馬少康，喬佳偉，王義夫，喬闖，梁濤（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，保定 071000；.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

執(zhí)行器側(cè)曲柄長度對(duì)增壓器性能影響的研究

馬少康1，2，喬佳偉1，2，王義夫1，2，喬闖1，2，梁濤1，2
（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

基本增壓壓力和增壓器效率是衡量增壓器性能的重要參數(shù)，理論分析了執(zhí)行器長度的變化對(duì)基本增壓壓力和增壓器效率的影響，隨著執(zhí)行器長度的增大，基本增壓壓力降低，增壓器效率提高。通過試驗(yàn)，在初始位置、增長1mm和2mm的狀態(tài)下，研究了執(zhí)行器長度對(duì)性能的影響，并通過回歸方程，預(yù)測(cè)基本增壓壓力隨執(zhí)行器長度的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：試驗(yàn)與理論分析一致?；貧w方程能夠表征執(zhí)行器增長量與最大基本增壓壓力的相關(guān)關(guān)系，為增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的評(píng)估提供參考。

執(zhí)行器長度；增壓器效率；基本增壓壓力；回歸方程

馬少康

畢業(yè)于河南工業(yè)大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷?，F(xiàn)任長城汽車股份有限公司工程師，主要研究方向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒開發(fā)以及臺(tái)架標(biāo)定，已發(fā)表論文11篇。

引　言

近年來，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和資源的日趨緊張，對(duì)節(jié)能減排的要求也越來越高。由于增壓器在提高動(dòng)力性的同時(shí)，能減少排放和降低油耗［1，2］，因此獲得越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的依靠廢氣實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，因此能夠影響廢氣狀態(tài)的因素均能夠影響增壓器的性能。利用軟件模擬能夠?qū)崿F(xiàn)增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的模流分析，縮短增壓器開發(fā)周期［3，4］。蝸殼形狀［5，6］進(jìn)排氣系統(tǒng)［7，8］、渦前流量［9，10］均能夠影響增壓器的性能。但對(duì)于增壓器部件對(duì)增壓器性能的影響卻鮮見報(bào)道，基于此，本文通過改變?cè)鰤浩鲌?zhí)行器側(cè)曲柄長度，研究了不同長度下增壓器效率、基本增壓壓力的變化，為增壓器的性能開發(fā)與匹配提供參考。

1　理論分析

1.1基本增壓壓力的定義以及實(shí)現(xiàn)

基本增壓壓力指增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速的全負(fù)荷工況下增壓控制系統(tǒng)不參與工作或失效時(shí)，增壓器能產(chǎn)生的自然增壓壓力的最大值?；驹鰤簤毫θQ于發(fā)動(dòng)機(jī)的某個(gè)轉(zhuǎn)速工況下的進(jìn)氣量與增壓器的特性之間的匹配和廢氣放氣閥的開啟壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配量有關(guān)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷上升（節(jié)氣門開度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量增加），通過排氣渦輪的能量增加，使渦輪的轉(zhuǎn)速上升，帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速上升，使進(jìn)氣得到增壓，同時(shí)壓氣機(jī)出口壓力又作用于廢氣放氣閥執(zhí)行器的控制氣室，當(dāng)控制室內(nèi)的壓力達(dá)到能克服彈簧的預(yù)緊力時(shí)，廢氣執(zhí)行器的推桿才會(huì)位移使廢氣門打開，將排氣通過廢氣門旁通一部分。使渦輪的轉(zhuǎn)速有所限制，當(dāng)控制室內(nèi)的壓力繼續(xù)上升，廢氣執(zhí)行器的推桿繼續(xù)左移，使廢氣門打開更多，如圖1所示。排氣通過廢氣門旁通量增加，使渦輪的轉(zhuǎn)速下降，使壓氣機(jī)出口壓力也有所下降。則控制室內(nèi)的壓力也有所下降，廢氣執(zhí)行器的推桿右移。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡后，此時(shí)的壓氣機(jī)出口壓力即是基本增壓壓力。

1.2改變執(zhí)行器側(cè)曲柄L2長度對(duì)P-b和的影響

以執(zhí)行器為受力對(duì)象可得執(zhí)行器的受力狀態(tài)如式1所示：

以廢氣旁通閥為受力對(duì)象可得力矩平衡方程2。

A為執(zhí)行器膜盒面積；S為彈簧位移； k為彈簧剛度；D為廢氣旁通閥直徑；P-exh為排氣壓力，P-b為 基本增壓壓力；P-cat為排氣背壓；L1廢氣旁通閥側(cè)曲柄長度；L2為執(zhí)行器側(cè)曲柄長度。P1為壓氣機(jī)出口壓力； P2為膜盒內(nèi)部壓力， F預(yù)為彈簧的預(yù)緊力。

