汽油機(jī)渦輪增壓器的硬件匹配

余光耀 袁觀練 李高堅(jiān) 王國(guó)棟

摘要：本文針對(duì)在汽油機(jī)上應(yīng)用越來(lái)越廣泛的渦輪增壓器的匹配進(jìn)行了探討。主要介紹了渦輪增壓器的主要涉及參數(shù)、壓氣機(jī)的匹配、渦輪機(jī)的匹配、增壓器匹配所需的輸入設(shè)計(jì)參數(shù)以及匹配方案合理與否的初步判斷等。最終匹配出來(lái)的方案是否合理，還需通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架選型匹配與設(shè)計(jì)目標(biāo)的對(duì)比來(lái)判斷。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;壓氣機(jī);渦輪機(jī);臺(tái)架選型

中圖分類號(hào)：U464.135? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0001-03

0? 引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，世界各地陸續(xù)制定了日益嚴(yán)峻的排放與油耗法規(guī)。這也倒逼著各車企不斷開發(fā)車用發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)來(lái)滿足法規(guī)要求。而渦輪增壓技術(shù)在提升動(dòng)力性、改善經(jīng)濟(jì)性、降低排放、降低排氣噪聲以及追求發(fā)動(dòng)機(jī)小型化等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其成了當(dāng)下車用發(fā)動(dòng)機(jī)主流技術(shù)[1-3]。渦輪增壓器能否發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配起著決定性的作用。

1? 增壓技術(shù)

1.1 渦輪增壓技術(shù)

式（1）是計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率的簡(jiǎn)易公式，其中：

P=n·p·V/i? （1）

式中：n=轉(zhuǎn)速;

p=平均有效壓力;

V=氣缸容積;

i=沖程。

傳統(tǒng)的提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法主要有增加氣缸體積和提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增加氣缸體積的同時(shí)也會(huì)增大摩擦，只能在一定范圍內(nèi)使用。而提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速則面臨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。提高平均有效壓力P，可以使得氣缸內(nèi)的充氣效率得到很好的提升，進(jìn)而燃燒更多的燃油，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。目前提高平均有效壓力的方法主要有兩種：①增大發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比;②增壓器增壓。汽油機(jī)提高氣缸壓縮比幅度有限，壓縮比提高了會(huì)加強(qiáng)爆震傾向。而增壓器增壓由于發(fā)動(dòng)機(jī)排量減小、缸數(shù)減少、摩擦減小、油耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的主流方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)常用的增壓技術(shù)有兩種，機(jī)械增壓與廢氣渦輪增壓。廢氣渦輪增壓由于在減小發(fā)動(dòng)機(jī)體積與摩擦阻力、降低油耗低（通過(guò)排氣能量驅(qū)動(dòng)）、增壓壓力連續(xù)可控、高原補(bǔ)償容易等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。圖1是廢氣渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程原理圖。

1.2 渦輪增壓器的主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 壓氣機(jī)殼/渦輪殼的A/R比值

對(duì)于渦輪增壓器來(lái)說(shuō)，A/R是表征渦殼流通能力大小的關(guān)鍵參數(shù)。其中A表示從渦輪進(jìn)氣口過(guò)渡到渦輪中心的截面積（壓氣機(jī)殼體的出氣口到壓氣機(jī)中心的截面積），R表示渦輪軸承中心到壓氣機(jī)出氣口（或者是渦輪進(jìn)氣口）橫截面中心點(diǎn)的距離。對(duì)壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)，壓氣機(jī)的A/R值對(duì)壓氣機(jī)性能的影響很小，增壓器硬件匹配時(shí)基本是固定下來(lái)的。A/R值越大表示具有高流量的傾向。

對(duì)渦輪殼來(lái)說(shuō)，一般大A/R比值的渦殼可以擴(kuò)大流量范圍而應(yīng)用于優(yōu)化低增壓的性能。小A/R比值的渦殼則應(yīng)用于高增壓。A/R比值越小，則廢氣進(jìn)入渦輪的流速越快，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的渦輪功，導(dǎo)致增壓壓力上升較快，減小渦輪增壓的遲滯效應(yīng)。但是小A/R比使得廢氣流入渦輪時(shí)，切向角度更大，渦輪葉輪的最終流量將下降，增大背壓，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)吸氣能力下降，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。若注重發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩特性和瞬態(tài)響應(yīng)，則應(yīng)選擇小A/R比的渦殼;若更注重發(fā)動(dòng)機(jī)高速段的動(dòng)力輸出，則應(yīng)選擇大A/R比的渦殼。因而需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)進(jìn)行選擇合理的A/R比。

