发动机废气涡轮增压器控制方式分析

宋学忠

付薛洁高举成：发动机废气涡轮增压器控制方式分析

２７

毋。。。。。。。。。。。吣

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产品分析

８

发动机废气涡轮增压器控制方式分析

ＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅＣｏｎｔｒｏｌ

Ｍｏｄｅ

ｏｆＥｎｇｉｎｅＥｘｈａｕｓｔＴｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ

宋学忠付薛洁高举成

（烟台南山学院）

（摘要］发动机废气涡轮增压器是利用发动机的废气推动涡轮并通过涡轮带动同轴的叶轮转动，增加进气压力，提高发动机功率和燃油经济性。本文主要介绍对涡轮转速的几种不同控制方式并分析每种控制方式对发动机性能的影响。

（关键词］废气涡轮增压器

涡轮转速控制方式

性能影响

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｅｎｇｉｎｅｅｘｈａｕｓｔｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ

ｃａｎ

ｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｉｎｔａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅｗｈｉｌｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅ

Ｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｉｓ

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ｅｎｇｉｎｅｐｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｓ．

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ｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｓｅｖｅｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｓｆｏｒｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｓ

ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｉｔｈｅａｃｈｍｏｄｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｒｍａｎｃｅ

Ｅｘｈａｕｓｔｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ

Ｔｕｒｂｉｎｅｓｐｅｅｄ

Ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅ

Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｐｅｒ—

１．普通废气涡轮增压器结构、工作原理及缺点

１．１

普通废气涡轮增压器结构、工作原理

如图１、图２所示，废气涡轮增压器（Ｔｕｒｂｏ）

实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮（位于排气道内）转动，涡轮又带动同轴的叶轮（位于进气道

图１

普通废气涡轮增压器结构

内）转动，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送人气缸。当发动机转速加快，废气排出量及速度增加，涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约４０％甚至更多的功率。１．２普通废气涡轮增压器的缺点

１．２．１发动机在低速时，排气流量较少，涡轮转速达不到所需要的转速，空气压缩不足，因而出现

了增压空气压力低，发动机扭矩增量过小的缺点。

发动机功率达不到要求，出现增压滞后的现象。这

就是我们经常说的“涡轮迟滞（Ｔｕｒｂｏｌａｇ）”现象

２８

内燃机与配件

２０１４年第２期

１．２．２发动机在高速高负荷时，排气流量很大，导致涡轮的转速较高，进气压力增加很大，压缩空气量超出需要量，导致发动机出现爆震，油耗上升，增压器超速等故障。

２．废气涡轮增压器控制方式分析

２．１

旁通阀式涡轮增压器（即带有旁通阀的废气

涡轮增压器）

２．１．１

旁通阀式涡轮增压器的工作原理：

发动机低转速下．机械控制旁通阀式涡轮增压器工作原理

针对普通废气涡轮增压器的缺点，为了提高发动机的低速性能，使用小尺寸的轻质涡轮。首先，小涡轮会拥有较小的转动惯量，在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速，产生较大的进气增压压力，提高进气量，改善低速性能，从而有效改善涡轮在低速时的迟滞现象。但是使用小尺寸的轻质涡轮在发动机高速时则会产生过高的空气压力和流量，导致出现气缸爆发压力过高及增压器超速的现象。为避免出现这样的结果采用了旁通阀组件（如图３），即在高速高负荷时，旁通阀门打开，部分废气经旁通阀直接进入排气管，放掉一部分废气，涡轮转速下降，从而来控制增压的压力。在汽车涡轮增压系统中设置排气旁通阀，是调节增压压力最简单、成本最低而又十分有效的方法。

旁通阀门

增压压力控触器出气压力

当增压压力较大

ｂ发动机矗转逯时．机械捏利秀通闷式祸轮增压器工作原理

围５机械控制旁通阀式祸轮增压器的工作原理

如图５（ａ）所示，旁通阀执行器中膜片左侧通增压的气体，当发动机低转速运转时，压气机出口压力较低，旁通阀在回位弹簧的作用下关闭，发动机排出的废气全部通过增压器的涡轮端，从而提高了涡轮的转速，能够产生较大的进气增压压力，提高进气量，改善发动机的低速性能。

