王云飛，紀(jì)曉靜

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200030；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

城市客車發(fā)動機(jī)的增壓器匹配與性能開發(fā)

王云飛1，紀(jì)曉靜2

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200030；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

通過分析城市客車的運行工況，提出了適用于城市客車的發(fā)動機(jī)性能開發(fā)目標(biāo)；通過增壓器選型和臺架開發(fā)，選擇最佳增壓器匹配方案，完成了開發(fā)目標(biāo)。試驗中還通過調(diào)整放氣壓力，改善了增壓器與發(fā)動機(jī)的聯(lián)合運行特性，使得外特性有更好的經(jīng)濟(jì)性。

城市客車 發(fā)動機(jī) 增壓器 性能開發(fā)

1 前言

隨著車輛使用成本增加，尤其是燃油價格不斷上升，發(fā)動機(jī)在滿足排放要求的同時，越來越注重燃油經(jīng)濟(jì)性。但由于不同車型的常用工況不同，用戶的使用狀態(tài)也千差萬別，難以針對所有汽車、甚至于某一款車型，開發(fā)出一個普遍適用的發(fā)動機(jī)。近年來，由于市場細(xì)分的深入，汽車廠家為適應(yīng)用戶的使用需求，陸續(xù)推出了適合用于高原、公交、長途運輸?shù)染唧w車型[1]，這些需求對發(fā)動機(jī)的研發(fā)提出了新的要求。

本文采用移動式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對配置某款電控發(fā)動機(jī)的一些公交車輛和部分公司的員工班車進(jìn)行了路譜數(shù)據(jù)采集，結(jié)合車輛行駛過程中的轉(zhuǎn)速、燃油噴射量、扭矩等信息，分析了城市公交或通勤車的常用工況，確定了適合于城市客車的發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)。通過增壓器的選型及發(fā)動機(jī)的性能開發(fā)，完成了既定目標(biāo)。

2 城市車輛的典型運行工況

在商用客車領(lǐng)域中，城市客車（公交、員工通勤車等）與長途客車有著很大的使用差異。長途客車多數(shù)時間在高速路或者國道上運行，由于路況好，多數(shù)時間在高檔位運行、不需要頻繁換擋，車速也較高；與之相比，城市客車由于市區(qū)車流量大、紅綠燈多，在行駛過程中換檔多、起步頻繁、加減速比例高，平均車速較低[2]。

圖1為一輛長途客車與一輛典型的城市員工通勤車行駛時的轉(zhuǎn)速-車速分布圖。統(tǒng)計顯示：該長途客車在行駛中有67.3%的時間運轉(zhuǎn)在1 400 r/min以上轉(zhuǎn)速，其中的64.4%轉(zhuǎn)速介于1 400～1 800 r/min；71%的時間車速高于80 km/h。與之相比，城市客車車速低。一般不超過80 km/h，約74.8%的時間車速小于50 km/h；發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍運轉(zhuǎn)的時間長：轉(zhuǎn)速基本不超過1 800 r/min，低于1 400 r/min的時間占去了90%。圖2為該輛通勤車在整個駕駛循環(huán)中轉(zhuǎn)速-扭矩分布的氣泡圖。全程中，由于車流量大、紅綠燈多、停車頻繁，發(fā)動機(jī)有約39.7%的時間運轉(zhuǎn)在怠速工況；從整個負(fù)荷區(qū)域上看，發(fā)動機(jī)多數(shù)時間運轉(zhuǎn)在中低轉(zhuǎn)速的中低負(fù)荷區(qū)。

來稿日期：2012-11-14

圖1 長途客車與城市客車行駛時車速－轉(zhuǎn)速分布圖

圖2 車輛運行時轉(zhuǎn)速及負(fù)荷在萬有特性圖上的分布

原發(fā)動機(jī)主要是針對長途車輛進(jìn)行開發(fā)的，性能偏重于中高轉(zhuǎn)速區(qū)域。結(jié)合圖2研究發(fā)動機(jī)運行工況及其在萬有特性圖上的分布可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)型應(yīng)用到城市公交車輛上時，其優(yōu)勢并不能得到發(fā)揮，且容易產(chǎn)生油耗高、加速性能差等問題。根據(jù)城市客車與長途客車的不同運行特點，有必要對之進(jìn)行細(xì)分，專門針對城市客車開發(fā)一款低速性能較優(yōu)的發(fā)動機(jī)。

