废气涡轮增压中冷技术在柴油发动机上的应用

【摘要】 随着现代能源问题和环境问题的不断升级，节能减排已经成为了当今世界汽车发展的主题。各种节能减排技术被应用在汽车发动机领域，包括了电控高压喷射技术、废气涡轮增压中冷技术、电控可变技术等，其中废气涡轮增压中冷技术是高速柴油机的关键节能技术之一，对改善柴油机的动力性、经济性、排放性以及降低柴油机的热负荷等方面具有突出的表现。本文对废气涡轮增压中冷技术在柴油发动机上的应用进行了分析。

【关键词】 柴油发动机；涡轮增压；中冷技术

通过在柴油发动机中应用废气涡轮增压中冷技术能够提高柴油机的功率，并达到节能降耗的目的。涡轮增压技术最初就是针对柴油发动机的功耗出现的，目前主要被应用在柴油发动机和汽油发动机中.因为柴油与汽油的燃烧方式不同，柴油发动机与汽油发动机的涡轮增压器在形式上也存在一定程度的差别。但是单独采用涡轮增压技术，容易出现发动机热负荷过大的问题，而通过中冷技术能很好的解决这类问题，目前已有超过40%的涡轮增压柴油机采用了中冷技术，该技术的应用使得柴油发动机的经济性、环保性及可靠性进一步提高。

一、涡轮增压器的工作原理及组成

涡轮增压器与空气压缩机类似，它利用独有的结构使发动机排出的废气惯性充力对涡轮室内的涡轮进行推动，涡轮在运动的同时带动同轴叶轮对经空气滤清器管道进来的空气进行压缩，使其压力增加，并将其送入气缸。当发动机的转速增加时，废气的排出量以及涡轮的转速会同步增加，叶轮就会压缩更多的空气并输送到气缸内，使气缸内部的空气密度增加，使更多的燃料进入气缸进行充分燃烧，提高燃油效率。

涡轮增压器主要包括涡轮机和压气机两个主要部件及轴承、密封装置等配件构成。涡轮增压器一般安装在发动机的进排气歧管上，通常会受到发动机的高温及高压的影响。因此，要求各部件具有良好的质量和加工精度，从而保证涡轮增压器的可靠运行。在涡轮增压器中，最关键的零件是浮动轴承，它用于支承涡轮轴的运转，通过与轴颈和轴承座孔之间的相对滑动，形成油楔，产生一定的压力差，从而使浮动轴承悬浮于轴承座孔中间，避免轴承与轴承座孔的直接摩擦，该结构目前在小型高速径流涡轮增压器中应用非常广泛。

二、中间冷却器

在柴油发动机采用涡轮增压技术时，由于增压空气温度非常高，在整个涡轮增压的过程中，容易导致发动机燃烧温度过高，最终导致燃油不规则预燃而发生爆震，可能会影响增压效果，并导致发动机损坏。针对增压空气高温问题，可以采用中间冷却器在增压空气进入气缸之前进行降温。

发动机的有效功率N与充入发动机汽缸的气体密度ρ之间成正比，气体密度随着发动机有效功率的增加而增加，增压空气密度ρ受气体状态方程的影响，具体如下：

公式中的P表示绝对增压压力；T表示增压时空气绝对温度；R表示气体常数，取值为287.14J/kg·K。

采用涡轮增压技术的柴油发动机功率的大小与增压压力P成正比，与增压空气绝对温度T呈反比。当增压空气绝对温度保持不变时，发动机的有效功率与增压压力之间成线性关系。通常情况下，在只采用涡轮增压技术时，柴油发动机的功率可以提高30%左右，而在此基础上加入中冷技术，则可以使发动机的功率提高50%～60%左右。

三、废气涡轮增压中冷技术的应用

（一）涡轮增压中冷技术对柴油发动机功率的影响

利用增压技术提高发动机的功率时，可以用以下公式计算出所提高的功率：

公式中pe表示平均有效压力；Vh表示气缸的工作容积；i表示气缸的数量；n表示发动机的转速；τ表示发动机的冲程数。

从上面的公式中可以得知，发动机的有效功率P会随着平均有效压力pe的提高而增加。因此，我们可以利用增压器对气体进行压缩，提高气体的平均有效压力，从而提高柴油发动机的有效功率。经过大量的试验研究表明，在废气涡轮增压技术的基础上，经过必要的改装，即可使柴油发动机的功率大幅度提高。

废气涡轮增压系统的最大弊端在于其进气口与排气口之间距离较近，容易导致新吸进的空气温度升高，这就会导致空气在进入涡轮增压后温度大幅度升高，使得密度降低。进气温度会随着增压强度的增强而不断升高，在进气温度升高之后，内燃机的性能在小幅提升之后就会因为高温的限制而难以进一步提升。此时，通过中间冷却器对增压器出口的空气温度进行冷却，可以使充入气缸的空气密度升高，从而提升发动机的功率，同时可以使整个涡轮增压循环过程的平均温度降低，降低发动机的热负荷，延长发动机的使用寿命。试验研究表明，在增压条件保持不变的情况下，柴油发动机的输出功率会随着增压空气温度的下降而提高，因此，通常会在采用涡轮增压技术的柴油机中采用中间冷却技术。

