(上汽集團商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

在環(huán)境污染和能源危機的影響下，汽車工業(yè)的節(jié)能減排已成為全球亟待解決的大課題，環(huán)保部所制定的排放法規(guī)也日漸嚴(yán)格。 2017年1月1日，我國開始實施第五階段國家機動車排放標(biāo)準(zhǔn)，這意味著汽車行業(yè)從排放上又將進(jìn)行一次大變革。因此，對傳統(tǒng)發(fā)動機的改造升級，以實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，就成了當(dāng)務(wù)之急。

在眾多節(jié)能減排的技術(shù)當(dāng)中，廢氣渦輪增壓技術(shù)受到廣泛青睞，主要是其可以使發(fā)動機獲得以下優(yōu)越性能[3]：

(1)節(jié)能，渦輪增壓器可大幅增加發(fā)動機進(jìn)氣量，增強發(fā)動機動力性。在動力性相同的條件下，增壓發(fā)動機較非增壓發(fā)動機可顯著降低油耗，主要是因為增壓發(fā)動機排量較小，在使用負(fù)荷增加時，可使發(fā)動機在萬有特性曲線中更接近于經(jīng)濟工作區(qū)，從而達(dá)到節(jié)油效果。

(2)環(huán)保，在同等動力性的情況下，搭載增壓發(fā)動機的整車能夠節(jié)油，因此將降低整車CO2和有害氣體的排放量。

(3)提高發(fā)動機工作效率，進(jìn)而推動發(fā)動機小型化。將增壓技術(shù)運用到汽油機上，可以使增壓比大幅提高，汽油機功率可達(dá)到100%。因此，在相同功率輸出的條件下，發(fā)動機外形尺寸可大幅縮小，這對于發(fā)動機的布置，減小發(fā)動機質(zhì)量和縮小整車外形都有重大幫助。

(4)高原功率補償，當(dāng)車輛在高海拔行駛時，空氣密度隨海拔增加而減小，使用增壓技術(shù)，可防止發(fā)動機進(jìn)氣量的減小，從而保障發(fā)動機功率平穩(wěn)，補償因進(jìn)氣不足而損失的功率。

因此，為了充分發(fā)揮增壓的技術(shù)優(yōu)勢，從多方面優(yōu)化廢氣渦輪增壓器并解決現(xiàn)有的問題，就成了當(dāng)務(wù)之急。

各位研發(fā)人員在研究增壓技術(shù)方面提出了不同的技術(shù)方案。美國Garrett公司研制可變幾何截面渦輪增壓器(VGT)，該增壓器采用可旋轉(zhuǎn)噴嘴的噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)，其原理是利用增壓器壓氣機端產(chǎn)生的高壓氣體作為動力源，驅(qū)動轉(zhuǎn)動板，進(jìn)而帶動渦輪端插入導(dǎo)槽的噴嘴環(huán)葉片一起轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到改變渦輪流通截面積，調(diào)節(jié)廢氣渦輪增壓器進(jìn)氣面積，可使增壓器滿足柴油機不同進(jìn)氣的需求。日本IHI公司通過優(yōu)化增壓器軸的鼻錐形狀來改善氣體流通阻力。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗臺架及燃料

為研究增壓器竄氣量，需要進(jìn)行臺架試驗來采集數(shù)據(jù)，增壓器原理如圖1所示。

圖1 增壓器原理圖[4]

項目參數(shù)機型系列4E20C160-LD發(fā)動機排量/L2.0額定功率/kW160最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)480額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)4 000最高排溫/℃<850

表1為柴油機試驗臺架的主要技術(shù)參數(shù)。試驗燃料采用市售符合國五排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油，其十六烷值為50.8，密度(20 ℃)為813.6 kg·m-3，凝點為-22 ℃，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4×10-6，冷卻液混合比為50%。

1.2 試驗原理

由于此次試驗是模擬增壓器在發(fā)動機上的實際運行，因此必須為發(fā)動機提供試驗環(huán)境。如圖2所示，斷開發(fā)動機和增壓器連接的進(jìn)油管路，改為外接增壓器潤滑油路。通過單獨給油車供油，回油管路同樣與發(fā)動機斷開連接，與油車相連，油車的另一個出口管路上接有空氣流量計，通過空氣流量計的值的變化來測定增壓器竄氣量。安裝增壓器時需要嚴(yán)格控制各個部件與發(fā)動機的高度差，與整車狀態(tài)誤差應(yīng)不超過±10 mm。為保障該試驗方法的準(zhǔn)確性，試驗用增壓器分別采用單級增壓器和兩級增壓器，相關(guān)參數(shù)見表2和表3。因為增壓器竄氣量對發(fā)動機本身的危害性，設(shè)計上需要使該值盡量小，所以只要該試驗測得的增壓器竄氣量最大值不大幅偏離增壓器生產(chǎn)商所提供的經(jīng)驗限值，便可證明該增壓器竄氣量正常。

