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。

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文 |夙夜玖歌

编纂 |夙夜玖歌

前言

涡轮增压器和柴油机匹配时，因为活塞式动员机和叶片式增压器的气体流通特征分歧，它们只能在必定事情规模内有最佳的匹配特征，而车用动员机负载和转速变化频仍，在整个事情规模内，要求涡轮增压器与柴油机有优越的匹配机能。

但当动员机在低转速事情时，压气机提供的增压空气的压力低落，动员机进宇量削减，空燃比失调，使动员机排放环境恶化，输出转矩低落。

是以，动员机必需采取步伐增年夜动员机在低速时的进宇量，即便增压器的匹配点选在低速工况以得到最年夜转矩，但动员机在高速时也应采取步伐防止增压器超速，为此我们开端研讨有哪些技术可以满意以上需求。

采取辅助增压步伐

起首，涡轮增压器在低转速时增压后果不显著，动员机扭力输出要比一致排量的天然吸气式动员机还要弱；机器增压动员机只管高转速时功率输出有限，但有助于低转速时的扭力输出，两者联合起来很好地办理了涡轮增压动员机在低速时增压不敷的问题。

然则复合增压布局较为繁杂，同时机器增压装配仍会耗费部门动员机的功，相比其它技术的实现，必要占用较多的空间。

2005年，年夜众开端将这套技术利用到量产的平易近用车型高尔夫1.4TSI上，这套体系被称作“双增压”，统筹了低速扭力输出和高速功率输出。

在低转速时，由机器增压提供年夜部门的增压压力，在1500r/min时，两个增压器同时提供增压压力，其总增压值到达0.25MPa（假如涡轮增压器零丁事情，只能发生0.13MPa的增压压力）。

跟着转速的进步，涡轮增压器能使动员机得到更年夜的功率，与此同时，机器增压器的增压压力逐渐低落。

机器增压经由过程电磁聚散器节制，在转速跨越3500r/min时，由涡轮增压器提供所有的增压压力，此时机器增压器在电磁聚散器的作用下完全与动员机分别，防止耗费动员机功率。

动员机在低速运转的环境下或在过渡工况下，可以采纳电辅助增压的方式，来进步增压动员机的低速扭矩机能，电辅助增压器的电源可所以蓄电池或交流发电机。

图1是美国底特律柴油机厂研讨用的电辅助涡轮增压体系，在低速时该体系用电池组为增压器提供动力，动员机在高速工况事情时，动员机的废宇量增长，辅助电机可应用增压器发生的部门动力，变为发电机为蓄电池供电。

图1

图2是多种涡轮增压方式低速扭矩机能比拟图，由图2可见：电辅助增压技术可以明显地进步涡轮增压动员机的低速扭矩。

与年夜涡轮相比，小涡轮的转动惯量小，动态相应特征好，具有更好的加快机能，可以或许得到较好的低速扭矩机能。

图2

图3注解与安装年夜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征较好，增压空气压力、扭矩、均匀有用功率都较高，而燃油耗费率有所降落。

也恰是因为高速小型涡轮增压器，在加快性和低速机能方面的凸起长处，它在车用内燃机分外是在汽油机上获得普遍利用，在V型多缸内燃机上也优先采纳两个小型增压器取代一个年夜增压器。

图3

减小涡轮转动惯量，运用小涡轮技术

应用新的涡轮制作资料，减轻涡轮质量是减小涡轮增压器的转动惯量，进步其低速扭矩的一条步伐，铝钛合金作为一种新型的高温资料，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年夜幅低落其转动惯量，进步其动态相应性，进步涡轮增压动员机低速扭矩。

MHI公司开发出了运用铝钛合金涡轮制作技术的TD05涡轮增压器，同以镍基高温合金为制作资料的涡轮增压器相比其相应性获得较年夜的进步，在到达要求0.05MPa的增压下，相应光阴削减了0.2s。

同时其耐温性、靠得住性也获得了分歧水平的进步，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，因为陶瓷资料重量轻、耐热性好，陶瓷资料是制作涡轮的一个优越的选择。

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%，加快光阴缩短36%，低速扭矩特征也获得较年夜的进步。

为办理涡轮增压动员机低速扭矩不敷的问题，Borgwarner公司为轿车和载货车用动员机开发了两级可调涡轮增压体系，由一台年夜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构成。

