废气涡轮增压对电控汽油发动机系统结构的影响

张宪辉

（大连职业技术学院，辽宁 大连 116037）

前言

近年来，随着我国节能减排环保政策的日趋严格，对汽车排量的限制也不断加强。各大汽车生产厂家为此采取了各种应对措施。在燃油车领域，一方面要进行发动机小排量化以满足国家对汽车排量的限制要求，另一方面还要满足消费群体对汽车动力的需求，因此，“小排量＋废气涡轮增压”成为解决这两方面问题的主要技术路径。

废气涡轮增压技术是利用发动机排气歧管排出的废气推动废气涡轮，由废气涡轮带动进气叶轮压缩进气空气，从而提升进气充气效率，增加进气量，达到提升发动机动力的目的。

为了采用废气涡轮增压技术，电控汽油发动机不得不在自然吸气的基础上对相关系统结构进行必要的调整和改变。

1 对进气系统的影响

自然吸气式电控汽油发动机的进气系统路径通常是：空气滤清器→进气软管（空气流量计）→节气门体→进气歧管→发动机气缸盖（进气门）。

如图1 所示，由于废气涡轮增压的加入，电控汽油发动机的进气系统发生了如下变化：空气滤清器→进气软管（空气流量计）→废气涡轮增压器压气机进气口→废气涡轮增压器压气机→废气涡轮增压器压气机出气口→增压后进气管路→进气冷却器（中冷器）→增压后进气管路→节气门体→进气歧管→发动机气缸盖（进气门）。

图1 废气涡轮增压的进排气路径

对比可见，安装了废气涡轮增压器的电控汽油发动机，其进气系统在自然吸气的基础上增加了废气涡轮增压器压气机、中冷器和必要的增压后进气管路，系统结构变得相对复杂。

2 对排气系统的影响

自然吸气式电控汽油发动机的排气系统路径通常是：排气歧管→三元催化器→排气管→消音器→尾喉。

带有废气涡轮增压的电控汽油发动机，其排气系统的路径为：排气歧管→废气涡轮增压器→三元催化器→排气管→消音器→尾喉。

由上述废气涡轮增压电控汽油发动机的排气系统路径可以看出，废气涡轮增压器安装在发动机排气歧管的出口处（如图1 所示），这是由废气涡轮增压器以排气歧管排出的废气为动力所决定的。有些发动机甚至将排气歧管与废气涡轮增压器集成为一个总成。

当废气涡轮增压器工作时，其转速可达到每分钟20～30万转，并且由于其位于排气歧管的出口处，温度很高，因此，在如此恶劣的工作条件下，为了确保废气涡轮增压器的性能和使用寿命，必须对其进行必要的冷却和润滑。

3 对冷却系统的影响

如图2 所示，为了进行必要的冷却，在废气涡轮增压器上设计了冷却水道，并通过一个进水管和一个出水管连接到了发动机的冷却系统管网当中，通过冷却液的不断循环，将涡轮增压器处的热量带走。

图2 废气涡轮增压器的冷却管路和机油润滑管路

当前很多带有废气涡轮增压器的电控汽油发动机都额外安装了电子冷却水泵。在发动机停机后，电子冷却水泵会继续运转一段时间，为增压器有效散热，防止因发动机停机后冷却液不再循环而导致增压器处热量积聚，影响增压器的工作性能和使用寿命。因此，对于那些没有安装电子冷却水泵的带有废气涡轮增压器的电控汽油发动机，在车辆长时间高速行驶后，一定注意不要停车后立即熄火，应该在停车后让发动机怠速运行2～3 分钟后再行熄火，以充分为增压器散热。

4 对润滑系统的影响

废气涡轮增压器上设计有润滑油道，有两条机油管路与之相连，如图2 所示，一条来自发动机主油道，将压力机油输送给增压器轮轴，另一条通往发动机曲轴箱，使润滑增压器轮轴的机油回流至油底壳。

