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
气温度作为增压柴油机热负荷的标志。

312　热负荷增加的危害
排气温度过高,一方面柴油机易在气缸盖“鼻梁区”出现由于热应力过大而引起的裂纹,出现活塞环烧结、卡死等现象;另一方面对废气涡轮增压器的涡轮造成危害。

这是因为涡轮材料的耐热性,限制了排气温度不得超过650～750℃。

如排气温度再高,则会出现涡轮叶轮变形、裂纹等故障。

313　降低热负荷的措施
增压柴油机降低热负荷的措施有:增加冷却扫气量。

“扫气”不仅可以降低排气门等炽热零件的温度,而且对降低排气温度也有利;合理组织燃烧过程,适当控制排气始点的温度;降低压气机出口温度,当增压比高时采取“中冷”措施,既可降低进气温度,又可进一步提高空气密度,增大进气量。

使用中,一切对燃烧过程不利的因素,都有可能引起排气温度升高。

因此,一般增压柴油机上都安装有排温报警器或自动减油装置。

有些车辆增压柴油机上还安装有加速冒烟限制器,在增压压力尚未到达规定值时,限制供油量,这也有利于防止排温过高。

4　废气涡轮增压器的喘振问题
411　喘振的机理
废气涡轮增压柴油机工作时,当进入压气机的空气流量小到一定值时,压气机工作开始不稳定,压气机内气流开始强烈脉动,使叶片产生振动,进气管中有“轰隆轰隆”的响声,这种现象叫喘振。

压气机在喘振时长期工作将导致机件损坏。

412　造成喘振的使用因素
废气涡轮增压柴油机在使用过程中,如果空气滤清器过脏或进入异物,都会使得进入压气机的空气流量降低。

但涡轮功在空燃比变小时,由于排气温度升高而维持不变,不会降低压气机的转速。

因此,柴油机运行线有可能穿过压气机的喘振线,使压气机工作不稳定。

废气涡轮增压柴油机在海拔较高的地区工作时,也容易造成喘振。

随着海拔高度的增加,空气密度下降,使柴油机的进气量减少,在供油量不变的情况下过量空气系数降低,致使柴油机燃烧过程恶化,后燃严重,排气温度升高,涡轮功增加,压气机的转速将会提高。

这样,柴油机运行线将会朝喘振线方向大幅度移动,有可能穿过喘振线,使压气机工作不稳定。

413　避免喘振的使用因素
废气涡轮增压柴油机在使用过程中,应保持空气滤清器的清洁,避免异物进入空气滤清器而造成严重阻塞。

废气涡轮增压柴油机在高海拔地区工作时,由于空气稀薄,使柴油机的一些参数如过量空气系数、排烟浓度、排气温度等发生较大变化,以致影响柴油机与废气涡轮增压器的配合,限制了柴油机功率的发挥。

当车用废气涡轮增压柴油机进入高海拔地区使用时,为了维持柴油机与废气涡轮增压器的匹配,也为了柴油机的正常工作状态,可分别以上述限制因素为依据,对柴油机进行调整,使柴油机在某一海拔高度时的过量空气系数、排烟浓度、排气温度等参数,等于柴油机在标准大气状态下相应的参数值,从而达到使柴油机工况维持最佳状态的目的。

为此,可适当增大柴油机的提前供油角,使燃烧趋于及时,减轻后燃程度,降低排气温度。

另外,可适当减小额定供油量(即调小标定功率),也可限制排气温度,使柴油机与废气涡轮增压器的配合得到改善。

5　结论
废气涡轮增压柴油机上述四方面的特点
给使用带来一些新的要求,如不宜急剧改变负荷,加油应尽量平稳;发动机空转时,最低转速不宜过低,一般比非增压机高100～200r m in;工作中应特别注意排气的温度和颜色;保持空气滤清器的清洁与畅通;按规定对涡轮增压器进行维护保养;在高原地区,根据海拔高度调整柴油机的提前供油角及额定供油量等。

参考文献
11王延生,黄佑生1车辆发动机废气涡轮增压1北京:国防工业出版社,1984(6)
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31孔繁柯等1军运车辆运用工程1北京:国防工业出版社,1993(11):81～83
柴油机故障的诊断及排除黑龙江交通高等专科学校　孟兆生
柴油机燃油系统是柴油机的心脏与血脉,其性能的优劣直接影响柴油机的经济性、动力性、可靠性及使用寿命。

燃油系统中最关键的部件喷油泵堪称柴油机的心脏,其结构复杂,含有两大精密偶件“柱塞副”及“出油阀副”,其供油量大小、供油均匀性和供油规律,直接影响柴油机的动力性和经济性;调速器性能直接影响柴油机的转速及工作可靠性、灵敏性。

喷油泵及调速器必须使用专用的调试设备进行调试,一经调整,不允许轻易拆卸。

喷油器将喷油泵供来的燃油定时、定量、高速喷入燃烧室,其性能好坏直接影响燃油的雾化质量,而雾化质量又影响燃料的燃烧效果,其结构较简单,也必须经过专用校验器进行检查和调试。

此外,喷油正时也很重要,即使燃油系统各零部件性能良好,但喷油提前角不正确,也会直接影响柴油机的动力性、经济性及排烟状况。

在诊断柴油机燃油系统故障前,必须熟练掌握有关燃油系统方面的知识,根据柴油机出现的故障与检查结果,统筹分析,作出准确的判断,定出维修方案,以科学、简捷的方法进行维修。

现结合解放141载货汽车6102型柴油机维修实例,说明燃油系统故障的诊断与排除。

1　故障现象
怠速运转不稳;功率不足;柴油机排气冒黑烟;启动困难;水温过高。

2　故障检查、分析与诊断
a.检查油箱油位、柴油滤清器。

检查结果,油位正常,滤清器清洁度良好。

b.检查喷油器。

将喷油器逐个安装到喷油器校验器上进行检验。

检查后发现有二个喷油器雾化效果不好,无清脆响声,喷出的是油柱,且喷射压力较规定值低,另外四个喷油器虽雾化正常,但较规定的喷射压力低。

经分析诊断知:两个喷油器雾化不良,喷雾压力低,是使用发动机怠速不稳的主要原因之一,也是功率不足,排气冒黑烟、启动困难的原因之一。

c.检查喷油泵。

将喷油泵安装到喷油泵试验台上进行检查和调试。

检查发现,喷油泵额定供油量不足,各缸额定供油量不均匀。

怠。