由于普通车辆在行驶过程中行驶速度较高，且车用发动机将中冷器设置在车头冷却水箱前，因此，靠车辆行驶过程中空气的对流以及冷却风扇的抽吸就可以满足增压空气的冷却需求，因此，在普通车辆中通常采用空-空中冷器；而在部分路面复杂，一些特殊车辆的柴油发动机运行状况非常复杂，其行驶速度较低，采用普通车辆的中冷器无法对空气实现有效的冷却。针对这类情况，通常需要采用水-空中冷器代替普通的空-空中冷器装置。下面对水-空中冷器的冷却性能进行了研究。

（1）试验条件

空气侧运行条件：

从表1中的数据可以看出，当空气流量条件不同时，采用水-空冷却器可以有效降低进气温度约45℃，达到一般进气中冷器正常情况下的冷却效果，柴油机表面平均温度也出现了20℃左右的下降，冷却效果较好，同时也有效提高了柴油机的功率。

（二）废气涡轮增压中冷技术对柴油发动机排放的影响

柴油发动机在运行的过程中所排放的尾气中含有大量的有害物质，包括氮氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物等，为了改善柴油发动机的尾气排放，可以通过增加中冷技术实现。

1.对CO排放的影响

在燃烧过程中，如果氧气不足，就会生成CO。正常的柴油机工况之下，其过量空气系数通常在1.5-3.0之间，此时会排放少量的CO气体；而当柴油机处于大负荷工况下运行时，过量空气系数会出现明显下降，导致CO的排放量大幅度上升。

根据气体的状态方程 ，其中0表示自然吸气，k表示增压。当增压比达到2.5时，从之前的实验数据可以得到 ，由此也可以得到空气的增加量大约为原来的1.6倍，因此，过量空气系数在柴油发动机大负荷运转状态下会明显增加，可以有效降低该条件下CO的排放量。同时还能使燃料的雾化和混合进一步完成，使燃料的燃烧比例更高，降低CO 的生成量。

2.对NOx排放的影响

NOx的排放量与柴油机的燃料的最高燃烧温度、氧气的浓度等因素有关。在采用涡轮增压技术对气体增压的过程中，会使气体中的氧气浓度升高，导致NOx的生成量增加。因此，为了有效控制NOx的排放，在实际应用过程中，可以降低增压比以及推迟喷油定时等方式来降低燃料的最高燃烧温度，从而限制的生成。通过多次试验我们发现，随着

废气再循环率的不断提高，柴油发动机所排放的NOx气体总量会明显降低。

3.对碳氢化合物排放的影响

碳氢化合物的主要成分包括燃料分子以及燃料分子燃烧过程中所产生的各类化合物。未燃排放主要是因为混合气体的浓度过高或者过低导致的燃烧不完全，影响燃烧的因素主要包括混合气体的质量以及发动机的运行条件等。

在发动机大负荷条件下增压可以使过量空气系数更加接近理论的空燃比，纯净混合气体的均匀分布，可以提高燃烧效率，降低碳氢化合物的产生和排放。经试验研究表明，当进气压力在0.0947-0.0967MPa范围之间时，空气的密度每降低1%，在正常工况条件下，碳氢化合物平均增加约0.99%。因此，增压带来的气体密度增加，对降低碳氢化合物的排放有较大的帮助。

4.对颗粒排放的影响

在柴油发动机实际运转的过程中，过量空气系数、燃油的雾化质量以及喷油速率等因素都会影响微粒的产生量。通过应用废气涡轮增压中冷技术之后，柴油发动机的进气密度明显提高，可以增加气缸内的空气总量。通过试验得到，采用废气涡轮增压中冷技术之后的柴油发动机颗粒物排放降低约45%。

四、结论

随着我国工业的不断发展，柴油发动机在各类工程车辆中的应用越来越广泛。而柴油发动机的功率以及排放量在正常情况下难以很好保证经济性和环保性。因此，可以采用废气涡轮增压技术，通过该技术在柴油发动机中的应用可以有效提高柴油发动机的运行功率，并大幅度改善柴油发动机的燃烧状况，降低CO、微粒、碳氢化合物等有害物质的排放，对促进现代节能减排目标作出了一定程度的贡献，同时也有利于现代工业的发展。

参考文献

[1] 毛笑平.4105防爆柴油机性能优化的研究[J].农机化研究，2007（5）：158-161.

[2] 王立涛，朱世贤等.浅谈现代柴油发动机上应用的新技术[J].现代化农业，2013（2）：59-61.

[3] 周龙保.内燃机学（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4] 黄流军.中冷技术对涡轮增压柴油机性能影响的研究[J].小型内燃机与摩托车，2010，39（1）：20-23.