此中高压级涡轮增压器采取了带放气阀的涡轮增压技术，对付约1500r/min以下低转速来说，险些端赖高压涡轮发生增压压力，此时放气阀险些完全封闭，在中等转速两个增压器串联起来事情。

一旦到达增压压力，一部门废气就可以经由过程放气阀绕过高压涡轮，与典型的载货车用两级可调增压体系分歧，轿车用增压体系还在低压级增压器上安装一个放气阀。

2004年BMW公司活着界轿车柴油机范畴，初次把运用该原理的涡轮增压体系利用在其顶级的530d系列3.0L直列6缸共轨式直喷柴油机上，将动员机的比功率进步到67KW/L。

直列6缸共轨式直喷柴油机

图4为该动员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树立瞬时急需的增压压力，另外一台较年夜的低压级涡轮增压器则保证满意高标定工况的要求。

图4

双极涡轮增压体系是运用小涡轮并联增压的一种情势，体系中的两个涡轮一个用于低转速时，而且始终运转，另外一个涡轮在高转速下运转。

图5为2007年上市的，由PSA团体、BMW公司与Honey-well配合研发的双极涡轮增压体系。在1300r/min时扭矩到达330Nm，在1500r/min扭矩到达370Nm，与前一代动员机相比燃油经济性进步25%，低转速时扭矩进步了50%以上。

图5

而BMW公司在最新的3系列顶式轿车中采纳了两个小涡轮装配，代替一个年夜的涡轮装配，则是另外一种情势的并联式涡轮增压体系，该体系每个涡轮对应三个气缸实施增压。

与传统的涡轮增压动员机相比，扭矩晋升的更快，活顶式轿车的提速从0~100公里仅用5.5秒，带电子节制的最高时速达248Km/h。

在一个四缸柴油机中，与2.2L的原型涡轮增压体系相比扭矩进步了30%以上，燃油经济性更好，燃油经济性进步了5%~7%，在30～60Km/h的规模内，加快机能进步了20%以上。图6为装有美国盖尔公司临盆的并行涡轮增压体系的V8动员机。

图6

采纳柔性技术，转变增压匹配点

可变喷嘴涡轮增压技术（VNT）是近十年来成长起来的进步传统涡轮增压动员机低速扭矩的一项紧张技术，图7为利用REA技术的可变喷嘴涡轮增压器，可变喷嘴环技术经由过程调节位于蜗壳与叶轮的喷嘴环角度，转变作用在涡轮叶片上的冲击力的年夜小。

图7

低速时喷嘴角度变小，使流通截面变小，涡轮加快，高速时喷嘴角度增年夜，流通截面增年夜，能保证涡轮从废气得到的能量满意压气机到达预定空气压比的必要。

因为可调喷嘴环能很快调节喷嘴角度，使废气敏捷进入涡轮叶轮内的通道，以是其动态相应特征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，经由过程可调喷嘴环技术可转变或改善低速时的失配，在图2所示的Garrett公司利用的几种增压技术中。

VNT技术可以明显进步动员机的低速扭矩特征，一样平常低速扭矩可增升16%左右，图中注解，运用VNT技术的涡轮增压动员机，低速扭矩的进步仅次于电辅助增压动员机，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。

VNT剖解图

可变涡轮喉口截面技术在不转变废气流量的条件下，转变废气进入涡轮的状况参数，从而转变从废气中获取能量的年夜小。

如图8所示，低速低负荷时，增压器经由过程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快，作用涡轮叶片上的冲击力增年夜，涡轮加快，空气的增压压力得以进步，从而满意内燃机在低速小负荷运行的必要。

图8

内燃机在高速年夜负荷时，喉口截面处于最年夜地位，排气背压到达最小值，可以保证涡轮在高速规模内运行。

可变喉口截面调整板是由相似于废气门的把持机构，并由电控单位输出旌旗灯号经由过程可变喉口截面节制阀节制。

电控单位的输出旌旗灯号也是由爆震传感器、焚烧脉冲旌旗灯号和进气压力旌旗灯号等输入旌旗灯号的综合因素肯定。这种可变涡轮喉口截面积的变化是持续、无级的，经由过程转变增压器喉口截面，使动员机在高下速都能得到抱负的供气。

