博格华纳涡轮增压器的原理

发布时间:2014年10月23日 来源:超天才网 作者:王文竹 浏览量:2,140

博格华纳的涡轮增压技术,代表了汽车行业的领先水平,它供应的涡轮增压器广泛应用于商用车、大巴、重型汽车等。博格华纳凭借着涡轮增压的顶尖技术,在世界范围内拥有众多的客户和合作公司,比如小松KOMATSU、日立HITACHI、住友SUMITOMO、沃尔沃VOLVO、卡特彼勒CATERPILLAR等。

涡轮增压器的原理及作用

涡轮增压器主要通过增加发动机的进气量,从而提高发动机的燃油效率和功率。其结构由压缩机的叶轮和废气驱动的涡轮组成,压缩机的叶轮和涡轮中间由旋转的轴(转子)连接。这样,当废气从发动机的气缸排出时,产生的惯性冲力推动涡轮旋转,从而带动压缩机的叶轮高速旋转将进气口的空气进行增压处理。当发动机转速增加时,排出的废气速度增快从而推动涡轮加速运转,使得同轴的叶轮在同一时间可压缩更多的空气进入气缸,这样使得进入气缸的空气密度增大,以提高发动机的燃油效率。

 

增压器在压缩空气时产生很高的温度,同时转子的转速高达104-105r/min,在这种高温高速的环境下,涡轮增压器通常采用全浮动式轴承,而且需要在涡轮增压器内增设出油口与进油口,用机油对轴承进行润滑。采用涡轮增压器的发动机,通常对机油的性能要求很高,具有较好的抗磨性和耐高温性。图中的废气泄放阀是以备压力过载时将气体排放出去。

此外,由于发动机气缸排出的尾气温度会很高,通常达到600-900°C,通过增压器的热传导会提高进气温度,尤其空气经过涡轮增压后,温度迅速升高,而这种增压高温空气进入到发动机中,导致发动机燃烧温度过高,极易生成氮氧化物,造成尾气污染物增加,同时产生爆震造成损伤,这时需要在增压器的出口和进气管之间增加中冷器,其作用是冷却经过压缩后的空气。

涡轮增压器的优势

在发动机排量不变的前提下,通过大幅度增加进气密度可以提高发动机的功率。这个原因在于,发动机是靠气缸燃烧做功输出功率的,而输入燃料的多少又取决于气缸内的进气量,这就使得发动机输出的功率受到制约,因此在发动机稳定运行时,通过压缩空气增加空气密度,就能提高发动机的燃烧做功能力和功率。据统计,安装涡轮增压器的发动机最大功率会比同排量的发动机提高30%-40%。另外由于燃油效率的提高,不仅降低了燃油消耗,也降低尾气排放量,所以增加涡轮增压器也是一种达到欧洲汽车排放标准的常规方法。

普通涡轮增压器的弊端

第一,发动机低速运转时无法提供更高的动力输出。普通的涡轮增压器需要发动机达到一定的转速才能发挥作用,需要大约2000转左右的启动转速,而涡轮增压器达到最佳动力输出点则需要4000-5000转左右甚至更高的转速,才能感受到明显动力输出效果。因此对于低速市内驾驶,涡轮增压发动机和普通发动机的区别不大,优势发挥不明显,而用于跑高速就会显现出涡轮发动机独有的优势来。

第二,涡轮增压发动机存在一定的滞后性,叶轮对于发动机的瞬时变化响应滞后。主要表现是当发动机突然提速时,从涡轮增加转速到增大空气进气量到发动机里需要一个时间。尤其发动机低速运转时,瞬时响应性弱的问题更加严重。

第三,装有涡轮增压器的发动机较普通发动机成本高,使用寿命短,通常用于配置较高的车辆上。

博格华纳的研发技术

以上是涡轮增压器的基本原理,针对涡轮增压发动机存在的一些缺陷,博格华纳针近年来做了一系列创新技术的研发。

可变几何涡轮增压器(VGT) Variable Geometry Turbo

可变几何涡轮增压器主要用于解决普通涡轮增压器存在的弊端。尤其用以改善发动机转速较低时进气量的增加,以提高动力输出。它的核心在于可调的涡轮导流叶片。原理是从发动机排出的废气,通过导流叶片角度的改变,从而产生不同的空气流量和流速以此来控制涡轮的转速。

 

当发动机低速运转时,导流叶片打开的角度小,这时导入涡轮处的空气流速会加快,从而增大涡轮叶片的转速,增强压力,改善增压器的响应时间和进气量。然而当发动机转速提高时,叶片也随之增大打开角度,尤其当超高速运转时,入口开到最大,涡轮转速下降,防止增压器压力过载。当发动机需要加速时,只需减小涡轮叶片的入口角度就可以提高增压器的转速,从而提高进气压力,以满足不同的瞬态响应需求。由于改变叶片角度实现了对涡轮转速的有效控制,也实现了对涡轮的过载保护。

二级可调涡轮增压技术

二级可调涡轮增压系统最初主要用于船舶,机车,舰艇等所需重型柴油机上,以满足大功率输出要求。近几年,博格华纳将二级可调涡轮增压器供应给德国的一些大车公司比如MANN,而MANN将这一技术重点应用于公共客车和重型卡车上。 

二级可调涡轮的主要结构是由两个串联式的涡轮增压器组成,低压级大涡轮增压器与高压级小涡轮增压器组成,通常在高压级涡轮旁并联一个带有旁通调节阀的旁通管路,采用这样的结构可以在发动机的转速范围内提供不同的压力。进气路径是,先进入低压级压气机被压缩,经第一级中冷器冷却,以增加空气密度,减少体积流量。而冷却后的空气进入高压级压气机被进一步压缩,然后经过第二级中冷器进一步冷却,最后通过进气管进入气缸,这样通过两级增压有效的增大压强提高输出。而发动机排出的废气依次进入高压级涡轮与低压级涡轮做功后排出,二级可调增压是通过高压级与低压级的旁通调节阀来实现增压比的切换。

当发动机处于低速运转时,旁通阀关闭,只有高压级小型涡轮增压器工作,低压级增压器由于流动面积较大处于怠转,这时高压级增压器叶轮转动惯量小,转速快,使得发动机在低速时具有良好的低速响应性和较高的功率,而随着发动机转速的增加,旁通调节阀打开,高压级和低压级增压器同时工作,以提高增压压力,随着发动机转速的进一步提高,低压级增压器逐渐占据主导,为发动机提供较大的进气量

 

以满足需求,而当出现增压过载时,只需低压级增压器单独工作即可。

可调旁通阀在这里的作用是分压和调节压比。尤其是发动机处于超高速大负荷运转时,打开旁通阀,使得一部分废气可以直接进入低压涡轮,这样可以分掉高压涡轮处的过高压强,以缓解高压叶轮进压压力大的问题,使得进气气压不超过最高限度。此外,旁通调节阀通过控制不同的增压压比,使得二级可调涡轮增压发动机可瞬时满足不同的工况。

在2013年,博格华纳入围汽车行业杰出供应商奖,而涡轮增压动力系统方面则成为世界汽车动力行业的先驱,先后为曼、宝马、福特等著名汽车公司提供发动机系统的解决方案,堪称汽车行业的顶级供应商。

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