1.2.2 壓氣機(jī)/渦輪的Trim

對(duì)于渦輪來(lái)說(shuō)，Trim是表示壓氣機(jī)/渦輪葉輪的流通能力的關(guān)鍵參數(shù)（見圖2），其定義如式2所示。

其中inducer為壓氣機(jī)/渦殼葉輪進(jìn)口外徑，exducer為壓縮機(jī)/渦輪葉輪出口直徑。當(dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，Tim值越大，葉輪流量越大，計(jì)算公式見式（3）。其中r2，new新的葉輪半徑，r2，original為變更前的葉輪半徑。對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，常見的壓氣機(jī)Trim在50～60之間，渦輪Trim在70～80之間。

2? 渦輪增壓器的匹配

2.1 匹配流程

圖3所示的是渦輪增壓器的匹配流程，從開始到機(jī)械強(qiáng)度校核共分為4各階段5個(gè)步驟進(jìn)行。搜集好發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)后即可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)所需空氣流量的計(jì)算;空氣流量計(jì)算結(jié)束后選擇壓氣機(jī)參數(shù)，確定壓氣機(jī)方案的Trim與A/R比，再按壓氣機(jī)條件修正流量，在壓氣機(jī)流量特性圖上標(biāo)出所需的數(shù)據(jù)點(diǎn);選好壓氣機(jī)后，基于渦輪增壓器的功率平衡方程計(jì)算所需的渦輪參數(shù)，再在渦輪機(jī)的流量特性曲線上標(biāo)出所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)。壓氣機(jī)和渦輪機(jī)方案選定后還需進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度的校核。

2.2 壓氣機(jī)匹配

壓氣機(jī)的匹配需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)需求進(jìn)行。在發(fā)動(dòng)機(jī)排量確定的情況下，主要輸入的目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)包括外特性線上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的扭矩、功率、過(guò)量空氣系數(shù)、容積效率、燃油消耗率、空濾壓降、排氣背壓、壓氣機(jī)前進(jìn)氣溫度、渦輪前的排氣溫度，進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣溫度等。表1是壓氣機(jī)匹配需要輸入的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

然后需要確定與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)的增壓器輸出的過(guò)渡性參數(shù)特性。表1所示的是壓氣機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工況匹配出來(lái)的壓氣機(jī)過(guò)渡性參數(shù)信息。這些參數(shù)特性主要包括中冷溫降、壓前壓力、壓前溫度、空氣流量、壓前密度、體積流量、進(jìn)氣歧管壓力、壓后壓力、壓后溫度、空氣流量、壓后密度、進(jìn)氣歧管密度、壓氣機(jī)出口溫度、壓氣機(jī)作功功率等，如表2所示。

最終根據(jù)匹配要求算出壓氣機(jī)對(duì)應(yīng)外特性線上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增壓器體積流量、質(zhì)量流量、壓比、壓氣機(jī)效率與壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速等，并在壓氣機(jī)的Map圖上畫出該發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況的效率曲線。圖4是根據(jù)某款1.5L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)特性輸入進(jìn)行匹配得出的壓氣機(jī)MAP圖。從圖4中可看出匹配出來(lái)的外特性增壓器效率曲線處于壓氣機(jī)比較高效的區(qū)域，說(shuō)明該壓氣機(jī)的匹配是比較合理的。最終壓氣機(jī)的匹配效果需要匹配到發(fā)動(dòng)機(jī)后，上臺(tái)架實(shí)測(cè)才能得出具體數(shù)值。

2.3 渦輪機(jī)的匹配

進(jìn)行渦輪機(jī)的匹配前要先確定廢氣常量、廢氣比熱值、廢氣絕熱指數(shù)數(shù)、渦輪直徑以及渦輪入口直徑，然后根據(jù)輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)速結(jié)合渦輪效率、廢氣放氣量等變量，根據(jù)氣體方程計(jì)算出渦輪機(jī)膨脹比、流量、渦輪機(jī)做功功率、渦輪機(jī)效率、渦輪入口排氣壓力，渦輪入口排氣溫度、渦輪轉(zhuǎn)速等變量值。在渦輪流量特性圖上找出該發(fā)動(dòng)機(jī)利用到的流量特性，如圖5所示。在渦輪效率圖上結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工況特性找出該發(fā)動(dòng)機(jī)利用的渦輪效率點(diǎn)，如圖6所示。當(dāng)渦端MAP圖中外特性運(yùn)行線恰好穿過(guò)等速曲線時(shí)，表示匹配合理。

3? 結(jié)語(yǔ)

汽油機(jī)的渦輪增壓器的匹配需要輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)非常多，中間需要進(jìn)行多次的方案更改，一項(xiàng)復(fù)雜而周期長(zhǎng)的匹配工程。壓氣機(jī)與渦輪機(jī)根據(jù)理論選出合理的匹配方案后，還需要上發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架機(jī)型實(shí)際的增壓器選型匹配。臺(tái)架選型匹配可能需要進(jìn)行多輪多方案的優(yōu)化，然后根據(jù)選型結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比對(duì)后，才能匹配出最優(yōu)的增壓器方案。

參考文獻(xiàn)：

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