廢氣渦輪增壓對電控汽油發(fā)動機系統(tǒng)結構的影響

張憲輝

（大連職業(yè)技術學院，遼寧 大連 116037）

前言

近年來，隨著我國節(jié)能減排環(huán)保政策的日趨嚴格，對汽車排量的限制也不斷加強。各大汽車生產(chǎn)廠家為此采取了各種應對措施。在燃油車領域，一方面要進行發(fā)動機小排量化以滿足國家對汽車排量的限制要求，另一方面還要滿足消費群體對汽車動力的需求，因此，“小排量＋廢氣渦輪增壓”成為解決這兩方面問題的主要技術路徑。

廢氣渦輪增壓技術是利用發(fā)動機排氣歧管排出的廢氣推動廢氣渦輪，由廢氣渦輪帶動進氣葉輪壓縮進氣空氣，從而提升進氣充氣效率，增加進氣量，達到提升發(fā)動機動力的目的。

為了采用廢氣渦輪增壓技術，電控汽油發(fā)動機不得不在自然吸氣的基礎上對相關系統(tǒng)結構進行必要的調整和改變。

1 對進氣系統(tǒng)的影響

自然吸氣式電控汽油發(fā)動機的進氣系統(tǒng)路徑通常是：空氣濾清器→進氣軟管（空氣流量計）→節(jié)氣門體→進氣歧管→發(fā)動機氣缸蓋（進氣門）。

如圖1 所示，由于廢氣渦輪增壓的加入，電控汽油發(fā)動機的進氣系統(tǒng)發(fā)生了如下變化：空氣濾清器→進氣軟管（空氣流量計）→廢氣渦輪增壓器壓氣機進氣口→廢氣渦輪增壓器壓氣機→廢氣渦輪增壓器壓氣機出氣口→增壓后進氣管路→進氣冷卻器（中冷器）→增壓后進氣管路→節(jié)氣門體→進氣歧管→發(fā)動機氣缸蓋（進氣門）。

圖1 廢氣渦輪增壓的進排氣路徑

對比可見，安裝了廢氣渦輪增壓器的電控汽油發(fā)動機，其進氣系統(tǒng)在自然吸氣的基礎上增加了廢氣渦輪增壓器壓氣機、中冷器和必要的增壓后進氣管路，系統(tǒng)結構變得相對復雜。

2 對排氣系統(tǒng)的影響

自然吸氣式電控汽油發(fā)動機的排氣系統(tǒng)路徑通常是：排氣歧管→三元催化器→排氣管→消音器→尾喉。

帶有廢氣渦輪增壓的電控汽油發(fā)動機，其排氣系統(tǒng)的路徑為：排氣歧管→廢氣渦輪增壓器→三元催化器→排氣管→消音器→尾喉。

由上述廢氣渦輪增壓電控汽油發(fā)動機的排氣系統(tǒng)路徑可以看出，廢氣渦輪增壓器安裝在發(fā)動機排氣歧管的出口處（如圖1 所示），這是由廢氣渦輪增壓器以排氣歧管排出的廢氣為動力所決定的。有些發(fā)動機甚至將排氣歧管與廢氣渦輪增壓器集成為一個總成。

當廢氣渦輪增壓器工作時，其轉速可達到每分鐘20～30萬轉，并且由于其位于排氣歧管的出口處，溫度很高，因此，在如此惡劣的工作條件下，為了確保廢氣渦輪增壓器的性能和使用壽命，必須對其進行必要的冷卻和潤滑。

3 對冷卻系統(tǒng)的影響

如圖2 所示，為了進行必要的冷卻，在廢氣渦輪增壓器上設計了冷卻水道，并通過一個進水管和一個出水管連接到了發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)當中，通過冷卻液的不斷循環(huán)，將渦輪增壓器處的熱量帶走。

圖2 廢氣渦輪增壓器的冷卻管路和機油潤滑管路

當前很多帶有廢氣渦輪增壓器的電控汽油發(fā)動機都額外安裝了電子冷卻水泵。在發(fā)動機停機后，電子冷卻水泵會繼續(xù)運轉一段時間，為增壓器有效散熱，防止因發(fā)動機停機后冷卻液不再循環(huán)而導致增壓器處熱量積聚，影響增壓器的工作性能和使用壽命。因此，對于那些沒有安裝電子冷卻水泵的帶有廢氣渦輪增壓器的電控汽油發(fā)動機，在車輛長時間高速行駛后，一定注意不要停車后立即熄火，應該在停車后讓發(fā)動機怠速運行2～3 分鐘后再行熄火，以充分為增壓器散熱。

4 對潤滑系統(tǒng)的影響

廢氣渦輪增壓器上設計有潤滑油道，有兩條機油管路與之相連，如圖2 所示，一條來自發(fā)動機主油道，將壓力機油輸送給增壓器輪軸，另一條通往發(fā)動機曲軸箱，使?jié)櫥鰤浩鬏嗇S的機油回流至油底殼。

