中冷增压技术在天然气客车发动机上的应用

近年来国内客车产业快速发展，带动发动机技术研发、更新、应用节奏加快，其中以电控单元和中冷增压（又称增压中冷）应用最为广泛，对发动机性能、指标提高的贡献最大。

发动机增压分为机械增压、气波增压、废气涡轮增压、复合增压等。

机械增压系统：安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐管并进入发动机。其优点是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。但是由于使用发动机曲轴输出的动力，因此还是消耗了部分输出功率，增压的效果也并不高。

涡轮增压：最早的涡轮增压器用于跑车或方程式赛车上的，在那些发动机排量受到限制的赛车比赛，由于使用增压技术，发动机就能够获得更大的功率。增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气流动来推动涡轮增压器的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由经空气滤清器过滤后，经进气管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，由于增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由发动机机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。

复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。发动机在设计时就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起，来解决两种技术各自的不足，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。这种装置在大功率柴油机上采用比较多，汽油机上采用双增压系统（复合增压系统）的车型还比较少，大众的1.4 TSI发动机就采用了这一系统。此技术兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。在低转速时，由机械增压提供大部分的增压压力，在1 500rpm时，两个增压器同时提供增压压力。随着转速的提高，涡轮增压器能使发动机获得更大的功率，与此同时，机械增压器的增压压力逐渐降低。机械增压通过电磁离合器控制，它与水泵集合在一起。在转速超过3500rpm时，由涡轮增压器提供所有的增压压力，此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离，防止消耗发动机功率，发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，只是结构太复杂，技术含量高，维修保养不容易，因此目前并未广泛普及。

众所周知，发动机是靠可燃混合气在气缸内燃烧做功来产生动力的，由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制，因此发动机所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量，从而提高燃烧做功能力。因此在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的有效机械装置。

但是事物总有矛盾性，不过在经过了增压之后，发动机在工作时候的压力和温度都大大升高，因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能都会受到影响，这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。发动机提高进气压力的同时也提高了空气的密度，空气密度的提高必然会使进气温度也同时增高。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%－5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NOx），改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。

中冷增压是一种空气压缩技术，利用发动机的废气来驱动涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器输出的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速升高时，废气排出量加大，涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以给可燃混合气提供更多的氧气，从而使发动机燃烧更充分。中冷技术实际上就是涡轮增压器将经过滤的新鲜空气压缩，并经中段冷却器冷却，进入气缸燃烧。有效的中冷技术可使空气增压温度下降到50℃以下，有助于改善动力、减少污染物排放并提高燃油经济性。

中冷器是增压系统的一部分。当空气被高比例压缩后会产很高的生热量，从而使空气膨胀，密度降低，同时也容易使发动机温度过高造成损坏。为了得到更高的容积效率，需要在空气注入汽缸之前对高温空气进行冷却。这就需要加装一个类似车用冷却系的散热器，将高温高压空气分散到许多细小的管道里，而管道外有常温空气高速流过，从而实现热交换，达到快速降温目的（可以将气体温度从150摄氏度降到50摄氏度左右）。由于这个散热器位于发动机和涡轮增压器之间，所以又称作中央冷却器，简称中冷器。

发动机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用专门的散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要增一套独立的循环水冷却系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且结构复杂。因此，汽车发动机大都采用空气冷却式中冷器。

使用中冷增压技术可使发动机在排量不变，重量基本不增加的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小，重量轻，而且还降低了单位功率的成本。因此，增压技术不仅广泛应用在柴油机和汽油机上，近年还推广到客车普遍使用的天然气发动机上，是改善内燃机性能的重要手段。

中冷增压技术的应用改善了车用发动机的性能和单位功率，以国内自主技术较有代表性的南内发动机为例， 排量6.87升的六缸自然吸气发动机额定功率为132KW/2800r/min，而相同排量的中冷增压发动机功率达到169KW/2400r/min;机体重量由650公斤增加到680公斤；发动机外特性最低燃气消耗率同为≤200g/Kw.h；最大扭矩转速分别为510N.m/1200-1600r/min和780N.m/1200-1600r/min从数据上看，发动机在排量不变的情况下，使用中冷增压技术后额定功率提高28%；相同转速情况下，最大扭矩提高53%。潍柴WP6NG发动机排量为6.75升，功率达到176KW/2300 r/min，最大扭矩780N.m/1300-1600r/min，最低燃气消耗率≤185g/Kw.h。由以上数据可见中冷增压发动机与自然吸气发动机相比较燃气消耗基本不变或有所下降的情况下，发动机的功率、扭矩等性能指标大幅提高。

国内燃气发动机刚刚开始使用时，实践和数据表明，使用天然气与燃油相比动力下降较明显，但电控技术和增压技术的应用使发动机的功率、扭矩提高，燃料消耗下降，燃气机车辆动力也很充沛，只要选择好发动机型号，客车厂作好动力匹配，天然气车辆性能不亚于柴油机，而且燃料费下降可达到30%至40%。

目前国内天然气客车正由城市公交等短途运输向城际、省际区间运行车辆发展，天然气客车的保有量会逐年提高，较大的市场需求会进一步促进燃气发动机技术的发展，天然气发动机技术和市场日趋成熟。

天然气车中冷技术