汽油机增压的技术问题及其解决方案

　　评论：　更新日期：2018年07月28日

摘要：汽油机增压，虽然在增压原理上与柴油机增压基本相同，但在技术上要比柴油机增压困难得多。主要由于汽油机增压后爆震的倾向增大，热负荷增高，且增压系统较为复杂。过去除高强化汽油机的赛车和高原行驶车辆采用增压技术外，一般汽油机很少应用。20世纪70年代后，世界各地特别在发达国家，城市污染与噪声已成公害，再加上石油危机，这就促使汽油机增压技术得到较快的发展。本文主要讲述了增压问题及其解决方案。着重论述了存在的关键性技术问题：排温过高、爆燃、热负荷等。
关键词：涡轮增压爆燃热负荷增压中冷
一、汽油机增压技术的难点
（一）爆燃倾向增大
爆燃是气缸内未燃部分混合气在火焰前锋到来之前自行燃烧，在气缸内形成无方向的爆炸燃烧。因爆燃发生时，缸内的压力曲线出现高频大幅度波动，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，故又称为敲缸或爆震。增压使压缩终了混合气的温度和压力趋于升高，致使爆燃的倾向增大。汽油机由于受爆燃限制，压缩比ε较低，因而造成燃烧膨胀不充分，致使排气温度较高。
（二）热负荷加重
汽油机混合气的浓度范围窄，燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大，又因为汽油机不能利用加大扫气来冷却受热零件，因此使得汽油机在增压后的热负荷偏高。
（三）混合气的控制
汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新问题。电控汽油喷射技术的应用，为增压技术在汽油机中的应用扫除了一大障碍。
（四）汽油机与增压器匹配困难
与柴油机相比，汽油机的转速范围宽，从低速到高速混合气质量变化大。当节气门突然开打时，增压器相应滞后；增压后发动机排气温度高，易造成增压器损坏；并出现低速时增压压力不足，高速时增压压力过高及寿命降低的情况。
二、汽油机涡轮增压的主要技术措施
（一）汽油机增压爆燃的技术措施
1、降低压缩比ε
降低压缩比可以降低压缩中了混合气的温度Ta，控制爆燃的发生，正是增压后解决爆燃的常用方法。实践证明：在使用辛烷值为90的汽油时，汽油机的压缩比从8.6降到7.0，废气涡轮增压后的最大功率Pemax可增加60﹪，一般增加40%―50%。其次，也可以在缸体一侧安装保证传感器来监测发动机的爆震情况，由ECU适时地根据爆燃强度调整点火定时，是发动机点火始终工作在最佳的点火时刻。
2、增压中冷
增压后增压器出口温度（即进入气缸的进气温度）Tk自然吸气式的相比要高很多。增压中冷就是在增压器出口与进气管之间加装中间冷却器，对进入气缸的空气进行冷却，可以有效地降低压气机后气体的温度，增加混合气的浓度，这是废气涡轮增压发展的一个方向。采用增压中冷技术可使汽油机在高速高负荷工况下得到较好的经济性和功率输出，降低热负荷，延长零部件的使用寿命。发动机中间冷却技术的类型根据所采用的冷却介质的不同分为两种，一种是利用发动机的循环冷却水对中冷器进行冷却，即水－空中冷系统。另一种是利用外界空气冷却，即空－空中冷系统。这种系统结构简单，性能可靠，热传导效率高，汽车发动机大都采用空气冷却式中冷器。空－空中冷系统由中冷器,进出气连接管路组成，其中中冷器是其核心部件。
3、其他措施
如采用高辛烷值的汽油，提高发动机的抗爆性；减小点火提前角；采用双火花塞点火及向汽缸喷水等都可以降低汽油机在增压后发生爆燃的倾向。
（二）汽油机增压热负荷高的技术措施
采用排气放气阀控制增压压力的方案可简单有效地限制热负荷，在有些发动机上，排气旁通阀的开闭由安控单元控制的电磁阀操纵。电控单元根据发动机的工况，由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力，并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较，然后根据其差值来改变控制阀的开启时间，进而改变排气旁通阀的开度，控制排气旁通量，借以精确地调节增压压力以限制发动机的热负荷。其次，电控废气再循环、增压中冷技术对降低热负荷也是有效的。
（三）汽油机与增压器匹配的技术措施
汽油机要与增压器良好匹配需要解决几个问题：
1、需要对增压压力进行控制
车用汽油机工作转速范围较宽，发动机进气质量流量的变化范围也较宽，这就要求增压器具有较宽的流量范围，以适应车用汽油机的要求。车用汽油机增压要求在部分符合和部分转速工况具有良好的转矩特性及动态响应特性，要求汽油机在匹配涡轮增压器时其基本匹配点必须选择在部分工况，然而这会导致额定工况时增压压力过高。因此，要使车用汽油机在涡轮增压后能在常用转速范围内保持一定的转矩储备，避免效率压缩而导致重启温度过高，而且又能使其在额定增压压力下不至于过高而引起爆燃，因此需要对增压压力进行控制。如采用进气减压阀和排气放气阀、变截面涡轮、双涡轮增压器等。
2、涡轮增压器响应之后的对策
非增压汽油机的加速性较好，增压后，当节气门位置突然变化时，要求混合气浓度迅速变化，但增压器供气往往跟不上，从而增压汽油机的“反应滞后”现象比增压柴油机更为严重。一般可采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案；带旁通阀的控制系统，减小进排气管长度及容积、提高压缩比及可变点火正时等措施，来减少“反应滞后”现象。