車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓中冷技術(shù) 為什么增壓后要采用進(jìn)氣中冷技術(shù)

　　【摘要】本文針對增壓中冷技術(shù)，論述了增壓的概念，并且給出了評價(jià)增壓效果的增壓度、增壓壓比兩個(gè)參數(shù)，闡述了不同種類的增壓系統(tǒng)、中冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，并對其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。
　　【關(guān)鍵詞】增壓中冷；增壓度；增壓壓比
　　【中圖分類號(hào)】U464【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
　　【文章編號(hào)】1007-4309（2010）12-0063-2
　　
　　一、前言
　　對于車用發(fā)動(dòng)機(jī)，我們希望它單位體積小、重量輕、功率大，還要求節(jié)省燃油、降低排放。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，車用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，目前應(yīng)用較為成熟的是增壓中冷技術(shù)。增壓中冷是20世紀(jì)80年代后期在柴油機(jī)上廣泛運(yùn)用的新技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒完全，提高熱效率，使耗油率降低，減輕了排氣污染。特別是高增壓柴油機(jī)，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)50％-60％，降低燃油消耗20％以上，有效減少CO、NOx和碳粒排放。由于該項(xiàng)技術(shù)使排氣中一部分能量變成渦輪的有效功輸出，因此排氣噪聲也降低了。增壓中冷技術(shù)首先在大型柴油機(jī)上得到應(yīng)用，1 000kW以上的大功率柴油機(jī)一般都采用了該技術(shù)。目前增壓中冷技術(shù)不但在柴油機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，而且在汽油機(jī)上也在逐步推廣采用。它是改善內(nèi)燃機(jī)性能的重要手段之一。增壓中冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用是汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。
　　二、增壓系統(tǒng)
　　（一）基本概念
　　增壓就是將空氣預(yù)先壓縮后再使其進(jìn)入氣缸，以提高空氣密度，增加進(jìn)氣量的一種技術(shù)。通過增加進(jìn)氣量，相應(yīng)地增加循環(huán)供油量。這是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的一個(gè)重要途徑。
　　為了評價(jià)增壓的效果，引入兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是增壓度λz。
　　定義：λz= Nek?筑Ne。
　　增壓度就是同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)采用增壓后的額定功率與增壓前的額定功率的比值，它的大小反映了增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加的程度。增壓度越大，增壓效果越好。
　　第二個(gè)參數(shù)是增壓壓比πk，即發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后的進(jìn)氣壓力與增壓前的進(jìn)氣壓力的比值，如果不考慮進(jìn)氣阻力的影響，增壓前的進(jìn)氣壓力值就是大氣壓力值。
　　定義：πk= PkP0。
　　增壓壓比的大小反映了增壓后進(jìn)氣壓力增加的幅度，壓比越大進(jìn)氣壓力就越大，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣密度也越大，進(jìn)氣量越多。根據(jù)增壓壓比的取值范圍，小于1.6為低增壓系統(tǒng)，1.6-2.5為中增壓系統(tǒng)，2.5-3.5為高增壓系統(tǒng)，大于3.5為超高增壓系統(tǒng)，如法國的勒克萊爾坦克的V8X1500型柴油機(jī)所用的增壓器的增壓壓比高達(dá)7.8。采用超高增壓后，柴油機(jī)的扭矩特性和加速性得到了極大的改善，使得勒克萊爾坦克從0加速到32km/h，僅用5秒鐘。
　　（二）增壓系統(tǒng)分類
　　目前常見的增壓系統(tǒng)有兩類，第一種是機(jī)械增壓系統(tǒng)，如圖1。所謂機(jī)械增壓就是由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)壓氣機(jī)工作的增壓方式。由于壓氣機(jī)直接由曲軸帶動(dòng)，所以當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速改變后，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速也同步變化，因此，機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)性較好，泵氣損失小。但由于壓氣機(jī)工作所需的能量全部來自于發(fā)動(dòng)機(jī)，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械效率降低，比油耗較高。因此機(jī)械增壓的增壓壓比一般不超過1.7，否則壓氣機(jī)消耗功率過大，使得整機(jī)的機(jī)械效率下降，導(dǎo)致燃油消耗率增加過多。
　　圖1機(jī)械增壓系統(tǒng)圖2廢氣渦輪增壓系統(tǒng)
　　第二種為廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，如圖2。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪，再由渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)工作的增壓方式。在渦輪增壓系統(tǒng)中，渦輪和壓氣機(jī)安裝在同一根軸上。渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)只有氣體管路連接而無機(jī)械傳動(dòng)，其中渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)連接，而壓氣機(jī)與進(jìn)氣系統(tǒng)連接，這種方式比機(jī)械增壓結(jié)構(gòu)簡單。壓氣機(jī)消耗的功率全部由渦輪供給，因此壓氣機(jī)不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)本身的功率，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。一般當(dāng)功率提高30%-40%時(shí)，燃料消耗率可降低5%左右。