旁通阀技术包含压气机旁通阀技术和废气放气阀技术几种情势，是为相识决低速匹配涡轮增压动员机在高速时呈现的增压压力过高，增压器超速等问题而利用的技术。

与其它涡轮增压可控技术相比，具有布局简单，体积小，实现便利等长处，可以或许较为显著地进步涡轮增压动员机的低速机能（如图2所示），是办理涡轮增压动员机低速扭矩特征低的最简单及本钱最低的计划之一。

此中带废气放气阀装配的涡轮增压器，已经成为涡轮增压器的一种尺度型式，阀门封闭可以进步内燃机低速机能，低落排温以及排放；阀门开启可以限定动员机在年夜负荷状况下的增压器转速，以及最高转速状况下的动员机爆发压力。

REA技术即扭转电机执行器技术，该技术和可变喷嘴涡轮增压技术的利用慎密接洽在一路，该技术突破了早期的气动节制装配，经由过程扭转电机对叶片地位的节制，实现对增压压力和涡轮转速的更优节制。

经由过程动员机EMU中的PWM旌旗灯号或者CAN通讯接受和发送即时指令，因为带有靠得住、无衔接的地位传感器，REA的靠得住性比传统的VNT更高，并且其反响速率比真空气源要更快。

作为REA技术的一部门，美国的盖瑞特公司开发了CAN总线接口，与PWM模式相比，是一个较年夜的提高。

经由过程这项技术可以对叶片的现实地位做出反响，实现更准确的节制，采纳该技术可以更有用地采纳VNT技术，进一步改善涡轮增压动员机的低速扭矩机能。

除了以上技术以外，研发新的轴承也能办理我们研讨的问题。

RPA技术

研发新轴承，改善润滑前提，减小摩擦阻力

当代车用涡轮增压器年夜都采纳呈现于20世纪60年月的浮动轴承，浮动轴承现实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。

事情时，轴承自己也转动，浮动轴承的长处很显著：尺寸小、布局简单、磨损小、效力高。

当代车用涡轮增压器

然则新型涡轮增压器轴承的使用，可以进一步有用地削减效力损失和布局靠得住性，减小摩擦力，进步相应速率，进一步进步涡轮增压动员机的低速扭矩。

新型涡轮增压器轴承可以在本来浮动轴承的根基上采纳新资料，或开发新的滚动轴承和空气轴承技术。

最新浮动轴承资料采纳无磨擦力碳，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，可以有用地减小摩擦损失。

而采纳滚动轴承也可以有较年夜的上风，日本IHI在其RHB5等多种型号增压器上采纳了滚动轴承，其机器效力可达95%以上。

在小型增压器上用滚动轴承取代浮动轴承，增压器总效力可进步5%～7%，在小流量时乃至可进步20%，可年夜年夜改善车用动员机的低速扭矩机能；另外因为轴承中摩擦小，使得增压器转子转动异常机动，可明显改善增压器的动态特征。

而效力更高且无需润滑油体系的空气轴承，吸惹人们进行更深刻的研讨，预计不久会有新的产物问世。

美国Garrett公司在部门产物上采纳空气轴承技术，增压器轴的偏向可以随意率性布置，创始增压器润滑方式的革新，同时近几年小型增压器的中央体轴承部位，采纳水冷布局的设计也逐渐增多，轿车用的小增压器险些全体采纳水冷布局。

此外在中央体内轴承壳体采纳铝合金制成，外面内孔采纳动员机润滑油路的机油进行喷射冷却，切向供应润滑油可使浮动衬套的转速低落约20％，即机器损失减小20％左右，如许可以进一步进步涡轮增压内燃机的低速扭矩机能。

结论

经由过程采纳辅助增压技术、应用小涡轮技术、利用柔性技术、以及使用先进的轴承技术、改善润滑前提等方式，涡轮增压内燃机的低速扭矩特征获得较好的进步，此中辅助增压技术进步涡轮增压内燃机的低速扭矩后果比拟显著。

跟着电控技术的进一步成长，“柔性技术”会获得更普遍的利用，而采纳先进的轴承技术、改善润滑前提也能在必定水平上进步动员机的低速扭矩特征。

进步涡轮增压动员机低速扭矩机能的技术步伐，不是零丁利用在涡轮增压动员机上的，它们配合利用，进行涡轮增压器的匹配，可以或许更好地改善涡轮增压动员机的低速扭矩特征。

跟着电控技术、加工制作技术、资料技术等新技术和一些增压新理论的利用，涡轮增压内燃机低速扭矩机能差的问题会获得进一步改善。