车用发动机增压中冷技术 为什么增压后要采用进气中冷技术

　　【摘要】本文针对增压中冷技术，论述了增压的概念，并且给出了评价增压效果的增压度、增压压比两个参数，阐述了不同种类的增压系统、中冷系统的结构和原理，并对其优点和缺点进行了比较。
　　【关键词】增压中冷；增压度；增压压比
　　【中图分类号】U464【文献标识码】A
　　【文章编号】1007-4309（2010）12-0063-2
　　
　　一、前言
　　对于车用发动机，我们希望它单位体积小、重量轻、功率大，还要求节省燃油、降低排放。为了实现上述目标，车用发动机技术不断发展，目前应用较为成熟的是增压中冷技术。增压中冷是20世纪80年代后期在柴油机上广泛运用的新技术。此项技术能够使发动机燃烧完全，提高热效率，使耗油率降低，减轻了排气污染。特别是高增压柴油机，能够提高发动机功率达50％-60％，降低燃油消耗20％以上，有效减少CO、NOx和碳粒排放。由于该项技术使排气中一部分能量变成涡轮的有效功输出，因此排气噪声也降低了。增压中冷技术首先在大型柴油机上得到应用，1 000kW以上的大功率柴油机一般都采用了该技术。目前增压中冷技术不但在柴油机上得到了广泛应用，而且在汽油机上也在逐步推广采用。它是改善内燃机性能的重要手段之一。增压中冷技术的广泛应用是汽车工业的发展趋势。
　　二、增压系统
　　（一）基本概念
　　增压就是将空气预先压缩后再使其进入气缸，以提高空气密度，增加进气量的一种技术。通过增加进气量，相应地增加循环供油量。这是提高发动机功率的一个重要途径。
　　为了评价增压的效果，引入两个参数，第一个参数是增压度λz。
　　定义：λz= Nek?筑Ne。
　　增压度就是同一型号发动机采用增压后的额定功率与增压前的额定功率的比值，它的大小反映了增压后发动机功率增加的程度。增压度越大，增压效果越好。
　　第二个参数是增压压比πk，即发动机增压后的进气压力与增压前的进气压力的比值，如果不考虑进气阻力的影响，增压前的进气压力值就是大气压力值。
　　定义：πk= PkP0。
　　增压压比的大小反映了增压后进气压力增加的幅度，压比越大进气压力就越大，进入发动机气缸的空气密度也越大，进气量越多。根据增压压比的取值范围，小于1.6为低增压系统，1.6-2.5为中增压系统，2.5-3.5为高增压系统，大于3.5为超高增压系统，如法国的勒克莱尔坦克的V8X1500型柴油机所用的增压器的增压压比高达7.8。采用超高增压后，柴油机的扭矩特性和加速性得到了极大的改善，使得勒克莱尔坦克从0加速到32km/h，仅用5秒钟。
　　（二）增压系统分类
　　目前常见的增压系统有两类，第一种是机械增压系统，如图1。所谓机械增压就是由发动机曲轴经过传动机构直接带动压气机工作的增压方式。由于压气机直接由曲轴带动，所以当曲轴转速改变后，压气机的转速也同步变化，因此，机械增压发动机的特点是动态响应性较好，泵气损失小。但由于压气机工作所需的能量全部来自于发动机，这会导致机械效率降低，比油耗较高。因此机械增压的增压压比一般不超过1.7，否则压气机消耗功率过大，使得整机的机械效率下降，导致燃油消耗率增加过多。
　　图1机械增压系统图2废气涡轮增压系统
　　第二种为废气涡轮增压系统，如图2。它是利用发动机排出的废气能量驱动涡轮，再由涡轮带动压气机工作的增压方式。在涡轮增压系统中，涡轮和压气机安装在同一根轴上。涡轮增压器与发动机只有气体管路连接而无机械传动，其中涡轮与发动机排气系统连接，而压气机与进气系统连接，这种方式比机械增压结构简单。压气机消耗的功率全部由涡轮供给，因此压气机不消耗发动机本身的功率，从而提高了发动机的经济性。一般当功率提高30%-40%时，燃料消耗率可降低5%左右。
　　涡轮增压器的工作效率取决于废气所含的能量。由于发动机转速增加时，废气的能量并不能同步增大，而是有所滞后，这就使得增压器转速的变化滞后于发动机的转速变化，因此采用废气涡轮增压系统的发动机的动态响应性较差。但由于废弃涡轮增压具有增压效果明显、不消耗发动机功率及增压后发动机经济性较好等优点，在发动机上得到了最广泛的应用。
　　三、中冷系统
