车用废气涡轮增压柴油机使用问题的探讨

车用废气涡轮增压柴油机

使用问题的探讨

蚌埠坦克学院　赵以贤

摘　要

就车用废气涡轮增压柴油机出现的瞬态响应特性变差、适应性系数降低、热负荷增加等问题进行了分析讨论,从结构和使用两方面提出了改进的措施。

关键词:柴油机　废气涡轮增压　使用

为增大发动机的功率,除提高发动机的转速外,最有效的途径是增大进气空气的密度。这样,在相同气缸工作容积内可增加进气量,如配合增加燃油量,则可增大发动机作功能力。

发动机增压方式有多种,其中应用最广的是废气涡轮增压。其基本原理是:利用发动机废气的能量,使之在涡轮机内膨胀作功,推动涡轮叶轮旋转。涡轮叶轮带动压气机叶轮旋转,对空气进行压缩,提高其压力后再供入发动机气缸,从而提高了进入气缸的空气密度,增加了空气量。

增压发动机能在对发动机基本结构不作大的变动的情况下,大幅度提高发动机功率,同时对提高发动机经济性,净化废气,高原地区恢复功率,都带来明显的益处,因而得到了广泛的采用。

有资料表明,在工业发达国家中,大型车用柴油机有60%以上进行了增压,小型柴油机也有55%～73%为增压机型。汽油机的增压技术也取得了相当的进展。

但是,柴油机增压后引起的变化,对用作车辆的动力来说,又带来一些新的问题,如瞬态响应特性变差,适应性系数降低,热负荷增加,可能出现喘振现象等。这些问题都需要加以研究。1　瞬态响应特性问题

所谓瞬态响应特性是指柴油机在负荷或转速急剧改变时,其性能变化的响应能力。111　瞬态响应特性的变化及其原因

由于增压柴油机不如非增压柴油机那样立即响应负荷和转速的突然变化,当增压柴油机用作车辆的牵引动力时,其瞬态响应特性明显变差。

瞬态响应特性变差的原因是废气涡轮增压的动作有滞后现象。在迅速改变喷油泵齿杆位置时,由于涡轮增压器转子的惯性以及与柴油机相连管路内气体的可压缩性,涡轮增压器不可能立即作出响应,空气流量率与加油速率之间存在差异,导致气缸内过量空气系数急剧变化。在加速时,有可能产生很浓的混合气,燃烧不良,出现加速冒烟现象。同时加载后柴油机转速下降,而且加载速度愈快,转速下降愈大,甚至在柴油机转速较低时突然加载,可能引起柴油机熄火。

112　瞬态响应特性对使用的影响

废气涡轮增压柴油机作为车辆的牵引动力,其瞬态响应特性差是客观存在的,这给使用带来新的特点,如何正确使用就成为一个不可忽视的问题。

首先,增压柴油机在使用中,增大供油量要尽量平衡。废气涡轮增压柴油机工作时,在突然增大供油的瞬间,供给空气量的增加存在滞后现象,导致气缸内过量空气系数急剧下降,燃烧不完全,随着使用时间的增长,容

易产生“积炭”,从而降低其寿命。另外,在突然增大供油的瞬间,由于燃烧不完全,车辆的加速性不明显。因此,废气涡轮增压柴油机在使用中不宜突然增大供油量。车辆通过小起伏地时,宜采用稳定油门中速通过。

其次,增压柴油机的怠速应调高一些。柴油机的转速随外界负荷的增大而降低,这种现象在废气涡轮增压柴油机上体现更加明显。因此,增压柴油机空转时,最低转速不宜过低,一般比非增压机高100～200r m in。113　改善瞬态响应特性的措施

改善瞬态响应特性的措施有:采用脉冲增压系统,尽量减小进、排气管的容积;减小废气涡轮增压器转子的转动惯量,减小喷嘴环的流通面积;向压气机叶轮喷射高压空气;设计特殊的控制机构,使加油齿杆能直接控制驱动涡轮的废气能量。前两种措施在目前的车用增压柴油机上采用较普遍,后两种措施结构复杂,较少采用。

2　适应性系数问题

适应性系数有两方面含义:一是K1= M e m ax M e N,即外特性曲线上最大扭矩值与额定功率时扭矩的比值,亦称为扭矩储备系数;二是K2=n N n M,即外特性曲线上额定功率时转速与最大扭矩时转速的比值,亦称为转速储备系数。适应性系数K即为K1、K2的乘积,K=K1・K2(也有些地方将K1称为适应性系数)。

211　适应性系数的变化及其原因

由于车辆的牵引特性与柴油机外特性曲线形状有关,因此,车用柴油机总是希望K 值大一些,一般K1应为1.10～1.25,K2应为1.4～2.0。但在增压后,一般K1、K2均降低。这是因为随转速降低后,通向涡轮的废气量减少,压气机出口的压力降低,使每循环进入气缸的空气量减小较多,从而影响最大扭矩值,并使得出现最大扭矩时的转速上升。212　适应性系数对使用的影响

车用废气涡轮增压柴油机适应性系数降低,使得车辆适应外界阻力变化的能力降低,这就要求驾驶人员要根据外界阻力情况,平稳地加减油,并及时地换档。

213　改善适应性的措施

为改善扭矩特性,解决低转速下的增压压力,可采取的措施有:采用脉冲增压系统;选用无叶扩压器的压气机和无叶喷嘴环的径流式涡轮;涡轮增压与柴油机在低速下匹配,即在外特性上最大扭矩点时增压器具有最高效率,牺牲额定点的功率。采用以上措施的增压柴油机,K1值一般可达1.05～1.17。如要求获得更高的数值,则需采取一些特殊的措施。如用可变几何参数的增压器或低速工况匹配向高速工况下从涡轮前自动放出一部分废气等。但这些措施都使结构十分复杂,只在一些有特殊要求的军用车辆上采用。12150L 柴油机,非增压时,K1为1124,K2为116,其增压机型12150Z L,K1值变为1116,K2值变为1148,较非增压时都有所降低,用在车辆上,对变速箱排档划分带来一定的影响。

3　热负荷问题

311　热负荷的变化及其原因

增压柴油机的进气温度为压气机的出口气体温度,它比非增压柴油机的进气温度要高得多,比一般低增压时也要高60～80℃。这样,柴油机工作循环各特征点的温度都相应提高。同时,增压后,循环供油量增加,用于转变为有效功的热量增多了,但同时损失的热量也会增多,这表现为柴油机的机油、冷却液带走的热量增加。机油、冷却液带走的热量增加可用加大其循环流量来解决,而排气带走的热量增加则会使排气温度上升,这会对柴油机工作带来较大的危害。因此往往用排