汽油发动机增压技术和增压压力调节方法分析

摘 要：增压技术在汽油发动机上的应用已经非常普遍，本文首先分析了发动机增压的好处和发动机常用的增压方式的结构和工作原理，然后围绕常用的废气涡轮增压技术，介绍了改善涡轮机的“涡轮迟滞”现象的方法和工作原理，并对各种方法的优劣势进行了对比分析。

关键词：发动机；增压技术；机械增压；废气涡轮增压；压力调节

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

1 引言

增压是在发动机进气过程中预先把空气压缩，然后再供入气缸，以此提高进气密度，增加进气量的一项技术。

近几年，小排量发动機增压技术的市场化已经非常普遍。综合来看，汽油发动机增压的好处有：

（1）增压可以通过增加发动机充气效率进而提升发动机的功率。（2）增压可以使发动机轻量化。（3）非增压状态下，可以提高汽车的燃油经济性。在非增压状态下，汽车相当于使用小排量的发动机，比大排量的发动机要节省燃油。

2 汽油发动机常用的增压方法分析

汽油发动机常用的增压方法有机械增压和废气涡轮增压，其中又以废气涡轮增压的使用最为普遍。

2.1 机械增压

机械增压是一种通过发动机曲轴直接驱动压气机，以提高发动机进气压力的增压方式。如图1所示。

2.2 废气涡轮增压

废气涡轮增压是将具有一定能量的由发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气的能力推动涡轮机旋转，由此驱动与涡轮同轴连接的压气机实现增压。废气涡轮增压器与发动机无机械连接。如图2所示。

2.3 机械增压和废气涡轮增压的对比分析

如表1所示，机械增压相比于废气涡轮增压响应速度迅速，没有延迟现象。机械增压发动机的输出是线性的，与自然吸气发动机有着相似的动力提升曲线，没有涡轮增压在涡轮介入时的转速突然提高的现象，可以使车子行驶起来更加平稳。但是机械增压会消耗发动机的功率并且成本较高，因此现在汽油发动机更多地使用了废气涡轮增压。

3 废气涡轮增压的增压压力调节方法分析

为了改善废气涡轮增压的“涡轮迟滞现象”，发动机上采取了很多方法。

3.1 使用小尺寸的轻质涡轮

为了提高发动机的低速性能，使用小尺寸的轻质涡轮。首先，小涡轮会拥有较小的转动惯量，在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速，产生较大的进气增压压力。但是使用小尺寸的轻质涡轮在发动机高速时则会产生过高的空气压力和流量，导致出现气缸爆发压力过高及增压器超速的现象。因此，发动机上为了改善涡轮迟滞现象同时又避免增压器超速现象常使用带有废气旁通阀的涡轮增压器。旁通阀的控制有机械和电子两种控制方式。

3.1.1 机械控制旁通阀式涡轮增压器

如图3所示，使用了小尺寸的涡轮后，可以改善涡轮迟滞现象，同时把增压后的气体引入排气旁通阀的膜片室，当增压压力大于膜片室弹簧力时，膜片推动连动杆下移，推开排气旁通阀，如图4所示，此时一部分废气不经过涡轮机就流入排气尾管，有效避免了压气机超速的现象。

3.1.2 电子控制旁通阀式涡轮增压器

排气旁通阀的开闭由电控单元ECU控制的增压压力控制电磁阀操纵。电控单元ECU根据发动机的工况，由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力，并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较，然后根据其差值来改变控制电磁阀开闭的脉冲信号占空比，以此改变电磁阀的开启时间，控制气动室右腔的气体压力进而改变排气旁通阀的开度，控制排气旁通量，借以精确地调节增压压力。

旁通阀式涡轮增压器的缺点：

（1）排气旁通阀打开，排气旁通之后，排气能量的利用率下降，致使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差。

（2）旁通阀式涡轮增压器在低转速时，还是会出现增压滞后的现象。

（3）当发动机转速提高时，小涡轮由于排气截面较小，会使排气阻力增加（产生排气回压），因此发动机的功率和扭矩会受到一定的影响。

3.2 可变截面涡轮增压VGT（Variable Geometry Turbocharger）技术

为了克服普通废气涡轮增压器和旁通阀式涡轮增压器的缺点，让涡轮增压发动机在高、低转速下都能保证良好的增压效果，取得既能避免涡轮迟滞，又可以获得较大功率的双重效果。可变截面涡轮增压VGT（Variable Geometry Turbocharger）技术便应运而生。

废气涡轮机中可调节的导向叶片能替代旁通，可调节的导向叶片控制废气流对涡轮的影响，导向叶片是通过真空调节器移动的。

VGT技术的核心部分就是可调涡流截面的导流叶片，涡轮的外侧增加了一圈可由电子系统控制角度的若干个导流叶片，每个导流叶片的相对位置是固定的，但是叶片的角度可以控制和调整。

如图6所示，导向叶片的轴部插在一个支撑盘内，在支撑盘背面，导向叶片的轴部有一个导向轴颈，每一个导向轴颈都卡在调整环内。所有导向叶片都能随调整环转动而同时且均匀地转动。调整环由真空调节器控制杆的导向轴颈移动。

如图7所示，当发动机低转速、排气压力较低的时候，导流叶片打开的角度较小。根据流体力学原理，此时导入涡轮处的空气流速就会加快，增大涡轮处的压强，从而可以更容易推动涡轮转动，增加涡轮的转速，从而有效减轻涡轮迟滞的现象，也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。

如图8所示，随着发动机转速的提升和排气压力的增加，叶片也逐渐增大打开的角度，在全负荷状态下，叶片则保持全开的状态，减小了排气背压，从而达到大涡轮的增压效果。

由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制，这也就实现对涡轮的过载保护，因此使用了VGT技术的涡轮增压器都不需要设置排气旁通阀。

导流叶片角度控制阀为膜片式负压执行器，它的动力源为真空泵。发动机控制单元接收各种传感器信号，进行分析判断，然后向控制导流叶片角度控制阀中的电磁阀发出控制信号，通过改变电磁阀的电路的导通和断开的时间比（占空比），来改变阀芯移动的位置，如图9所示，从而调节低压箱左腔的真空度的大小。

4 结论

现在汽油发动机的增压方式有机械增压和废气涡轮增压，应用最普遍的是废气涡轮增压。但是由于废气涡轮增压在发动机低转速时，废气流速较慢，不足以驱动涡轮机，而使压气机的增压效果不明显。为了改善涡轮迟滞现象，就采用了小尺寸的轻质涡轮，以使废气在低流速时也能驱动涡轮机，但这种方法的缺陷是在发动机高速运转时，压气机会超速运转。因此必须设置排气旁通阀，发动机高速运转时，让一部分废气不经涡轮机流出。改善涡轮迟滞现象，最为先进的方法是采用可变截面涡轮增压VGT技术。这种技术可以随着发动机转速改变废气流经涡轮机的横截面积大小，从而改变了废气流经涡轮机的流速大小，以此来控制增压压力。

参考文献：

[1]史文库， 姚为民.汽车构造[M].人民交通出版社，2015（08）.

[2]王占峰，黄平慧.双流道涡轮增压器对发动机性能的影响分析[J].现代车用动力，2016（01）.

作者简介：李晓娜（1981-），女，河南安阳人，硕士，助教，主要从事汽车结构和汽车设计方面的教学和研究。endprint