　　空气流经压气机后，压力上升，密度增大，进气量也随之增加。但是，因为涡轮增压器吸进的空气经压缩温度会升高，空气在流动过程中与进气管壁摩擦还会进一步升温。这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。国内外试验数据表明，增压后进入发动机的空气温度每降低10℃，柴油机的功率可提高2.5％，比油耗可降低1.5％，排气温度也可下降20%-30%。因此需要在进气增压后，设置中冷系统。目前所采用的中冷系统，主要有水对空、空对空两种，可根据不同的中冷要求和发动机的具体情况进行选择。
　　（一）水对空中冷系统
　　目前普遍使用的水冷式中冷器是采用管片式结构。管片式中冷器是在许多水管上套上一层层的散热片，经锡针焊或堆锡焊焊接在一起。冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造。水管的排列有叉排和顺排两种，水管截面的形状有圆形、椭圆形、扁管形、滴形和流线形等几种形式。
　　其中，圆管式中冷器芯子由许多散热片组成，冷却圆管穿过散热片。冷却圆管与散热片上管孔翻边凸缘连接，用来导热。圆管式中冷器的优点是对冷却水的要求较低，性能可靠，可直接供给经过筛滤的海水或河水。但空气的流通阻力较大，使空气压力损失较大。
　　由于扁管具有有利于流动的形状，所以增压空气侧产生很小的压力损失，因此可多布置散热片。但是扁管式中冷器仅限于封闭式的冷却系统，因为较狭窄的管道要求更洁净的水。
　　滴形和流线形管虽然空气阻力较小，但由于工艺性和可靠性较差，目前很少应用。椭圆管与圆管和扁管相比，具有较小的空气阻力，其工艺性和可靠性虽不及圆管但优于扁管，因此，在柴油机上多采用椭圆管作为中冷器的水管。
　　（二）空对空中冷系统
　　空对空中间冷却系统是用空气作为冷却介质，对流经压气机后的空气进行冷却，所以称为空对空。该种系统结构简单可靠，适用于缺少低温冷却水的场合。但是和水对空中冷系统比较，它的冷却效率较差，不适用于大功率发动机。
　　空对空式中冷系统最常见的结构为板翅式。板翅式中冷器由薄金属板制成翅片，两端用侧板封闭，翅片之间形成了两个互成90°的气体通道。它利用柴油机上的风扇供给冷却空气，增压后的空气与冷却空气分别流经这两个通道并进行热交换，冷却后增压空气的温度可降低到50℃-60℃，其冷却原理如图3。板翅式中冷器大多用铜和铝合金制造，其结构紧凑、传热面积大、效率高。
　　四、结束语
　　近十多年来，随着直喷和电控技术的出现，车用发动机的性能有了很大提高，增压中冷技术也得到了较大发展。目前普遍使用的涡轮增压器转速范围均为60 000-120 000r／min左右，最高已经达到260 000r／min。增压器的最高压比一般可达3-3.5，有的已经接近于5。采用增压中冷技术能够大大提高车辆动力性能，并能够节省燃油。目前，欧、美、日的汽车排放法规越来越严。尾气中CO、HC、NOx的排放值与未控制前比较：美国下降95％、96％和90％；日本下降95％、96%和92％；欧洲下降85％和78％（HC、NOx）。而采用增压中冷技术恰恰能够有效减少尾气排放。无论从环保方面还是从发动机动力性能、经济性方面看，加装增压中冷的柴油机都具有极大优势，增压中冷技术必将得到广泛应用和迅猛发展。
　　
　　【参考文献】
　　［1］朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器［M］．北京：机械工业出版社，1992：322．
　　［2］中国汽车工业公司重庆重型汽车研究所．车用柴油机的涡轮增压［M］，1985：9．
　　［3］王兴伟．增压中冷技术在拖拉机发动机上的应用［J］．农业机械，2009（11）．
　　【收稿日期】2010年10月25日
　　【作者简介】孙占红：中国人民解放军装甲兵技术学院。徐征：中国人民解放军装甲兵技术学院。周书和：中国人民解放军装甲兵技术学院。李锋利：中国人民解放军装甲兵技术学院。

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