根據(jù)城市客車的運行特點和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷分布情況，應(yīng)著重考慮對發(fā)動機(jī)中低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷區(qū)性能的優(yōu)化，提高該區(qū)域內(nèi)的充氣效率和燃燒效率。

3 確定開發(fā)目標(biāo)

由于城市客車多數(shù)運轉(zhuǎn)在低轉(zhuǎn)速工況，在同一檔位運行或者換檔時，轉(zhuǎn)速基本不超過 1 800 r/min；而原發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，額定功率為235 kW，最高空載轉(zhuǎn)速2 450 r/min?？紤]到城市客車的使用情況，在擬定開發(fā)目標(biāo)時，將額定轉(zhuǎn)速降為1 900 r/min，對應(yīng)的額定功率為221 kW，最高空載轉(zhuǎn)速降為2 200 r/min。同時為了提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，有必要采取措施使發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)向低轉(zhuǎn)速移動。原發(fā)動機(jī)的最低油耗區(qū)域為1 300～1 800 r/min，期望的新開發(fā)機(jī)型最低油耗區(qū)為1 000～1 400 r/min。城市客車發(fā)動機(jī)的開發(fā)目標(biāo)及其與原機(jī)的性能比較如表1所示。

4 增壓器的選型

分析開發(fā)目標(biāo)并與原機(jī)性能參數(shù)作對比，由于目標(biāo)機(jī)型的額定轉(zhuǎn)速和功率都有所下降，對發(fā)動機(jī)而言，其耗氣特性線也將有所變化。由于額定轉(zhuǎn)速下降，城市客車版發(fā)動機(jī)在1 900 r/min額定轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣流量小于原2 200 r/min時的進(jìn)氣流量，其外特性耗氣線變窄。如果發(fā)動機(jī)仍匹配原增壓器，會有較大的工程裕量，同時由于原增壓器在選配上偏重于中高轉(zhuǎn)速區(qū)域，所以有必要針對目標(biāo)機(jī)型重新進(jìn)行增壓器的選型。

表1 城市客車發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)及原機(jī)性能

4.1 增壓器參數(shù)選擇

渦輪增壓器作為流體動力機(jī)械裝置，其與發(fā)動機(jī)之間只有氣動聯(lián)系，如何匹配增壓器與發(fā)動機(jī)，以保證在發(fā)動機(jī)使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到良好的性能，一直是增壓發(fā)動機(jī)研究的難題。

增壓器與發(fā)動機(jī)一般在某個轉(zhuǎn)速下達(dá)到最佳匹配，該轉(zhuǎn)速受增壓器渦輪的面徑比(A/R)影響較大。所謂面徑比，是指廢氣渦輪入口處的最小截面積A與該截面型心到渦輪旋轉(zhuǎn)中心半徑R之比。渦輪面徑比A/R對增壓發(fā)動機(jī)的速度特性影響較大。適當(dāng)減小A/R，由于增加了渦輪入口處的動量矩，因而即使在排氣流量小的低速區(qū)，也能保證足夠的增壓器轉(zhuǎn)速，提高增壓效果，可以改善發(fā)動機(jī)的低速性能，但高速時因節(jié)流損失的增加反而使性能惡化；相反，增加面徑比A/R時，在流量大的高轉(zhuǎn)速區(qū)，壓氣機(jī)的效率高，有助于改善發(fā)動機(jī)的高速性能，但在低速區(qū)，由于渦輪動量矩小，降低了壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速及增壓效果，所以發(fā)動機(jī)的低速特性惡化。中速區(qū)上A/R對發(fā)動機(jī)性能的影響效果不明顯[3]。

原機(jī)在匹配過程中也進(jìn)行了一系列的優(yōu)化開發(fā)，最終選定的增壓器渦輪面徑比為28.19 mm，對應(yīng)的壓氣機(jī)葉輪直徑和渦輪直徑分別為88 mm和77 mm。考慮到目標(biāo)機(jī)型需要重點提升低速性能，在增壓器的選型上，參照原增壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)該減小面徑比，選擇小型號增壓器。根據(jù)匹配經(jīng)驗，初步篩選了3款增壓器進(jìn)行試驗研究，3款增壓器及原增壓器的基本參數(shù)如表2所示。3種改進(jìn)方案中，方案1和2的面徑比相同，渦輪直徑略有不同，方案3渦輪直徑介于前二者之間，面徑比更小。

表2 增壓器的基本參數(shù)

