汽油發動機增壓技術和增壓壓力調節方法分析

摘 要：增壓技術在汽油發動機上的應用已經非常普遍，本文首先分析了發動機增壓的好處和發動機常用的增壓方式的結構和工作原理，然后圍繞常用的廢氣渦輪增壓技術，介紹了改善渦輪機的“渦輪遲滯”現象的方法和工作原理，并對各種方法的優劣勢進行了對比分析。

關鍵詞：發動機；增壓技術；機械增壓；廢氣渦輪增壓；壓力調節

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.007

1 引言

增壓是在發動機進氣過程中預先把空氣壓縮，然后再供入氣缸，以此提高進氣密度，增加進氣量的一項技術。

近幾年，小排量發動機增壓技術的市場化已經非常普遍。綜合來看，汽油發動機增壓的好處有：

（1）增壓可以通過增加發動機充氣效率進而提升發動機的功率。（2）增壓可以使發動機輕量化。（3）非增壓狀態下，可以提高汽車的燃油經濟性。在非增壓狀態下，汽車相當于使用小排量的發動機，比大排量的發動機要節省燃油。

2 汽油發動機常用的增壓方法分析

汽油發動機常用的增壓方法有機械增壓和廢氣渦輪增壓，其中又以廢氣渦輪增壓的使用最為普遍。

2.1 機械增壓

機械增壓是一種通過發動機曲軸直接驅動壓氣機，以提高發動機進氣壓力的增壓方式。如圖1所示。

2.2 廢氣渦輪增壓

廢氣渦輪增壓是將具有一定能量的由發動機排出的廢氣引入渦輪機，利用廢氣的能力推動渦輪機旋轉，由此驅動與渦輪同軸連接的壓氣機實現增壓。廢氣渦輪增壓器與發動機無機械連接。如圖2所示。

2.3 機械增壓和廢氣渦輪增壓的對比分析

如表1所示，機械增壓相比于廢氣渦輪增壓響應速度迅速，沒有延遲現象。機械增壓發動機的輸出是線性的，與自然吸氣發動機有著相似的動力提升曲線，沒有渦輪增壓在渦輪介入時的轉速突然提高的現象，可以使車子行駛起來更加平穩。但是機械增壓會消耗發動機的功率并且成本較高，因此現在汽油發動機更多地使用了廢氣渦輪增壓。

3 廢氣渦輪增壓的增壓壓力調節方法分析

為了改善廢氣渦輪增壓的“渦輪遲滯現象”，發動機上采取了很多方法。

3.1 使用小尺寸的輕質渦輪

為了提高發動機的低速性能，使用小尺寸的輕質渦輪。首先，小渦輪會擁有較小的轉動慣量，在發動機較低轉速下渦輪就能達到最佳的工作轉速，產生較大的進氣增壓壓力。但是使用小尺寸的輕質渦輪在發動機高速時則會產生過高的空氣壓力和流量，導致出現氣缸爆發壓力過高及增壓器超速的現象。因此，發動機上為了改善渦輪遲滯現象同時又避免增壓器超速現象常使用帶有廢氣旁通閥的渦輪增壓器。旁通閥的控制有機械和電子兩種控制方式。

3.1.1 機械控制旁通閥式渦輪增壓器

如圖3所示，使用了小尺寸的渦輪后，可以改善渦輪遲滯現象，同時把增壓后的氣體引入排氣旁通閥的膜片室，當增壓壓力大于膜片室彈簧力時，膜片推動連動桿下移，推開排氣旁通閥，如圖4所示，此時一部分廢氣不經過渦輪機就流入排氣尾管，有效避免了壓氣機超速的現象。

3.1.2 電子控制旁通閥式渦輪增壓器

排氣旁通閥的開閉由電控單元ECU控制的增壓壓力控制電磁閥操縱。電控單元ECU根據發動機的工況，由預存的增壓壓力脈譜圖確定目標增壓壓力，并與增壓壓力傳感器檢測到的實際增壓壓力進行比較，然后根據其差值來改變控制電磁閥開閉的脈沖信號占空比，以此改變電磁閥的開啟時間，控制氣動室右腔的氣體壓力進而改變排氣旁通閥的開度，控制排氣旁通量，借以精確地調節增壓壓力。