當(dāng)P1=P-b時(shí)，由式1、2可整理為：

由式3可知，改變公式中的相關(guān)變量均 可以改變?cè)鰤浩鞯幕驹鰤簤毫Α．?dāng)增大執(zhí) 行器側(cè)曲柄長度L2時(shí)，保持其余條件不變，在相同工況下，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，增壓器的基本增壓壓力減小，廢氣旁通閥的開度增大，通過廢氣旁通閥的氣體流量增大。隨著L2的增大，由上面的分析可知，渦前壓力降低而渦后升高。由式4可知，渦輪機(jī)的膨脹比減小。

PT為 渦前壓力，P3渦后壓力。

渦輪機(jī)效率為：

K為空氣絕熱指數(shù)，K=1.4； KT為燃?xì)饨^熱指數(shù)，由于渦輪工質(zhì)主要為燃?xì)?，因?K=1.34；R為空氣氣體常數(shù)，R=287 J/（kg.K）；RT為燃?xì)鈿怏w常數(shù)，由于渦輪工質(zhì)主 要為燃?xì)?，因此RT= 287.4J/（kg.K），GC壓氣機(jī)實(shí)測(cè)流量，kg/s；GT渦 輪機(jī)實(shí)測(cè)流量，kg/s；TT為渦輪機(jī)進(jìn)口氣體總溫，單位為K；λ為空燃比。

當(dāng)膨脹比減小時(shí)，渦輪機(jī)效率提高。 壓氣機(jī)效率為：

T1為壓氣機(jī)進(jìn)口氣體總溫，單位為K；TC為壓氣機(jī)出口氣體總溫，單位為K；K為空氣絕熱指數(shù)，K=1.4；π為增壓比。

增壓器效率可用壓氣機(jī)效率與渦輪機(jī) 效率的乘積來表示［11］。

由式4、5、6、7可得，隨著執(zhí)行器長度的增大，渦輪膨脹比降低，而增壓器的效率基本是由膨脹比決定［9］，因此，增壓器效率隨著執(zhí)行器側(cè)曲柄長度L2的增大而提高。

2　試驗(yàn)設(shè)備以及方法

2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在一款4缸16氣門電控直噴增壓汽油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)排量：2L，缸徑×行程：82.5mm×92mm，壓縮比：9.3，噴油器：6孔，油軌壓力：6～20Mpa；燃油型號(hào)：京 95#。采用自主開發(fā)ECU、電渦流測(cè)功機(jī)、燃燒分析儀等，臺(tái)架布置如圖1所示：

搭載增壓器參數(shù)如表1所示：

表1　增壓器主要技術(shù)參數(shù)

2.2試驗(yàn)方案

通過改變執(zhí)行器側(cè)曲柄長度L2，從而改變?cè)鰤浩鞯男屎桶l(fā)動(dòng)機(jī)的性能，增大的長度為0mm、1mm、2mm。 在各個(gè)長度下，以1000rpm為起點(diǎn)，500rpm為步長，進(jìn)行基本增壓壓力測(cè)量。

2.3數(shù)據(jù)測(cè)量

試驗(yàn)中利用INCA進(jìn)行參數(shù)控制以及數(shù)據(jù)的采集，測(cè)量時(shí)保證節(jié)氣門開度為100%，增壓器的占空比為0。試驗(yàn)過程中控制機(jī)油溫度為95℃，水溫為98℃，進(jìn)氣溫度為25 ±5℃。中冷后溫度采用臺(tái)架模擬中冷控制，其控制標(biāo)準(zhǔn)為25+n/200rpm，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3　試驗(yàn)結(jié)果以及分析

3.1對(duì)基本增壓壓力的影響

由式3可以看到，隨著L2的增大，基本增壓壓力降低，其變化趨勢(shì)如圖3所示。L2越長，基本增壓壓力越低，在轉(zhuǎn)速為 1500rpm—4500rpm的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，三種狀 態(tài)的差別較大。隨著轉(zhuǎn)速的增大，其差值逐 漸減小，在轉(zhuǎn)速為5500rpm時(shí)，基本增壓壓 力的差值達(dá)到最小3kpa。