4.2 臺架試驗對比及增壓器的選定

方案確定后，通過對發(fā)動機(jī)噴油量、共軌壓力、噴油提前角等參數(shù)的標(biāo)定使發(fā)動機(jī)功率、扭矩達(dá)到開發(fā)目標(biāo)，并盡量在保證排放控制區(qū)排放性能不變差的基礎(chǔ)上使燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)化。標(biāo)定及性能優(yōu)化完成后，在發(fā)動機(jī)臺架試驗室上進(jìn)行了對比試驗。為了保證3種方案及原方案的試驗數(shù)據(jù)的可比性，試驗時使用進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)定發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力為101 kPa，進(jìn)氣溫度為25℃，相對濕度為50%，其余試驗條件的設(shè)定值如表3所示。

表3 發(fā)動機(jī)臺架試驗條件控制

圖3為匹配不同增壓器時的外特性試驗結(jié)果。未對原增壓器進(jìn)行性能開發(fā)，原機(jī)性能保持2 200 r/min額定轉(zhuǎn)速、235 kW額定功率不變。通過對比可見，所選的3款增壓器在1 400 r/min以下轉(zhuǎn)速時過量空氣系數(shù)高于原配置，進(jìn)氣量大，有利于燃料充分燃燒；體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性上，由于渦輪面徑比的減小，低速時燃油消耗率優(yōu)于原配置。全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，方案1與方案3的經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于方案2；方案1與方案3在中高轉(zhuǎn)速經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)，在轉(zhuǎn)速小于1 400 r/min時，方案3經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

圖4為4種方案在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，4種方案在1 600 r/min時燃油消耗率比較接近，1 200 r/min及800 r/min時，3種新方案較原始方案經(jīng)濟(jì)性有較大提升，1 200 r/min的負(fù)荷特性，方案1與2差異不明顯，但方案3明顯占優(yōu)，800 r/min時，除方案2在高負(fù)荷區(qū)有“上翹”現(xiàn)象外，其余部分三者差別

不明顯。綜合上述分析，選定方案3的增壓器為適合目標(biāo)車型發(fā)動機(jī)的最佳配置。

圖3 外特性對比圖

圖4 不同轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性對比圖

4.3 增壓器與發(fā)動機(jī)的聯(lián)合運行特性及增壓參數(shù)的校核

確定選用方案3增壓器后，對其進(jìn)行了全面的性能開發(fā)，并對該增壓器與發(fā)動機(jī)的聯(lián)合運行特性進(jìn)行了分析，如圖5所示。

由二者的聯(lián)合運行特性可以看出，發(fā)動機(jī)的耗氣特性與壓氣機(jī)的高效率區(qū)吻合得很好。發(fā)動機(jī)常用的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷區(qū)位于增壓器的高效率區(qū)，同時耗氣特性區(qū)遠(yuǎn)離壓氣機(jī)喘振線，增壓器最高轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于限制轉(zhuǎn)速（125 000 r/min），留有一定的工程裕量。外特性上的渦輪前排氣溫度最高約570℃（圖6），低于700℃的排溫限制[4]。

圖7為開發(fā)完成后的客車用發(fā)動機(jī)與原機(jī)萬有特性的對比圖（實線為客車用發(fā)動機(jī)的性能，虛線為原機(jī)性能）。與原機(jī)性能相比，改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)擴(kuò)大，并向低轉(zhuǎn)速區(qū)域移動，最低燃油消耗率也有明顯下降。發(fā)動機(jī)功率為221 kW，1 000～1 400 r/min區(qū)間發(fā)動機(jī)達(dá)到最大扭矩1 250 N·m，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)為1 000～1 600 r/min中高負(fù)荷區(qū)域，達(dá)到了預(yù)定的開發(fā)目標(biāo)。

4.4 增壓器放氣壓力對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

在車用增壓器設(shè)計中，為了避免出現(xiàn)增壓器超速現(xiàn)象，會在渦輪前設(shè)計一個放氣閥。當(dāng)增壓壓力過高時，一部分排氣不經(jīng)過渦輪做功而直接排入排氣管中。在增壓器選型過程中，一般需要根據(jù)發(fā)動機(jī)外特性的耗氣特性與增壓器特性的匹配情況對增壓器放氣壓力進(jìn)行調(diào)整。如果可能存在超速，應(yīng)減小放氣壓力；但如果放氣壓力過低，增壓器性能得不到充分發(fā)揮。以方案3為例，該增壓器初始的放氣壓力過低，約為220 kPa，發(fā)動機(jī)增壓比較小，耗氣線從增壓器高效區(qū)的底部穿過，如圖8所示。增壓器仍有較大的余量，其性能沒有得到很好的發(fā)揮。通過調(diào)整放氣閥，將放氣壓力提高至240 kPa，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量增加，外特性比油耗普遍下降近