如图５（ｂ）所示，当发动机高转速运转时，增压后的进气压力超过规定值，增压气体将排气执行器中的膜片顶起，带动旁通阀拉杆移动，打开排

ｋ司囡

口

图、１

气室摩片

ｌ

排气旁通阀的结构崮

气旁通阀门，于是一部分废气不通过增压器的涡轮端，从排气旁通道直接排人大气，使涡轮进口流量减少，压力降低，增压器转速下降，减少增压的压力。

２．１．２．２

２．１．２旁通阀式涡轮增压器的控制方式

２．１．２．１

机械控制旁通阀式涡轮增压器的结构及

工作原理

如图４所示，机械控制旁通阀式涡轮增压器主要有控制气室、拉杆、旁通阀门等组成。其工作原理如图５（ａ）、图５（ｂ）所示。

电子控制旁通阀式涡轮增压器的结构及

工作原理

如图６（ａ）、（ｂ）所示，排气旁通阀的开闭由电控单元ＥＣＵ控制的增压压力控制电磁阀操纵。电控单元ＥＣＵ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电磁阀开闭的脉冲信号占空比，以此改变电磁阀的开启时间，控制气动室右腔的气体压力，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。

图４机械控制旁通阀式涡轮增压器实物图

宋学忠付薛洁

高举成：发动机废气涡轮增压器控制方式分析

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成，以免影响旁通阀执行机构的灵敏度和可靠性。

电子控制旁通阀式涡轮增压器在发动机低速时工作原理图

【至｜、

２．２可变截面涡轮增压器

２．２．１

涡轮的尺寸首先与废气涡轮增压器的涡轮

迟滞有关，增压涡轮越大，涡轮就越难以被驱动，涡轮迟滞就越明显。如果增压涡轮尺寸很小，迟滞就会大幅减轻。涡轮尺寸又与增压能量相关，小尺寸的涡轮虽然可以缓解涡轮迟滞，但在发动机转速较高和负荷较大时，增压器工作时由于排气截面较

】，

电干控制蒡通吲式涡轮增Ｊ土稍在发动机昌透局负荷时工作腺理崮

图一，

电子控制旁通阀式涡轮增压器工作原理图

小，会使排气阻力增加，因此，它能提供的增压值有限，不利于提升发动机的动力。因此涡轮尺寸、涡轮迟滞与增压值之间存在着一定的平衡关系。为了克服普通废气涡轮增压器和旁通阀式涡轮增压器的缺点，让涡轮增压发动机在高、低转速下都能保证良好的增压效果，取得既能避免涡轮迟滞，又可以获得较大功率的双重效果。可变截面涡轮增压

ＶＧＴ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙ

２．１．３旁通阀式涡轮增压器的缺点：

２．１．３．１排气旁通阀打开，排气旁通之后，排气能量的利用率下降，致使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差。

２．１．３．２旁通阀式涡轮增压器在低转速时，会出现增压滞后的现象。

２．１．３．３当发动机转速提高时，小涡轮由于排气截面较小，会使排气阻力增加（产生排气回压），因此发动机的功率和扭矩会受到一定的影响。２．１．４旁通阀式涡轮增压器使用注意事项：