　　渦輪增壓器的工作效率取決于廢氣所含的能量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，廢氣的能量并不能同步增大，而是有所滯后，這就使得增壓器轉(zhuǎn)速的變化滯后于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，因此采用廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性較差。但由于廢棄渦輪增壓具有增壓效果明顯、不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率及增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了最廣泛的應(yīng)用。
　　三、中冷系統(tǒng)
　　空氣流經(jīng)壓氣機(jī)后，壓力上升，密度增大，進(jìn)氣量也隨之增加。但是，因?yàn)闇u輪增壓器吸進(jìn)的空氣經(jīng)壓縮溫度會(huì)升高，空氣在流動(dòng)過程中與進(jìn)氣管壁摩擦還會(huì)進(jìn)一步升溫。這樣不僅影響充氣效率，還容易產(chǎn)生爆燃。國內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，增壓后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度每降低10℃，柴油機(jī)的功率可提高2.5％，比油耗可降低1.5％，排氣溫度也可下降20%-30%。因此需要在進(jìn)氣增壓后，設(shè)置中冷系統(tǒng)。目前所采用的中冷系統(tǒng)，主要有水對空、空對空兩種，可根據(jù)不同的中冷要求和發(fā)動(dòng)機(jī)的具體情況進(jìn)行選擇。
　�。ㄒ唬┧畬�空中冷系統(tǒng)
　　目前普遍使用的水冷式中冷器是采用管片式結(jié)構(gòu)。管片式中冷器是在許多水管上套上一層層的散熱片，經(jīng)錫針焊或堆錫焊焊接在一起。冷卻水管和散熱片采用紫銅或黃銅制造。水管的排列有叉排和順排兩種，水管截面的形狀有圓形、橢圓形、扁管形、滴形和流線形等幾種形式。
　　其中，圓管式中冷器芯子由許多散熱片組成，冷卻圓管穿過散熱片。冷卻圓管與散熱片上管孔翻邊凸緣連接，用來導(dǎo)熱。圓管式中冷器的優(yōu)點(diǎn)是對冷卻水的要求較低，性能可靠，可直接供給經(jīng)過篩濾的海水或河水。但空氣的流通阻力較大，使空氣壓力損失較大。
　　由于扁管具有有利于流動(dòng)的形狀，所以增壓空氣側(cè)產(chǎn)生很小的壓力損失，因此可多布置散熱片。但是扁管式中冷器僅限于封閉式的冷卻系統(tǒng)，因?yàn)檩^狹窄的管道要求更潔凈的水。
　　滴形和流線形管雖然空氣阻力較小，但由于工藝性和可靠性較差，目前很少應(yīng)用。橢圓管與圓管和扁管相比，具有較小的空氣阻力，其工藝性和可靠性雖不及圓管但優(yōu)于扁管，因此，在柴油機(jī)上多采用橢圓管作為中冷器的水管。
　�。ǘ�）空對空中冷系統(tǒng)
　　空對空中間冷卻系統(tǒng)是用空氣作為冷卻介質(zhì)，對流經(jīng)壓氣機(jī)后的空氣進(jìn)行冷卻，所以稱為空對空。該種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，適用于缺少低溫冷卻水的場合。但是和水對空中冷系統(tǒng)比較，它的冷卻效率較差，不適用于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)。
　　空對空式中冷系統(tǒng)最常見的結(jié)構(gòu)為板翅式。板翅式中冷器由薄金屬板制成翅片，兩端用側(cè)板封閉，翅片之間形成了兩個(gè)互成90°的氣體通道。它利用柴油機(jī)上的風(fēng)扇供給冷卻空氣，增壓后的空氣與冷卻空氣分別流經(jīng)這兩個(gè)通道并進(jìn)行熱交換，冷卻后增壓空氣的溫度可降低到50℃-60℃，其冷卻原理如圖3。板翅式中冷器大多用銅和鋁合金制造，其結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱面積大、效率高。
　　四、結(jié)束語
　　近十多年來，隨著直噴和電控技術(shù)的出現(xiàn)，車用發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有了很大提高，增壓中冷技術(shù)也得到了較大發(fā)展。目前普遍使用的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速范圍均為60 000-120 000r／min左右，最高已經(jīng)達(dá)到260 000r／min。增壓器的最高壓比一般可達(dá)3-3.5，有的已經(jīng)接近于5。采用增壓中冷技術(shù)能夠大大提高車輛動(dòng)力性能，并能夠節(jié)省燃油。目前，歐、美、日的汽車排放法規(guī)越來越嚴(yán)。尾氣中CO、HC、NOx的排放值與未控制前比較：美國下降95％、96％和90％；日本下降95％、96%和92％；歐洲下降85％和78％（HC、NOx）。而采用增壓中冷技術(shù)恰恰能夠有效減少尾氣排放。無論從環(huán)保方面還是從發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性方面看，加裝增壓中冷的柴油機(jī)都具有極大優(yōu)勢，增壓中冷技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展。
　　
　　【參考文獻(xiàn)】
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　�。�3］王興偉．增壓中冷技術(shù)在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2009（11）．
　　【收稿日期】2010年10月25日
　　【作者簡介】孫占紅：中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學(xué)院。徐征：中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學(xué)院。周書和：中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學(xué)院。李鋒利：中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學(xué)院。

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