3%，見圖9。

圖5 方案3增壓器與發(fā)動機(jī)的聯(lián)合運行特性

圖6 方案3外特性時渦輪前排溫

5 模擬驗證

完成開發(fā)目標(biāo)后，為了評價該客車用發(fā)動機(jī)匹配整車時的運行情況，采用AVL公司的CRUISE軟件進(jìn)行了模擬計算。

根據(jù)文中的通勤車配置情況，建立如圖10所示的整車模型，分別對該車配原發(fā)動機(jī)和方案3發(fā)動機(jī)的等速油耗進(jìn)行了模擬計算。在進(jìn)行模擬計算時，結(jié)合城市客車的常用工況，選取了車輛運行在3個不同檔位、車速為30～60 km/h時的等速油耗進(jìn)行了計算。結(jié)果表明，車速較低時，方案3發(fā)動機(jī)等速油耗普遍低于原機(jī)，其中最大降幅為4檔、30 km/h點的等速百公里油耗，下降約10.9%，見圖11。

6 結(jié)論

（1）通過對城市車輛運行工況進(jìn)行分析，確定了適合城市客車用發(fā)動機(jī)的開發(fā)目標(biāo)。主要目標(biāo)為降低額定轉(zhuǎn)速，提升低速扭矩，提高低速段的燃油經(jīng)濟(jì)性。

（2）結(jié)合開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行增壓器選型，對比原增壓器參數(shù)，選擇了葉輪直徑、渦輪面徑比較小的增

壓器進(jìn)行性能開發(fā)。分別采用3種方案進(jìn)行了試驗對比，試驗結(jié)果表明方案3的低速性能較優(yōu)。

圖9 調(diào)整前后性能的變化

圖10 使用Cruise進(jìn)行整車油耗計算的模型

（3）使用方案3進(jìn)行全面性能開發(fā)，發(fā)動機(jī)功率、扭矩合格，經(jīng)濟(jì)區(qū)為1 000～1 600 r/min，達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)。發(fā)動機(jī)耗氣特性與壓氣機(jī)高效率區(qū)吻

合較好，增壓器未出現(xiàn)超速超溫的現(xiàn)象。

圖11 模擬計算整車百公里油耗對比

（4）對整車分別配置原機(jī)與新機(jī)低速運行時等速油耗的模擬計算表明，新機(jī)更適合城市客車的典型使用工況，有利于改善城市客車的經(jīng)濟(jì)性。

（5）為了使增壓器性能得到充分發(fā)揮，可以通過調(diào)節(jié)放氣閥提升增壓壓力，這樣有利于增加發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，提升其經(jīng)濟(jì)性能。

1杜志良，張有等．車用發(fā)動機(jī)匹配優(yōu)化的一種試驗分析方法[J]．柴油機(jī)設(shè)計與制造，2010（1）：32-35．

2劉石源，張愛明等．城市公交車的增壓器匹配優(yōu)化[J]．車用發(fā)動機(jī)，2011（6）：76-80．

3林學(xué)東，袁兆成．增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機(jī)性能的影響[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1999，30（1）：73-76．

4朱大鑫．渦輪增壓與渦輪增壓器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992．

圖11 螺栓孔肩部疲勞安全系數(shù)對比圖

表2 動態(tài)和靜態(tài)結(jié)果疲勞安全系數(shù)對比

1胡孝偉，錢志博，杜秀群．高壓共軌系統(tǒng)柱塞泵選型與共軌管路分析[J]．機(jī)床與液壓，2010，38（17）：106-108．

2藍(lán)軍．AVL-EXCITE軟件培訓(xùn)教程[M]．2007.

Turbocharger Match and Performance Development for Urban Bus

Wang Yunfei1,Ji Xiaojing2
（1.Shanghai Jiaotong University School of Mechanical Engineering,Shanghai 200030,China; 2.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The operating conditions and performance states of urban buses were analyzed in order to develop a suitable engine performance for urban buses.Full load and partial load experiments were carried out on test bench to select an optimal turbocharger and achieve engine development goal.Through adjustment of exhaust waste gate open pressure,the combined operation characteristic of diesel engine and turbocharger was optimized and fuel economy was improved.

urban bus,engine,turbocharger,performance development

王云飛（1985-），男，在讀工程碩士，主要研究方向為發(fā)動機(jī)電控標(biāo)定及性能開發(fā)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.007