2013年第4期
增压器与增压技术
国外内燃机
采用两级涡轮增压器提高功率密度
【韩】KangJLeeJSong H-SLeeD
摘要：对于乘用车柴油机而言，较高的进气密度或较高的增压压力是提高功率密度和满足严格的排放法规要求所必需的条件。然而，若采用单个可变几何截面涡轮增压器，要消除涡轮增压的固有缺陷存在一定的局限性，很难协调低速担矩与额定功率的关系。Hyundai汽车公司的R系列2.2L柴油机通过使用串联式两级涡轮增压器，获得了出色的功率密度，其额定功率为165kW，低速担矩为 350N·m。并且，在1250～2250r/min的发动机转速区域，均可保持500N·m的最大扭矩。与目前采用单个可变几何截面涡轮增压器的R系列2.2L柴油机相比，功率密度增加了12%以上。两级涡轮增压荣油机的燃油经济性略微优于目前的R系列2.2L柴油机，与采用单个可变几何载面涡轮增压器的3.0L荣油机相比，燃油耗进一步降低。车辆试验结果也表明，采用两级涡轮增压器的R系列 2.2L柴油机可代替3.0L单级可变几何截面涡轮增压柴油机，而不会使驾驶性能变差。
玉可变几何截面燃油耗
关键调：两级涡轮增压器
串联式涡轮增压
0前言
一般来说，进人燃油喷雾的空气吸人量控制着高速直喷式柴油机的燃烧速率。燃烧室内的空气密度、喷油速率和喷嘴几何形状是提高空气吸人量的重要参数"。提高增压压力还可以在不降低空燃比的情况下，实现更多的废气再循环（EGR)，这是控制氮氧化物（NO)排放的有效手段。因此，较高的增压压力、合适的排气压力，以及更有效的中冷系统不仅对于提高功率密度，而且对于满足严格的排放法规要求起着重要的作用，
由于可变几何截面涡轮增压器（VGT)即便在低排气流量下也能灵活地产生涡轮功，它已被配装在各种柴油乘用车上。与废气旁通闵型涡轮相比，为了在不辆性低速扭矩的情况下增加额定功率，可选用较大尺寸的VGT。但是，单个压气机不足以有效地适应整个发动机的运转范围，惯性力矩会随着涡轮尺寸的增大而增加。因此，仅选用单个较大的 VGT，要使功率密度增加10%以上，同时又要避免车辆的低速扭矩和响应性恶化，是非常具有挑战性的。相反，由2个不同尺寸的涡轮增压器组成两级涡轮增压器，在高质量流量和低质量流量条件下都能有效工作。所以，比起单个VGT方案，两级涡轮增压器可以在更宽广的运转范围内建立较高的增压压力，从而提高功率密度。
为了有效地满足增压要求，R系列2.2L高性能柴油机采用了两级涡轮增压器（图1）。该系统由万方数据
1个自由浮动型高压涡轮增压器、1个废气旁通阀型低压涡轮增压器，以及3个旁通阀组成。高压涡轮旁通阀将排气能量分配给各个涡轮。在图1(b)的运转区①，所有的旁通阀都关闭，以便最大限度地利用可用的排气能量。在运转区②，在其他旁通阀仍处于关闭的情况下，由高压涡轮旁通阀控制增压压力。
进气
低压涡轮增压器
排气 3.0
均有效压力/MPa
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 04
压气机旁通线
压空心
冷却器
网
属压涡轮增压器
低压涡轮务通阅
1000
高压涡轮务通阀
(a)
2 000
000
发动机转速/(r-min)
(9)
000+
图1两级涡轮增压器和运行模式示意图
5000