旁通閥式渦輪增壓器的缺點：

（1）排氣旁通閥打開，排氣旁通之后，排氣能量的利用率下降，致使在高速大負荷時發動機的燃油經濟性變差。

（2）旁通閥式渦輪增壓器在低轉速時，還是會出現增壓滯后的現象。

（3）當發動機轉速提高時，小渦輪由于排氣截面較小，會使排氣阻力增加（產生排氣回壓），因此發動機的功率和扭矩會受到一定的影響。

3.2 可變截面渦輪增壓VGT（Variable Geometry Turbocharger）技術

為了克服普通廢氣渦輪增壓器和旁通閥式渦輪增壓器的缺點，讓渦輪增壓發動機在高、低轉速下都能保證良好的增壓效果，取得既能避免渦輪遲滯，又可以獲得較大功率的雙重效果?？勺兘孛鏈u輪增壓VGT（Variable Geometry Turbocharger）技術便應運而生。

廢氣渦輪機中可調節的導向葉片能替代旁通，可調節的導向葉片控制廢氣流對渦輪的影響，導向葉片是通過真空調節器移動的。

VGT技術的核心部分就是可調渦流截面的導流葉片，渦輪的外側增加了一圈可由電子系統控制角度的若干個導流葉片，每個導流葉片的相對位置是固定的，但是葉片的角度可以控制和調整。

如圖6所示，導向葉片的軸部插在一個支撐盤內，在支撐盤背面，導向葉片的軸部有一個導向軸頸，每一個導向軸頸都卡在調整環內。所有導向葉片都能隨調整環轉動而同時且均勻地轉動。調整環由真空調節器控制桿的導向軸頸移動。

如圖7所示，當發動機低轉速、排氣壓力較低的時候，導流葉片打開的角度較小。根據流體力學原理，此時導入渦輪處的空氣流速就會加快，增大渦輪處的壓強，從而可以更容易推動渦輪轉動，增加渦輪的轉速，從而有效減輕渦輪遲滯的現象，也改善了發動機低轉速時的響應時間和加速能力。

如圖8所示，隨著發動機轉速的提升和排氣壓力的增加，葉片也逐漸增大打開的角度，在全負荷狀態下，葉片則保持全開的狀態，減小了排氣背壓，從而達到大渦輪的增壓效果。

由于改變葉片角度能夠對渦輪的轉速進行有效控制，這也就實現對渦輪的過載保護，因此使用了VGT技術的渦輪增壓器都不需要設置排氣旁通閥。

導流葉片角度控制閥為膜片式負壓執行器，它的動力源為真空泵。發動機控制單元接收各種傳感器信號，進行分析判斷，然后向控制導流葉片角度控制閥中的電磁閥發出控制信號，通過改變電磁閥的電路的導通和斷開的時間比（占空比），來改變閥芯移動的位置，如圖9所示，從而調節低壓箱左腔的真空度的大小。

4 結論

現在汽油發動機的增壓方式有機械增壓和廢氣渦輪增壓，應用最普遍的是廢氣渦輪增壓。但是由于廢氣渦輪增壓在發動機低轉速時，廢氣流速較慢，不足以驅動渦輪機，而使壓氣機的增壓效果不明顯。為了改善渦輪遲滯現象，就采用了小尺寸的輕質渦輪，以使廢氣在低流速時也能驅動渦輪機，但這種方法的缺陷是在發動機高速運轉時，壓氣機會超速運轉。因此必須設置排氣旁通閥，發動機高速運轉時，讓一部分廢氣不經渦輪機流出。改善渦輪遲滯現象，最為先進的方法是采用可變截面渦輪增壓VGT技術。這種技術可以隨著發動機轉速改變廢氣流經渦輪機的橫截面積大小，從而改變了廢氣流經渦輪機的流速大小，以此來控制增壓壓力。

參考文獻：

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[2]王占峰，黃平慧.雙流道渦輪增壓器對發動機性能的影響分析[J].現代車用動力，2016（01）.

作者簡介：李曉娜（1981-），女，河南安陽人，碩士，助教，主要從事汽車結構和汽車設計方面的教學和研究。endprint