２．１．４．１

Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）技术便

应运而生。

２．２．２２．２．２．１

可变截面涡轮增压ＶＧＴ的工作原理如图９所示，根据流体力学原理，若两

个管内的气体压力相同，气体流过有颈缩的管的速度要比流过无颈缩的管的速度快得多，这就是可变截面涡轮增压ＶＧＴ的基本工作原理。

如图７所示，旁通阀执行器中的弹簧的

预紧压力的设定和校验是在制造厂的专门设定和校验的设备上进行的，用户不能随意调整、变动。

．————・————－—－◆７。－－－－－—－－－－－－－－◆

——＿——－——－＿－＿＿—Ｉ＿－卜

—・－－—ｌ——・＿・——－－－■卜

圈９

图一

可变截面桶轮增压ＶｂＴ的基本工作原理

２．２．２．２

ＶＧＴ技术的核心部分就是可调涡流截面

２．１．４．２如图８所示，切勿将装在旁通阀增压器

总成外面的推杆等零件当作把手用来搬动增压器总

的导流叶片（如图１０所示），涡轮的外侧增加了一圈可由电子系统控制角度的若干个导流叶片，每个

３０

内燃机与配件

２０１４年第２期

导流叶片的相对位置是固定的，但是叶片的角度可２．２．２．５

ＶＧＴ可变截面涡轮增压器只能通过改变

以控制和调整。

排气入口的横切面积改变涡轮的转速特性，但是涡

ＶＧＴＩＶａｒｉａｂｌｅ

Ｇ∞ｍｅｔｒｖＴｕｒｂｉｎｅｌ

轮的尺寸大小并不会发生变化。

２．２．３可变截面涡轮增压ＶＧＴ的控制方式２．２．３．１

真空调节器控制式

崮…ｏ】变截面祸轮增压＼（，】的导流叶片

２．２．２．３如图１１所示，在系统工作时废气会顺着

图１二

真空调节甜控制式结构不蒽｝茔｜

导流叶片送至涡轮叶片上，通过调整叶片角度，控如图１２所示为真空调节器控制式结构示意图，制流过涡轮叶片的气体的流量和流速，从而控制涡主要由发动机控制单元、真空泵、各种传感器、导轮的转速。如图１１左图所示，当发动机低转速、流叶片角度控制阀（执行器）等组成。其中导流叶排气压力较低的时候，导流叶片打开的角度较小。片角度控制阀为膜片式负压执行器，它的动力源为根据流体力学原理，此时导入涡轮处的空气流速就真空泵。发动机控制单元接收各种传感器信号，进会加快，增大涡轮处的压强，从而可以更容易推动行分析判断，然后向控制导流叶片角度控制阀中的涡轮转动，增加涡轮的转速，从而有效减轻涡轮迟电磁阀发出控制信号，通过改变电磁阀的电路的导滞的现象，也改善了发动机低转速时的响应时间和通和断开的时间比（占空比），来改变阀芯移动的位加速能力。如图１１右图所示，随着发动机转速的置，从而调节低压箱左腔的真空度的大小（如图１３提升和排气压力的增加，叶片也逐渐增大打开的角所示），通过如图１４所示的控制杆系、调整圈、导度，在全负荷状态下，叶片则保持全开的状态，减向销、叶片轴的运动来改变导流叶片的角度。当发小了排气背压，从而达到一般大涡轮的增压效果。

动机低转速、排气压力较低的时候，导流叶片打开叶片角度小＝废气进ｎ截阿碱小叶片角度大＝废７‘进ｌＪ截面增大

的角度最小（如图１３ａ所示）。当发动机高速、排气压力较高的时候，导流叶片打开的角度最大（如图１３ｂ所示）。当发动机中速运转时，导流叶片打开的角度处于中间的位置（如图１３ｃ所示）。

箱

堑）

图１可变截面涡轮增压＼【－Ｊ的工作原理示意图

【＿一２．２．２．４

由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进

行有效控制，这也就实现对涡轮的过载保护，因此－熟样闶一杏置一Ｌ一厂

拦ｌ≯

ｆ＿

使用了ＶＧＴ技术的涡轮增压器都不需要设置排气罕酽

旁通阀。

宋学忠付薛洁

高举成：发动机废气涡轮增压器控制方式分析

２．２．４２．２．４．１

３１

ＶＧＴ对发动机的影响

平顺性。带ＶＧＴ的车型由于没有涡轮

迟滞，低速扭矩充沛，加速时没有动力陡增的现

叶片角度娃于中两状态

ｌ

象，动力输出平顺。

２．２．４．２低油耗、低噪音。普通涡轮增压发动机在低速状态下由于没有涡轮增压器介入，此时的混合气浓度并不能满足发动机的工况要求，燃烧效率低。ＶＧＴ发动机无论高低转速都能在最佳工况下

叶片处于中间状态时的真空度控制

图１３

真空调节器控制式工作原理示意图

运行，燃烧效率高，从而可以明显降低油耗，降低柴油发动机因工作粗暴产生的噪音。

低压篇

涸整圈

导销

支承闽叶片

～．少７

拄制杆系

ｌ空制杆系导向销

图１４导漉叶片角厦控制传动机构

图１５

电子执行嚣直接控制式ｖＧＴ控期系统示意图

２．２．３．２

电子执行器直接控制式

如图１５所示，电子执行器直接控制式主要由三部分组成：传感器、ＥＣＵ、控制执行器。传感器用于检测发动机的各种参数，判断发动机所处的工况。ＥＣＵ接收各种传感器信号，进行分析判断，计算出目前增压器所需的导流叶片的截面积的大小，输出控制指令。电子执行器（如图１６所示）接收ＥＣＵ发出的控制指令，把控制信号转变成步进电机的机械转动，推动调节杆，通过调整圈、导向销、叶片轴来改变导流叶片的角度，从而实现可变截面技术。这种由电子执行器直接控制的方式要比真空调节器控制式反应更快、控制更准确，可以实现更快速和更精确的进气压力控制。