廢氣渦輪增壓器高溫、高速的工作條件要求發(fā)動機必須使用高性能的機油，無論是質量等級還是黏度等級都要滿足增壓器和發(fā)動機的工作要求。通常情況下，增壓發(fā)動機都優(yōu)先選用全合成機油，機油具體的質量等級和黏度等級按照汽車生產(chǎn)廠家的指導要求確定。

5 對曲軸箱強制通風（PCV）系統(tǒng)的影響

為了防止有害的曲軸箱竄氣進入大氣污染環(huán)境，同時也為了防止曲軸箱竄氣腐蝕發(fā)動機部件，避免過高的曲軸箱竄氣壓力造成曲軸箱漏油，發(fā)動機上都配有曲軸箱強制通風（PCV）系統(tǒng)，用于將曲軸箱竄氣導入發(fā)動機氣缸進行二次燃燒，從而消除其危害。

如圖3 所示，自然吸氣電控汽油發(fā)動機上的曲軸箱強制通風系統(tǒng)主要由油氣分離器、PCV 閥以及連接管路等部件組成。油氣分離器可以安裝在氣門室蓋上，也可以安裝在氣門室蓋外面的管路中，它的作用是將曲軸箱竄氣中的機油蒸氣分離出來，流回油底殼，防止機油消耗過大。PCV 閥是一個單向閥，也是計量閥，根據(jù)進氣歧管真空度的大小來調節(jié)曲軸箱竄氣的流量。PCV 系統(tǒng)管路分為兩部分：一條管路將來自空氣濾清器的新鮮空氣導入氣門室；另一條管路將聚集在氣門室內的曲軸箱竄氣和新鮮空氣的混合體經(jīng) PCV 閥送入進氣歧管。

圖3 自然吸氣發(fā)動機曲軸箱強制通風系統(tǒng)組成

自然吸氣電控汽油發(fā)動機的曲軸箱強制通風系統(tǒng)對竄氣的處理路徑為：曲軸箱→油氣分離器→PCV 閥→進氣歧管→燃燒室。

對于帶有廢氣渦輪增壓的電控汽油發(fā)動機，曲軸箱強制通風系統(tǒng)不僅要滿足自然吸氣狀態(tài)下的功能需求，同時也要滿足在進氣增壓狀態(tài)下的功能需要，因此，其曲軸箱強制通風系統(tǒng)就必須在自然吸氣發(fā)動機的組件基礎之上進行系統(tǒng)的完善。以上汽通用別克LFV 廢氣渦輪增壓發(fā)動機為例，如圖4所示，其曲軸箱強制通風系統(tǒng)增加了新鮮空氣補給閥、抽氣閥和異常竄氣閥等3 個單向閥及相關管路，以滿足渦輪增壓未啟用（自然吸氣狀態(tài)）、渦輪增壓啟用、異常大量竄氣等三種工況的曲軸箱通風。在曲軸箱內產(chǎn)生真空時，被空氣濾清器過濾后的新鮮空氣經(jīng)由新鮮空氣補給閥進入氣門室罩蓋，再進入曲軸箱（圖4（a））；在渦輪增壓器未啟用時，進氣歧管內有較大真空，在此狀況下的曲軸箱竄氣路徑為（圖4（b））：曲軸箱→氣門室罩蓋→油氣分離器→PCV 閥→進氣歧管→燃燒室；當渦輪增壓啟用時，進氣歧管內的真空度降低，此時的曲軸箱竄氣路徑為（圖4（c））：曲軸箱→氣門室罩蓋→油氣分離器→抽氣閥→渦輪增壓器進氣端→中冷器→節(jié)氣門→進氣歧管→燃燒室；當曲軸箱出現(xiàn)異常大量竄氣時，曲軸箱內部壓力推開異常竄氣閥，形成一條新的竄氣路徑（圖4（d））：曲軸箱→氣門室罩蓋→油氣分離器→異常竄氣閥→空氣濾清器后方→渦輪增壓器進氣端→中冷器→節(jié)氣門→進氣歧管→燃燒室。

圖4 LFV 廢氣渦輪增壓發(fā)動機的曲軸箱強制通風系統(tǒng)工作工況

上述這些單向閥的設置，主要是用來防止渦輪增壓器運轉時在進氣歧管中所產(chǎn)生的正壓力對曲軸箱加壓。在渦輪增壓器運轉時，進氣歧管中的壓力可能會超過大氣壓力，如果沒有這些單向閥，會使機油和竄氣從凸輪軸蓋流出并進入到渦輪增壓器前端的進氣系統(tǒng)，這可能導致節(jié)氣門體和進氣系統(tǒng)結焦，并且可能會降低燃燒系統(tǒng)和中冷器的效率。

6 對廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)的影響

廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)主要用于減少發(fā)動機尾氣中NOX的排放，其基本原理是：將一部分廢氣引入發(fā)動機氣缸中，破壞混合氣成分，降低燃燒溫度，從而抑制NOX的生成。