废气涡轮增压器高温、高速的工作条件要求发动机必须使用高性能的机油，无论是质量等级还是黏度等级都要满足增压器和发动机的工作要求。通常情况下，增压发动机都优先选用全合成机油，机油具体的质量等级和黏度等级按照汽车生产厂家的指导要求确定。

5 对曲轴箱强制通风（PCV）系统的影响

为了防止有害的曲轴箱窜气进入大气污染环境，同时也为了防止曲轴箱窜气腐蚀发动机部件，避免过高的曲轴箱窜气压力造成曲轴箱漏油，发动机上都配有曲轴箱强制通风（PCV）系统，用于将曲轴箱窜气导入发动机气缸进行二次燃烧，从而消除其危害。

如图3 所示，自然吸气电控汽油发动机上的曲轴箱强制通风系统主要由油气分离器、PCV 阀以及连接管路等部件组成。油气分离器可以安装在气门室盖上，也可以安装在气门室盖外面的管路中，它的作用是将曲轴箱窜气中的机油蒸气分离出来，流回油底壳，防止机油消耗过大。PCV 阀是一个单向阀，也是计量阀，根据进气歧管真空度的大小来调节曲轴箱窜气的流量。PCV 系统管路分为两部分：一条管路将来自空气滤清器的新鲜空气导入气门室；另一条管路将聚集在气门室内的曲轴箱窜气和新鲜空气的混合体经 PCV 阀送入进气歧管。

图3 自然吸气发动机曲轴箱强制通风系统组成

自然吸气电控汽油发动机的曲轴箱强制通风系统对窜气的处理路径为：曲轴箱→油气分离器→PCV 阀→进气歧管→燃烧室。

对于带有废气涡轮增压的电控汽油发动机，曲轴箱强制通风系统不仅要满足自然吸气状态下的功能需求，同时也要满足在进气增压状态下的功能需要，因此，其曲轴箱强制通风系统就必须在自然吸气发动机的组件基础之上进行系统的完善。以上汽通用别克LFV 废气涡轮增压发动机为例，如图4所示，其曲轴箱强制通风系统增加了新鲜空气补给阀、抽气阀和异常窜气阀等3 个单向阀及相关管路，以满足涡轮增压未启用（自然吸气状态）、涡轮增压启用、异常大量窜气等三种工况的曲轴箱通风。在曲轴箱内产生真空时，被空气滤清器过滤后的新鲜空气经由新鲜空气补给阀进入气门室罩盖，再进入曲轴箱（图4（a））；在涡轮增压器未启用时，进气歧管内有较大真空，在此状况下的曲轴箱窜气路径为（图4（b））：曲轴箱→气门室罩盖→油气分离器→PCV 阀→进气歧管→燃烧室；当涡轮增压启用时，进气歧管内的真空度降低，此时的曲轴箱窜气路径为（图4（c））：曲轴箱→气门室罩盖→油气分离器→抽气阀→涡轮增压器进气端→中冷器→节气门→进气歧管→燃烧室；当曲轴箱出现异常大量窜气时，曲轴箱内部压力推开异常窜气阀，形成一条新的窜气路径（图4（d））：曲轴箱→气门室罩盖→油气分离器→异常窜气阀→空气滤清器后方→涡轮增压器进气端→中冷器→节气门→进气歧管→燃烧室。

图4 LFV 废气涡轮增压发动机的曲轴箱强制通风系统工作工况

上述这些单向阀的设置，主要是用来防止涡轮增压器运转时在进气歧管中所产生的正压力对曲轴箱加压。在涡轮增压器运转时，进气歧管中的压力可能会超过大气压力，如果没有这些单向阀，会使机油和窜气从凸轮轴盖流出并进入到涡轮增压器前端的进气系统，这可能导致节气门体和进气系统结焦，并且可能会降低燃烧系统和中冷器的效率。

