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增压可使柴油机在排量不变,重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比,增压柴油机不仅体积小,重量轻,功率大,而且还降低了单位功率的成本。因此,增压技术不仅广泛应用在柴油机上,而且还推广到汽油机,是改善内燃发动机的重要技术手段。但是事物总有矛盾性,空气压力的提高就是空气密度的提高,空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高,温度提高反过来会限制空气密度的提高,要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示,在相同的空燃比条件下,增压空气温度每下降10摄氏度,柴油机功率能提高3%-5%,还能防止发动机燃烧温度过高,造成爆震,降低排放中的氮氧化合物(NOx),,改善发动机的低速性能。因此,也就产生了中间冷却技术。中冷器是增压系统的一部分,原理类似于水箱散热器,将高温高压空气分散到许多细小的管道里,而管道外有常温空气高速流过,从而达到降温目的(可以将气体温度从150摄氏度降到50摄氏度左右)。由于这个散热器位于发动机和涡轮增压器之间,所以又称作中央冷却器,简称中冷器。下面将对增压器和中冷器分别予以介绍: 几种增压技术的原理
发动机增压技术从研发到大规模应用,走过了漫长的历史过程。这项技术根据工作原理的不同可以分为机械增压器、废气涡轮增压器、复合式增压器、惯性增压器、气波增压器和冲压式增压器。
1、机械式增压器
所谓机械式增压器是指增压器的压气机转子由发动机曲轴通过齿轮、皮带或链条等传动装置来驱动旋转,从而将空气压缩并送入发动机气缸,达到增压的目的。这种增压器响应迅速,但由于需要额外的传动装置,机械式增压器的结构比较复杂,体积较大,同时还要消耗一定的发动机有效功率,因此燃料经济性会受到一些影响。
2、废气涡轮增压器
废气涡轮增压器则是利用发动机排出的废气能量来驱动增压器的涡轮,并带动同轴上的压气机叶轮旋转,将空气压缩并送入发动机气缸。由于废气涡轮增压器利用排气能量驱动,与发动机之间没有任何机械传动连接,使得它的机械效率更好。同时,它不需要复杂的传动机构,而通过不断的技术积累,传统废气涡轮增压器的涡轮迟滞现象也得到了很好的控制。因此成为目前应用最为广泛的发动机增压装置。
3、复合式增压器
复合式增压器也就是把机械增压器与废气涡轮增压器联合起来工作的增压装置,主要用于某些二冲程发动机上,借以保证发动机起动和低速负荷时有必要的扫气压力。复合式增压器还适合于排气背压较高的场合(如水下),但它的结构过于复杂,体积过大,多用于固定式机器,并不适合小型乘用车辆。
4、惯性增压器
惯性增压器是利用空气在进气歧管中的惯性效应、脉冲波动效应及其综合效应来提高发动机气缸充气效率的方法。惯性增压器通过特殊几何形状的凸轮轴控制气门的开启角度及时间:气缸在前半个进气行程中,进气门只开启很小的通过截面,使气缸中形成一定的负压,当活塞走过半个进气行程后,进气门迅速开启,很快达到最大通过截面,此时空气以很高的速度冲入气缸。
从某种意义上来说,惯性增压器在很大程度上推动了发动机技术的发展,目前的可变进气歧管长度技术及可变气门控制系统(如丰田的VVT-i技术)均得益于这一原理。
5、气波式增压器
气波式增压器通过特殊的转子使废气与空气接触,利用高压废气对低压空气产生的压力波,迫使空气压缩,从而提高进气压力。气波式增压器具有充气效率高、低速扭矩大,加速性好等优点。但由于它的特殊结构,气波式增压器同样存在体积大、重量大、噪音大等缺点。另外,空气压力波对进、排气阻力过于敏感,要求进气滤清器及排气消声器和管道尽可能的加大尺寸并减小阻力。由于存在许多问题,气波式增压器目前仍处于研究试验阶段。
6、冲压式增压器
冲压式增压器利用储气筒内的高压诱导空气,通过喷管将周围的空气引射入喷射器中,并在喷射器内混合,然后通过扩压管,把空气压缩到所需的压力进入气缸。虽然冲压式增压器结构简单,工作可靠,但该系统需要高压空气泵、储气筒等部件,由于其连续工作时间较短,因此在应用方面受到限制。
目前,应用最为广泛的是废气涡轮增压器与机械式增压器。但机械式增压器只有小规模的应用,这与其机械效率不高有一定的关系。
中冷器的分类:
中冷器一般由铝合金材料制成,按照冷却介质的不同,常见的中冷器可以分为风冷式和水冷式两种:
(1)风冷式利用外界空气对通过中冷器的空气进行冷却,优点是整个冷却系统的组成部件少,结构比水冷式中冷器相对简单,缺点是冷却效率比水冷式中冷器低,一般需要较长的连接管路,空气通过阻力较大。
风冷式中冷器主要由两部分组成,即散热芯体和两端的气室,散热芯体主要由流通管和散热片组成。
流通管的功能是分割压缩空气并为压缩空气提供一个流通管路,两端与气室相连,因此压缩空气不会出现泄露的问题。流通管的形状常见的有长方形、椭圆形以及长锥形3种。由于流通管的形状不同,中冷器对压缩空气的阻力和冷却效率也不同。许多中冷器为了提高冷却效率,会在流通管内壁上设置突起,以增加压缩空气与流通管内壁的接触面积,但是这样会产生较大的气流阻力。
散热片位于上下两层流通管之间,并紧密的与流通管靠在一起,其功能是为流经流通管的压缩空气散热。当外界较低温度的空气流经散热片时,就能将热量带走,从而达到冷却压缩空气的目的。
多个流通管和散热片组合在一起,并多层重叠,就构成了中冷器的散热芯体。另外,为了使来自增压器的压缩空气在进入中冷器的芯体之前有缓冲和蓄压的空间,且在流出芯体之后能提高空气流速,通常在芯体的两侧安装有气室。气室的外形与漏斗相似,其端部还会设置圆形进出口,以方便连接进气管路。
风冷式中冷器因其结构简单和制造成本低而得到了广泛应用,大部分涡轮增压发动机使用的都是风冷式中冷器,例如华泰特拉卡TCI,一汽大众宝来1.8T。
(2)水冷式中冷器利用循环冷却水对通过中冷器的的空气进行冷却。优点是冷却效率较高,而且安装位置比较灵活,无需使用很长的连接管路,使得整个进气管路更加顺畅。缺点是需要一个与发动机冷却系相对独立的循环水系统与之配合,因此整个系统的组成部件较多,制造成本较高,而且结构复杂。
水冷式中冷器主要由两部分组成,即散热芯体和中冷器壳体,散热芯体主要由流通管和散热片组成。与风冷式中冷器不同的是,水冷式中冷器的散热芯体完全包裹在中冷器壳体内部,中冷器壳体上连接有循环水管,冷却水在水泵的作用下不断循环,将流通管内的压缩空气冷却。冷却液将压缩空气冷却后温度会升高,因此需要一个独立的散热器为冷却水降温。水冷式中冷器的应用比较少,一般用在发动机中置或后置的车辆上,以及大排量发动机上,例如奔驰S600CDI和奥迪A8TDI.。
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