如圖5 所示，自然吸氣發(fā)動機的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)主要由連接進氣歧管與排氣歧管的廢氣傳輸管路、EGR 閥和相關控制組件組成。這套系統(tǒng)主要依靠自然吸氣發(fā)動機排氣壓力高于進氣歧管壓力的特點實現(xiàn)廢氣再循環(huán)。

圖5 自然吸氣發(fā)動機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的基本結構組成

如果發(fā)動機增設了廢氣渦輪增壓器，那么當渦輪增壓器工作時，進氣歧管的進氣壓力升高，此時利用排氣與進氣的壓力差來完成廢氣再循環(huán)就比較困難了。為此，衍生出了兩種解決方案：一種是低壓回路EGR 方案，一種是高壓回路EGR 方案。

如圖6（a）所示，低壓回路EGR 是將廢氣引到渦輪增壓器的壓氣機進口前的低壓進氣系統(tǒng)，其優(yōu)點是容易獲得排氣與進氣間的正向壓力差；缺點是再循環(huán)的廢氣流經(jīng)壓氣機和中冷器，使得壓氣機的進氣溫度高于設計溫度，并且中冷器容易堵塞而導致壓力損失增加。

如圖6（b）所示，高壓回路EGR 是將廢氣引到壓氣機出口后的高壓進氣系統(tǒng)，其優(yōu)點是再循環(huán)廢氣不經(jīng)過壓氣機和中冷器，不存在影響增壓裝置耐久性和可靠性的問題；缺點是獲得排氣與進氣間的正向壓力差較為困難。

圖6 渦輪增壓發(fā)動機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的兩種方案

上述的EGR 方案都是在發(fā)動機體外進行的，稱之為外部EGR 系統(tǒng)。為了有效解決外部EGR 系統(tǒng)存在的不足和問題，目前的電控汽油發(fā)動機普遍利用可變氣門正時（雙VVT）系統(tǒng)，通過對進、排氣門開閉時刻和時間的調整，直接在發(fā)動機氣缸內實現(xiàn)廢氣再循環(huán)，規(guī)避了因為渦輪增壓器而使發(fā)動機EGR 系統(tǒng)結構變得復雜的諸多困擾，因此，通過可變氣門正時系統(tǒng)來實現(xiàn)廢氣再循環(huán)的方式也稱為內部EGR。

7 對蒸發(fā)排放（EVAP）控制系統(tǒng)的影響

當前的電控汽油發(fā)動機都配置有蒸發(fā)排放（EVAP）控制系統(tǒng)，其作用是：收集和控制燃油箱內的蒸氣，并將燃油蒸氣存儲起來，在合適的時機提供給發(fā)動機燃燒，防止燃油蒸汽泄漏到大氣中去。

如圖7 所示，自然吸氣電控汽油發(fā)動機的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)主要由燃油加注口蓋、燃油箱、炭罐、蒸發(fā)排放進氣口、蒸氣管、通風管、吹洗管、吹洗電磁閥等部件組成。其工作過程為：燃油箱中的燃油蒸氣經(jīng)蒸氣管到活性炭罐，被收集存儲起來。當EVAP 系統(tǒng)工作時，發(fā)動機電腦以占空比形式控制吹洗電磁閥開啟，此時，進氣岐管內的真空施加到EVAP系統(tǒng)，新鮮空氣被吸入炭罐，炭罐中儲存的燃油蒸汽被吹洗出來并與吸入的新鮮空氣形成混合氣，混合氣在真空吸力的作用下進入到進氣歧管，然后被送入燃燒室參與燃燒。

圖7 排放蒸發(fā)（EVAP）控制系統(tǒng)的基本組成

對于渦輪增壓式電控汽油發(fā)動機，其蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)在炭罐和吹洗電磁閥之間的吹洗管中加裝了一個單向閥（圖7），用以防止渦輪增壓器工作時進氣歧管的氣體在正向壓力作用下反流到活性炭罐。

8 對發(fā)動機真空源的影響

自然吸氣式電控汽油發(fā)動機主要以節(jié)氣門后方的進氣歧管真空作為真空源，為制動系統(tǒng)真空助力器等提供真空。

而渦輪增壓式電控汽油發(fā)動機在渦輪增壓器工作時，進氣歧管內將呈現(xiàn)為正壓力，無法為真空助力器等提供必要的真空來源，因此，就需要為提供真空而加裝專門的真空泵，主要包括機械式和電子式。

此外，為了能夠更好地與廢氣渦輪增壓器匹配工作，渦輪增壓式電控汽油發(fā)動機內部的活塞頂及燃燒室形狀都需要在自然吸氣式發(fā)動機的基礎上進行必要的改變。

9 結束語

綜上所述，廢氣渦輪增壓技術在電控汽油發(fā)動機上的應用，一方面提升了發(fā)動機進氣效率和動力性能，另一方面也使得發(fā)動機相關系統(tǒng)結構更加復雜，維護成本和維修難度增加。