從上面分析可以得出，基本增壓壓力是 衡量一款增壓器的增壓能力的重要指標(biāo)，因 此可找到L2調(diào)整長度與基本增壓壓力的關(guān)系，進(jìn)而方便的預(yù)測(cè)基本增壓壓力的變化以及評(píng)估增壓器的效率［9］?；诖艘宰畲蠡驹鰤簤毫槟繕?biāo)，采用最小二乘法，令 y=f（x），將調(diào)整長度與相對(duì)應(yīng)的最大基本增壓壓力（x1， y1），（x2， y2）…，建立可調(diào)參數(shù)與最大基本增壓壓力的相關(guān)關(guān)系，求得回歸方程，如式2所示：

其相關(guān)系數(shù)R2為0.97，可知回歸方程有效。

3.2對(duì)增壓器效率的影響

由圖4可以看到，在三種狀態(tài)下，增壓器效率整體上隨著轉(zhuǎn)速的上升而下降。在轉(zhuǎn)速為1000rpm—3500rpm的區(qū)間內(nèi)，L2對(duì)增壓器效率基本沒有影響，其增壓器效率基本一致。在3500rpm—5500rpm范圍內(nèi)，增壓器效率隨著執(zhí)行器側(cè)曲柄長度長度的增長而增加。

由圖5可以看到，隨著L2增長，膨脹比下降。而由式5、6可知，渦輪機(jī)的效率增大，增壓器的效率隨之增大。

4　結(jié)論

通過本次試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

1） 通過理論分析，隨著增壓器執(zhí)行器的增長，基礎(chǔ)增壓壓力下降，渦輪膨脹比降低，增壓器效率提高；試驗(yàn)結(jié)果與理論分析有較好的一致性；

2）線性回歸方程能夠很好的表征執(zhí)行器增長量與基本增壓壓力的相關(guān)關(guān)系，能夠預(yù)測(cè)基本增壓壓力和增壓器效率的變化趨勢(shì)。

［1］朱堅(jiān). 燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響 的試驗(yàn)研究［D］.2005.

［2］紀(jì)民舉. 車用漩渦增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配特性 研究［D］.2008.

［3］甄旭東. 發(fā)動(dòng)機(jī)性能的評(píng)估與增壓器優(yōu)選的 研究［D］.2009.

［4］余冰. 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)匹配及動(dòng)態(tài)特性 的仿真分析［D］. 2010.

［5］紀(jì)民舉，李 超，劉振全. 車用渦旋增壓器與 發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的理論研究［J］. 壓縮機(jī)技術(shù)2008（3）：14-18.

［6］谷愛國. 車用渦輪增壓器蝸殼流場(chǎng)分析［D］.2007.

［7］劉敬平，付建勤，馮康等.發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的能量流研究［J］. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)2011（5）： 48-54.

［8］呂林. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器匹配的研究［D］.2011.

［9］白亞鶴. 直噴式渦輪增壓汽油機(jī)工作過程分 析及匹配研究［D］. 2009.

［10］王應(yīng)紅. 發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓［D］. 2001.

［11］渦輪增壓器第1部分：一般技術(shù)條件［S］. Gb：2009.

［12］孫富強(qiáng)，白偉，李佳等.增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)基本增壓壓力優(yōu)化的研究［J］. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車2014（3）： 30-34.

［13］廉樂明. 工程熱力學(xué)［M］. 北京： 中國建 筑工業(yè)出版社.

專家推薦

張建東：

本文理論分析了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器執(zhí)行器側(cè)曲柄長度的變化對(duì)基本增壓壓力和增壓器效率的影響，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和理論分析相吻合，給出了在選擇增壓器時(shí)的對(duì)曲柄長度的選擇的依據(jù)，為增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的評(píng)估提供參考。文章思路較為清晰，語言流暢，可讀性較好。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比較為合理，可以作為設(shè)計(jì)人員的參考。

Experiment Study on Turbocharger Performance with Different Length of Actuator

MA Shao-kang1.2， QIAO Jia-wei1.2， WANG Yi-fu1.2， QIAO Chuang1.2， LIANG Tao1.2
（ 1.Technical Center ，Great Wall Motor Co.，Ltd.， Baoding 071000， China； 2.Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center， Baoding 071000， China ）

Basic boost pressure and supercharge efficiency have a important effect on the performance. The influence of them by actuator length changed was studied. Basic boost pressure reduced and supercharge efficiency improved with the increasing of actuator length. Three conditions of actuator was taken into the experiments： original position、1mm and 2mm increased. Regression equation was used to express the trend of basic boost pressure with actuator length changed. The result show that experiment have a better match with theory analysed. regression equation is able to express the relationship between added length and basic boost pressure， provide a reference to evaluate the performance of supercharge.

Actuator length； turbocharger efficiency； basic boot pressure； regression equation

TK411

A

1005-2550（2015）05-0051-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.010

2015-04-16