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双涡轮增压(涡轮机增双增压)

大家好,我是李爵士。了解发动机技术,用通俗的语言为你讲解发动机的先进方案和基本原理~写一篇文章不容易。如需转载,请务必挂此文链接,抄袭必究~

上一期李爵士讲解了变截面增压器。今天,李爵士带来了另一项增压技术。与变截面涡轮增压器相比,这种技术可以进一步提高发动机的性能,这就是双涡轮增压器。

双涡轮增压的作用

通过之前作品的讲解,大家应该对增压器的适用性有了基本的印象。理想的发动机增压系统应满足以下条件:

——低速时可实现高增压比,响应快;

——高速时,超速或压比不会太高;

-压力比可在一定范围内调节。

双涡轮增压(涡轮机增双增压)  第1张

发动机燃烧做功发动机燃烧功

变截面增压器通过调节涡轮的流通面积,可以在一定程度上满足上述要求。但一方面,汽轮机的调节范围有限;另一方面,压气机无法调节,限制了增压比,缩小了高效流量范围。那么叶轮的惯性是恒定的,这就限制了响应性的进一步提高。

有没有一种方案可以更好的协调增压器低速性能和高速性能的矛盾?双涡轮增压可以做到。该技术采用两个涡轮增压器,一个大涡轮增压器和一个小涡轮增压器,低速时一个小涡轮增压器,高速时一个大涡轮增压器,充分结合了两个涡轮增压器的优点。

双涡轮增压(涡轮机增双增压)  第2张

上汽π的双涡轮增压SAIC π的双涡轮增压

双涡轮增压器的典型排列典型的双涡轮增压器是串联排列的,两个涡轮增压器的压缩机通过管路串联,涡轮也是。

小增压器更靠近排气管。因为排气压力高,所以也叫高压增压器。大增压器离排气尾管比较近,排气压力比较低,也叫低压增压器。

双涡轮增压(涡轮机增双增压)  第3张

双涡轮增压器的结构双涡轮增压器的结构

双涡轮增压器可以在三种状态下依次切换:只有小涡轮增压器工作,大涡轮增压器同时工作,只有大涡轮增压器工作。为了控制工作状态,有一个废气调节阀,用于将废气的比例分配到高压级和低压级;还有一个空气体旁通阀,用于将空气体量旁通至高压级。

这两种增压器都可以采用普通的放气阀增压器,也可以选择部分高压增压器采用变截面增压器,进一步提高发动机性能。在SAIC π柴油机的双涡轮增压版本中,其高压级采用了霍尼韦尔的VNT增压器。

双涡轮增压(涡轮机增双增压)  第4张

上汽π的双涡轮增压布置SAIC π的双涡轮增压配置

双涡轮增压原理详解。以奔驰OM651发动机为例,详细讲解双涡轮增压的原理。

当车辆以高油门行驶时,当发动机转速低于1200rpm时,废气调节阀和空气体旁通阀都关闭。此时,所有废气首先流经高压增压器的涡轮,然后流向低压增压器的涡轮,最后流出双涡轮系统。此时,大部分的排气能量作用在高压增压器的涡轮上,即使排气流量较低,仍能快速产生较高的增压压力。剩余的排气能量作用在低压增压器的涡轮上,但由于能量较低,效果并不明显。在这种状态下,低压增压器的放气阀也会关闭。

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发动机低速运行时的状态发动机低速时的状态。

当发动机转速在1200转/分和2800转/分之间时,废气旁通阀逐渐打开,而空气体旁通阀仍然关闭。此时,部分废气直接流向低压增压器的涡轮,而不经过高压增压器的涡轮。更多的排气能量作用在低压增压器的涡轮上,通过传动轴带动低压增压器的压气机叶轮工作,对空气体进行预压缩。然后空气体经过高压增压器的压缩机叶轮,进行第二次压缩。所以在这种状态下,两个增压器一起工作。在此过程中,低压增压器的放气阀仍然关闭。

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发动机中速运行时的状态发动机中速时的状态。

当发动机转速高于2800转/分时,高压增压器已经达到极限。如果继续加载,就会堵塞,高压增压器的转速不升反降。所以这个时候所有的废气调节阀都是打开的,几乎所有的废气都流向低压增压器的涡轮。空如果气体继续通过高压增压器,一方面不会再被压缩;另一方面,在经过高压增压器的压气机叶轮时,会造成额外的压力损失和温升。此时,打开空气体旁通阀,使几乎所有空气体直接流向中冷器。泄放阀会根据具体工况动作,在进气压力过高无法调节低压增压器输出时打开。

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发动机高速运行时的状态发动机高速运转时的状态。

因为空气体经过两级增压器增压后温度上升明显,有时只有一个中冷器无法达到良好的冷却效果。所以进气温度过高,热膨胀导致实际进入气缸的空气体量减少,影响发动机性能。为了解决这个问题,有时在低压增压器的压缩机之后和高压增压器的压缩机之前增加一个中间冷却器,称为级间中间冷却器,以提高冷却效果。

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级间中冷器级间中间冷却器

双涡轮增压的优缺点双涡轮增压技术的优点与变截面涡轮增压器相似,但优点更明显:

——全速范围内输出扭矩和功率更高;

-更快的低速响应;

——所有工况下的油耗更低;

——协助实现EGR率;

——高原功率损耗明显降低。

具体可参考上一期关于变截面增压器的介绍,此处不再赘述。

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双涡轮增压器双涡轮增压器

双涡轮增压的主要缺点如下:

-成本高:因为是两个增压器,零件成本高;需要在校准期间控制每个控制阀的动作,这增加了开发时间和成本。如果是两个普通增压器组合,成本比变截面增压器便宜。但如果是VNT+普通放气阀增压器的组合方案,成本会大大增加。

——整机可靠性问题多:由于在排量不变的情况下,通过双涡轮增压提高了发动机功率和扭矩,增加了部分零件在高负荷下的故障风险。

——曲轴箱压力升高:由于使用了两个增压器,增压压力变大,曲轴箱压力升高。如果是开放式呼吸系统,可能会有较大的向下排气;有些地方也可能漏油;

——双涡轮增压占据空的大空间,很难在机舱内布置。

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奔驰双涡轮增压梅赛德斯-奔驰双涡轮增压

结论由于双涡轮增压的缺点,尤其是成本和可靠性方面的原因,目前国内发动机很少使用双涡轮增压技术。同时,很明显那些采用双涡轮增压技术的发动机相比普通涡轮增压技术的发动机在性能上有明显的优势。

想买高档车,需要有极致的提速能力,踩油门会给人一种明显的推背感;或者越野能力强,能在高原上翻山越岭涉水,走土路。找双涡轮增压配置的车,不会失望的。

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高端车高端汽车

如果你对变截面增压器有什么疑问,欢迎留言讨论。

如果这期对你有帮助,欢迎随时关注,喜欢。我是李爵士,一位将陪您了解更多发动机知识的朋友。

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