汽车节能技术研究

汽车节能技术研究内容摘要：

台涡轮机和一台压气机组成的或几台涡轮增压器并联的涡轮增压叫单级涡轮增压，多用于中、小型柴油机。 小型柴油机、汽油机一般用径流式涡轮、离心式压气机；二级涡轮增压：空气经两台串联的涡轮增压器压缩后进入发动机，这类增压系统称为二级涡轮增压。 （ 2） 增压器 涡轮增压器主要由涡轮和压气机组成。 发动机排气经排气管进入涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至发动机进气管。 （ 3） 中冷器 在增压柴油机为降低进入汽缸的空气温度、增加空气密度、减少排放 ，使增压后的空气先在中间冷却器中冷却，再进入气缸，称为增压中冷。 增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低以及机械负荷增加不多的前提下，较大幅度地提高柴油机功率，还可提高发动机的经济性、降低排放、节省能源。 为了反映中间冷却程度，通常用中冷度来表示，即中冷器前后空气温度差与中冷器前空气温度的比值。 目前采用的中冷器都属错流外冷间壁式冷却方式，根据冷却介质的不同，有水冷式和风冷式两大类。 水冷式冷却根据冷却水系的不同又分以下两种方式： 1）用柴油机冷却系的冷却水冷却。 这种冷却方式不需另设水路，结构简单柴油机冷 却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差因此，这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。 2）用独立的冷却水系冷却。 柴油机有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器。 这种冷却方式冷汽车 节能技术研究 第 12 页 共 28 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 却效果最好，在船用和固定用途柴油机中普遍应用。 风冷式冷却根据驱动冷却风扇的动力不同，可分为以下两种方式： 1）用柴油机曲轴驱动风扇。 这种方式适用于车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却 风扇与汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。 车用柴油机普遍采用这种冷却方式，但在低负荷时易出现充气过冷现象。 2）用压缩空气涡轮驱动风扇。 由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器。 由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮作功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。 由于增压压力随负荷变化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同负荷时的燃烧性能。 且其尺寸小，在车上安装方便，在运用车辆上也有应用。 （ 4） 排气能量的利用 目前生产的车用增压柴油机 中，几乎都采用排气涡轮增压系统，通过排气来驱动涡轮增压器工作，从而吸收排气能量来实现增压的目的。 排气的最大可用能 E 由三部分组成： ① 排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作上午功 Eb； ② 活塞推出排气，排气得到的能量 Ec； ③ 扫气空气所具有的能量 Es。 排气门前排气具有的能量，在流经排气门、气缸盖排气道、排气歧管、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失 ΔE包括如下几个方面： ΔE=ΔEv+ΔEc+ΔEd+ΔEm+ΔEf+ΔEh （ 24） 式中 Δ Ev—流经排气门出的节流损失； ΔEc—流经各种缩口处的节流损失 ； ΔEd—管道面积突扩时的流动损失 ； ΔEm—不同参数气流 掺混和撞击形成的损失 ； ΔEf—由于气体的粘性而形成的摩擦损失； ΔEh—气流向外界散热所形成的能量损失。 这些损失直接影响着排气能量可被涡轮回收的程度，是排气涡轮增压柴油机排气管设计和改进时所必须关注的重要方面。 ΔEv 是能量传递中的主要损失，约占总损失的 60%—70%。 尤其是在初期汽车 节能技术研究 第 13 页 共 28 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 排气，气缸中高压高温气体流出时，因排 气管中压力低而形成超临界流动，所以减少这部分节流损失对提高排气中能量的利用率是很重要的。 在设计中，应使排气门后的通流面积尽可能大（一般采用四气门结构）、开启速度尽可能快，以使排气很快流出，排气门后的压力 Pr 很快升高，从而减少节流损失。 另外，排气管容积不应太大，排气管要细而短。 当在结构上受限制时做得 “细而长 ”比 “粗而短 ”要好。 在排气初期，大量排气涌入较细长的歧管中，形成 “堵塞 ”，很快在排气门后建立起较高的压力波峰，减小排气门前后压差，从而大大减少节流损失，并把气体所具有的较大速度在歧管中保持下来并传送到涡轮 ，提高了对排气动能的利用率。 由于歧管中流速高而使摩擦损失加大，但其他损失减小，所以总起来说，它的能量传递效率较高。 细而长的排气管不仅能够使排气门后的压力 Pr 在排气初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排挤功减少，并有利于扫气。 （ 5） 增压器和发动机的匹配 以单级涡轮增压系统为例，根据质量守恒定律，在这个增压系统中，压气机所提供的空气正好等于柴油机所需的空气量。 因此，在稳定工况下，压气机提供的增压压力等于柴油机所需的增压压力。 因此，可在压气机特性曲线图上，将该工况下以增压比 ∏b 和空气流量 qmb 为表征的增压器好柴油机联合运行点确定下来。 这样，当柴油机按某一特性运行时的所有工况点都可在压气机特性曲线上确定下来。 如果高增压柴油机主要是在高速、高负荷下运转，则必须把增压器的高效率运转区域设计得广一些。 车用柴油机低转速工况要求较苛刻，不仅以外特性运转，而且转矩的适应性系数高，所以增压器的高效率区域选在柴油机转速较低的地方，这样做即使在标定工况时性能稍差一些也是值得的。 对于超高增压柴油机，低工况性能更为突出。 因此，在选配涡轮增压器时，除了要进行变工况运行的配合性能计算外，还必须进行样机的配合调整实验，以满 足各方面的要求。 （ 6） 可变涡轮增压 在柴油机进行正常设计和经过估算及性能模拟计算来选配涡轮增压器后，一般在配合性能上不会出现太大偏差。 但对于车用柴油机，如果增压系统满足高速时增压适量的要求，则在低速时供气就会不足；如果满足低速时的供气量，汽车 节能技术研究 第 14 页 共 28 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 则在高速时就可能增压过量。 因此，必须采取一些措施，才能弥补其高低工况不能同时满足较佳匹配的矛盾。 对于车用高速柴油机及某些超高增压中速柴油机，为了改进低工况性能，可采用高速时放气的措施，但高工况经济性不好。 近年来，发展了一种可变涡轮喷嘴环出口截面的涡轮增压器，简称变截面涡 轮增压器。 在发动机低速时，让喷嘴环出口截面积自动减小，使得流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量加大；在高速时，让喷嘴环出口截面积增大，增压器转速相对减小，增压压力降低，增压不过量。 采用变截面涡轮的优点是： ① 在不损害高转速经济性的条件下，增大低速转矩； ② 扩大了低油耗率的运行区； ③ 使柴油机的加速性能提高； ④ 可以满足要求越来越高的排放和噪声规范等。 但要使可变截面涡轮达到实用化，必须满足： ① 从涡轮调节结构往外漏气应尽可能少，且当喷嘴面积改变、使气流流向偏离时，不致使涡轮效率降低过多； ② 结构 及操作系统简单，操作方便； ③ 所有结构操作系统具有较高的可靠性等。 车用发动机大多用径流涡轮增压器，这给采用可变截面涡轮增压器带来方便。 在有叶径流涡轮的情况下，可以采用改变喷嘴叶片安装角度的方法来改变喷嘴环出口截面积。 如 图 为一变截面多叶片可变喷嘴增压器三维示意图。 图 变截面多叶片可变喷油嘴增压器 喷嘴环截面积大小及档数是由实际运转要求确定的，在最大转矩时，增压压力最高。 控制器（ ECU）根据发动机转速、喷油泵齿条位移（相当于负荷）、水温和增压压力等信号对压力控制调节阀的开启和关闭时间比（负荷比 ）进行调节，从而控制真空泵产生的负压。 可以根据发动机工况的最佳负荷比图谱预汽车 节能技术研究 第 15 页 共 28 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 先输入到控制器中。 控制器与电控柴油喷射系统的控制器也可互相通讯。 由于采用可变喷嘴涡轮增压器，在低速时可变喷嘴涡轮增压器处于小喷嘴开度，增压压力可提高，因此大大改善了低速工况性能。 由于采用了可变截面涡轮增压器，使柴油机加速、负荷特性都得到改善。 整机稳态及瞬态性能改进，低油耗区域扩大，转矩储备系数加大。 （ 7） 增压器的瞬态性能 柴油机瞬态特性是在变速或负荷情况下柴油机的性能。 涡轮增压柴油机不像非增压柴油机那样很快响应负荷和转速的突然变化。 在加速、加负荷过程中，空气流量与加油量变化速率之间的差异导致了燃烧空气系数低于极限值。 因此，涡轮增压柴油机瞬态响应特性较差的决定因素是供气量。 供气量比供油量的时间滞后，其原因是多方面的。 燃油入气缸燃烧后，气体能量增加，而涡轮得到的能量增加显然要滞后一些，因为在排气门开启之间气体的能量不可能影响涡轮；在排气门开启以后，由于排气管中气体的可压缩性，也得经过几个工作循环，排气管中的气体压力才能逐步上升，涡轮得到的能量才能不断增加。 另外，由于涡轮的功率比压气机的功率大而使涡轮增压器的转速增加，但涡轮增压器转子具 有一定的转动惯量，要加速转子的旋转速度也需消耗一部分能量，这也是其瞬态响应滞后的另一个重要原因。 再者，增压器的旋转速度不断上升才能使增压压力不断提高，但由于进气管具有一定的容积，这就使增压压力只能逐步提高。 只有当增压压力提高后，才能增大进入气缸的供气量。 这些因素都将使供气量滞后。 当然，发动机响应快慢还与发动机运动件的转动惯量有关，若希望加速性能好，则希望发动机转动惯量尽可能小。 改善增压柴油机瞬态特性的根本措施是使增压压力更快地提高，冲入气缸的空气量更快增加。 尽量减小进气管和排气管的容积，在加速或加负荷过程 中，使其中气体压力较快增大，响应速度加快，因此变压系统比定压系统响应速度快；在低工况运行时减小涡轮通流面积，若从低工况到高工况时涡轮通流面积小，则将使排气管中的压力更快上升，涡轮功率增加较快，使增压压力更快上升，从而改善瞬态特性。 可变进气技术 （ 1） 可变进气涡流系统 通常，进气道是根据发动机在标定工况或最大转矩工况下的性能要求进行汽车 节能技术研究 第 16 页 共 28 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 设计的，并制成树脂气道模型后在稳流气道试验台上测量涡流强度和流量系数，经过多次试验修改后定型，投入生产。 这样的气道，其性能只在某个转速附近能达到最佳，而进气涡流强度。