表１

增压器

型类

２．２．４．３

崮＿Ｉ，

电子执仃菇买物剧

高速动力允沛。在高速状态下ＶＧ，ＩＩ口Ｊ

以提供足够的增压值，有利于发动机高速动力的发挥，提高发动机的动力性。

３

３．１

总结

采用不同类型的废气涡轮增压器的代表车型

如表１所示

普通废气

涡轮增压器

旁通阀式涡轮增压器

机械控制式

可变截面涡轮增压器（ＶＧＴ）

真空调节器控制式

（１）Ａｕｄｉ２００１

８Ｔ

电子控制式电子执行器直接控制式

采用车型

上柴６１３５发动

机采用的Ｊ１１０增压器

长城哈弗

ＧＷ２．８ＴＣ型柴油机

帕萨特Ｂ５１．８Ｔ

（２）长城绿静２０Ｔ柴油发动机（３）华泰圣达菲Ｄ４ＥＡ柴油机

华泰２．ｏＴ

（ＯＥＤ４８３Ｑ发动机）

３．２

ＶＧＴ的技术核心在于它的增压器可以改变截很低的状态下涡轮也可以顺利启动，大大减轻了涡轮迟滞。在高转速状态下，增压涡轮会采用较大的截面积，这样可以大幅度提升增压值，从而提升发

面积，这就相当于改变了增压涡轮的大小。在转速较低时，增压涡轮会采用较小的截面积，即使转速

内燃机与配件２０１４年第２期

动机的最大功率和扭矩。

３．３

版社，２０１０：１０６—１０９

ＶＧＴ可变截面涡轮技术对于增压效果的提升

［２］邢忠义．汽车新结构与新技术［Ｍ］．北京：机械工业

出版社，２００８：２６—３２作者简介：

宋学忠：男，１９６６一，烟台南山学院汽车技术教研室

非常显著，在目前主流的涡轮增压柴油发动机上，这项技术已经得到了非常普遍的应用。不过，由于硬件材质的限制，这项技术在排气温度较高的汽油发动机上才刚刚起步。不过，随着材料科技的进步，这项技术在未来的汽油发动机上也必将会得到更广泛的应用。

参考文献

［１］王林超．汽车电控技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出

主任、副教授，高级工程师、高级汽车维修工。研究方向

为汽车检测维修技术、汽车电控技术。

付薛洁：女，车辆工程博士。研究方向为汽车零部件

可靠性。

高举成：男，车辆工程博士。研究方向为车辆制动安

全性、汽车操纵稳定性。

（上接第２６页）

床和ＣＪＫ６１５０简易数控车床。原机床主轴刚性差，只能直线运动，无法实现圆弧、锥度加工要求。使用多功能数控车床，将水套壁加工到成品图纸尺寸，可以有效减少后道工序的切削工作量。４．精镗内孑Ｌ

精镗内孔的质量决定了精珩内孔的加工质量，精镗每边留出ｏ．０５一ｏ．０７毫米的精珩余量。精镗使用气缸套支承肩下端面定位，然后使用橡胶夹具气压抱紧水套壁。因精镗的余量比较大，须使用多刀刃刀盘（可装３—７个刀片），将切削余量有效地分配到各个刀片上，一般第一个刀片切削量较大，然后逐步递减，这样可以有效降低刀片的使用寿命。５．精细车

此道工序为关键工序，除水套壁和内孑Ｌ尺寸，其余尺寸都在精细车工序完成。为保证湿式套支承肩、上腰、下腰之间的形位公差，要一次装夹车成，因为分二至三次装夹极易造成气缸套的同轴度和垂直度（或圆跳动）超差。使用精度较高的塑料夹具，有效保证外圆的加工精度。６．精珩内孑Ｌ

作者简介：

随着设备性能的提高，原工艺流程中需要３次装夹加工的，现只需经过一次装夹，就可以将内孔尺寸和平台网纹参数加工到位。原工艺流程粗珩和半精珩阶段切除加工余量，修正几何形状误差，保证珩磨网纹的角度。内孔抛光时，磨平尖峰，形成表面网纹参数（ＤＩＮ４７７６）Ｒｚ、Ｒｋ、Ｒｐｋ、Ｒｖｋ、Ｍｒｌ、Ｍｒ２等一系列技术指标。现使用的双进给多功能珩磨机，配合使用双进给磨头，可以同步完成以上工序，极大地提高生产效率。７．结语

随着机床设备、刀具切削性能的提高与发展，选择先进的机床装备和合理的工艺参数，气缸套加工工艺将会进一步优化，来满足企业的发展需求。

王乃明（１９８５一），男，工程师，主要研究方向设备管

理与工艺优化

王振兴（１９８３一），男，工程师，主要研究方向内燃机零部件的工艺流程与技术改进

张云虎（１９８７一），男，工程师，主要研究方向生产工

艺的刀具选用与工装设计

发动机废气涡轮增压器控制方式分析

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

宋学忠， 付薛洁， 高举成烟台南山学院

内燃机与配件

Internal Combustion Engine & Parts2014(2)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_nrjpj201402008.aspx