增壓器的比較

渦輪增壓器最明顯的是“滯后響應”，即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，使發動機延遲增加或減少輸出功率。目前除渦輪增壓以外，應用較普遍的是機械增壓。機械增壓是指增壓器由發動機直接驅動，二者之間的轉速比一般固定不變，具有較快的響應性，加速線性化。但其靠發動機驅動力，需消耗動力。

三、中間冷卻器的作用

對于增壓壓力較高的中、高增壓發動機，一般需裝置中間冷卻器，這是因為渦輪增壓器吸進的空氣經壓縮溫度會升高，空氣在流動過程中與進氣管壁摩擦還會進一步升溫。發動機的有效功率N與充入氣缸的氣體密度ρ成正比，密度越大，功率越大，增壓空氣密度ρ由氣體狀態方程決定。即：ρ=P/RT（kg/m3）式中：P—增壓壓力，Pa（絕對壓力）；T—增壓時空氣絕對溫度，K；R—氣體常數（287.14J/kg.K）。增壓發動機功率大小與增壓壓力P成正比，與增壓空氣溫度T成反比。只有當空氣溫度T保持不變的條件下，發動機的有效功率N才與P成線性關系。

四、渦輪增壓及增壓中冷技術對降低排放分析

發動機的排放污染物主要有CO、HC、NOX和微粒物等。此外，由于溫室效應引起全球變暖的問題，CO2的排放量也受到限制。采用渦輪增壓和增壓中冷技術可降低其排放值。

（一）一氧化碳（CO）

發動機中CO是燃料不完全燃燒的產物，主要是在局部缺氧或低溫下形成的。采用渦輪增壓后，可供燃燒的空氣增多，并且增壓發動機大多數工況負荷較大，缸內溫度能保證燃料更充分燃燒，CO排放可進一步降低。

（二）碳氫化合物（HC）

發動機排氣中的HC是主要由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中間化合物所組成；小部分HC是由潤滑油生成的。增壓時，由于進氣密度增加，可以改善油束的形成、提高燃油霧化質量，減少沉積于燃燒室壁面上的燃油，增壓還使發動機燃燒整個循環的平均介質溫度升高，氧化反應速率大，未燃HC排放降低。

（三）氮氧化物（NOx）

發動機中氮氧化物的主要成分NO的生成取決于氧的濃度、溫度及反應時間等。降低NO的措施是以降低火焰溫度、氧濃度及高溫下停留時間為目標。如果只簡單采用增壓措施，可能會因為過量空氣系數增大和燃燒溫度的升高而導致NOX增加。采用進氣中冷技術降低進氣溫度，可降低增壓發動機NOX排放，進氣充量溫度降低，燃燒溫度可以得到有效控制，有利于NOX的減少。實際應用中，發動機增壓時采用減小壓縮比、推遲噴油定時等措施來減小熱負荷、降低最高燃燒溫度。壓縮比的減小可以降低壓縮終了的介質溫度從而降低燃燒火焰溫度；推遲噴油定時，可以縮短滯燃期，減少油束稀薄火焰區的燃料蒸發和混合，降低最高燃燒溫度。為減少噴油定時導致的后燃期過長的問題，須增大供油速率，縮短噴油時間，以加快燃燒速率，縮短燃燒時間。

（四）微粒物（PM）

影響發動機微粒物生成的原因較復雜，其主要因素是過量空氣系數、燃油霧化質量、噴油速率、燃燒過程和燃油質量等。此外，發動機機內凈化降低NOX的措施通常會帶來PM增加。增壓發動機，特別是采用高增壓壓比和空—空中冷技術后，可顯著增大進氣密度，增加缸內可用的空氣量。如同時采用高壓燃油噴射、共軌電控噴射、低排放燃燒室和中心噴嘴四氣閥技術，并提高燃油霧化質量，改善燃燒過程，則可有效地控制PM排放。

五、結語

廢氣渦輪增壓及中冷技術的應用大大提高了發動機的動力性，改善了燃油經濟性，并且還對有害物的排放、環境保護等方面起到了重要作用。隨著渦輪增壓器技術和其他先進發動機技術的進一步發展，發動機將會成為真正的低能耗、高環保性的動力。

參考文獻：

[1]焦高榮.王斌.發動機渦輪增壓器的結構和原理[J].內燃機，2007（3）：26-27.

[2]魏蔚.發動機排氣污染的分析及其控制技術[J].西安科技學院學報，2003，23（3）：328-330.

[3]王明華.內燃機節能手冊[M].北京：化學工業出版社，1987：207-298.