6 对废气再循环（EGR）系统的影响

废气再循环（EGR）系统主要用于减少发动机尾气中NOX的排放，其基本原理是：将一部分废气引入发动机气缸中，破坏混合气成分，降低燃烧温度，从而抑制NOX的生成。

如图5 所示，自然吸气发动机的废气再循环系统主要由连接进气歧管与排气歧管的废气传输管路、EGR 阀和相关控制组件组成。这套系统主要依靠自然吸气发动机排气压力高于进气歧管压力的特点实现废气再循环。

图5 自然吸气发动机废气再循环系统的基本结构组成

如果发动机增设了废气涡轮增压器，那么当涡轮增压器工作时，进气歧管的进气压力升高，此时利用排气与进气的压力差来完成废气再循环就比较困难了。为此，衍生出了两种解决方案：一种是低压回路EGR 方案，一种是高压回路EGR 方案。

如图6（a）所示，低压回路EGR 是将废气引到涡轮增压器的压气机进口前的低压进气系统，其优点是容易获得排气与进气间的正向压力差；缺点是再循环的废气流经压气机和中冷器，使得压气机的进气温度高于设计温度，并且中冷器容易堵塞而导致压力损失增加。

如图6（b）所示，高压回路EGR 是将废气引到压气机出口后的高压进气系统，其优点是再循环废气不经过压气机和中冷器，不存在影响增压装置耐久性和可靠性的问题；缺点是获得排气与进气间的正向压力差较为困难。

图6 涡轮增压发动机废气再循环系统的两种方案

上述的EGR 方案都是在发动机体外进行的，称之为外部EGR 系统。为了有效解决外部EGR 系统存在的不足和问题，目前的电控汽油发动机普遍利用可变气门正时（双VVT）系统，通过对进、排气门开闭时刻和时间的调整，直接在发动机气缸内实现废气再循环，规避了因为涡轮增压器而使发动机EGR 系统结构变得复杂的诸多困扰，因此，通过可变气门正时系统来实现废气再循环的方式也称为内部EGR。

7 对蒸发排放（EVAP）控制系统的影响

当前的电控汽油发动机都配置有蒸发排放（EVAP）控制系统，其作用是：收集和控制燃油箱内的蒸气，并将燃油蒸气存储起来，在合适的时机提供给发动机燃烧，防止燃油蒸汽泄漏到大气中去。

如图7 所示，自然吸气电控汽油发动机的蒸发排放控制系统主要由燃油加注口盖、燃油箱、炭罐、蒸发排放进气口、蒸气管、通风管、吹洗管、吹洗电磁阀等部件组成。其工作过程为：燃油箱中的燃油蒸气经蒸气管到活性炭罐，被收集存储起来。当EVAP 系统工作时，发动机电脑以占空比形式控制吹洗电磁阀开启，此时，进气岐管内的真空施加到EVAP系统，新鲜空气被吸入炭罐，炭罐中储存的燃油蒸汽被吹洗出来并与吸入的新鲜空气形成混合气，混合气在真空吸力的作用下进入到进气歧管，然后被送入燃烧室参与燃烧。

图7 排放蒸发（EVAP）控制系统的基本组成

对于涡轮增压式电控汽油发动机，其蒸发排放控制系统在炭罐和吹洗电磁阀之间的吹洗管中加装了一个单向阀（图7），用以防止涡轮增压器工作时进气歧管的气体在正向压力作用下反流到活性炭罐。

8 对发动机真空源的影响

自然吸气式电控汽油发动机主要以节气门后方的进气歧管真空作为真空源，为制动系统真空助力器等提供真空。

而涡轮增压式电控汽油发动机在涡轮增压器工作时，进气歧管内将呈现为正压力，无法为真空助力器等提供必要的真空来源，因此，就需要为提供真空而加装专门的真空泵，主要包括机械式和电子式。

此外，为了能够更好地与废气涡轮增压器匹配工作，涡轮增压式电控汽油发动机内部的活塞顶及燃烧室形状都需要在自然吸气式发动机的基础上进行必要的改变。

9 结束语

综上所述，废气涡轮增压技术在电控汽油发动机上的应用，一方面提升了发动机进气效率和动力性能，另一方面也使得发动机相关系统结构更加复杂，维护成本和维修难度增加。