圖2 試驗原理圖

項目參數(shù)類型VGT功率范圍/kW120低速扭矩/(N·m)205(1 000 r/min)最大扭矩/(N·m)375

表3 兩級增壓器參數(shù)

測量前油車需要預(yù)熱至70 ℃以上，油壓定為0.10～0.15 MPa。發(fā)動機充分預(yù)熱控制出水溫度為95～100 ℃，主油道機油溫度不超過130 ℃。同時油車熱油至目標(biāo)值(油溫90 ℃以上，油壓0.36 MPa以上)，調(diào)整冷卻水以穩(wěn)定油溫。手動調(diào)節(jié)油車的供油壓力(P1)，使其值在不同工況點下同臺架上測得的主油道壓力一致。油車供油溫度(T1)保持在90 ℃以上。在發(fā)動機上進(jìn)行20次快加速循環(huán)，從怠速到60%額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷。控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min、4 000 r/min和4 200 r/min下運行，分別在負(fù)荷100%、75%、50%、25%和最小負(fù)荷工況時進(jìn)行測量，發(fā)動機運行到目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)負(fù)荷、目標(biāo)背壓后，保持5 min以穩(wěn)定發(fā)動機油溫油壓，然后進(jìn)行竄氣量測量，測量頻率不大于1 Hz。測量完畢后發(fā)動機回到怠速工況，關(guān)機前確保5 min怠速，增壓器止轉(zhuǎn)后關(guān)閉油車。該試驗各數(shù)值限值可根據(jù)試驗臺架進(jìn)行設(shè)定，但是必須嚴(yán)格遵守GB/T 18297—2001 《汽車發(fā)動機性能試驗方法》和GB/T 19055—2003 《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》國家規(guī)范[5-6]。

1.3 試驗檢測系統(tǒng)

汽車電噴發(fā)動機電子控制單元(ECU)是發(fā)動機電控系統(tǒng)的核心，能對發(fā)動機燃油和點火系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制[7]，試驗中ECU通過監(jiān)測各傳感器數(shù)據(jù)的變化，收集發(fā)動機各部分的工作狀態(tài)信息，并對各信號進(jìn)行分析，根據(jù)情況進(jìn)入程序自動運算，執(zhí)行各種命令。本次試驗使用ECU控制發(fā)動機工況變化。信號變化的數(shù)據(jù)使用INCA軟件收集，如圖2所示。

2 材料與試驗方法

2.1 單級增壓器試驗結(jié)果

通過對單級增壓器進(jìn)行試驗，得出了以下數(shù)據(jù),如圖3所示。

圖3 單級增壓器竄氣量及功率曲線

由圖3可知，在全負(fù)荷工況下，增壓器的竄氣量先上升，后下降，再上升，最后下降。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于2 600 r/min時，由于轉(zhuǎn)速上升，燃油消耗量增加，增壓器壓力增大，竄氣量增大。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于2 600 r/min，此時發(fā)動機氣缸內(nèi)部空氣增多，排氣溫度降低，增壓器渦端竄氣量減小，增壓器總竄氣量減小。隨著轉(zhuǎn)速增加，增壓器渦端和壓端壓力影響逐漸增大，竄氣量增加。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于4 000 r/min后，發(fā)動機噴油量減少，功率降低，竄氣量減少。

在發(fā)動機75%負(fù)荷工況下，單級增壓器竄氣量先增加，后降低，再升高，最后降低。曲線變化原因與全負(fù)荷相同。

在發(fā)動機50%負(fù)荷和25%的工況下，增壓器竄氣量先增加后降低，相比于全負(fù)荷和75%負(fù)荷兩種工況有較大變化。由數(shù)據(jù)可以看出，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于3 800 r/min時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速持續(xù)升高，功率升高，燃油消耗量升高，排氣溫度升高，油壓保持不變，竄氣量持續(xù)升高。在轉(zhuǎn)速高于3 800 r/min時，雖然發(fā)動機轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，但是功率下降，燃油耗減少，進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致增壓器渦端和壓端壓力降低，因此竄氣量減少。

在最小負(fù)荷的工況下，增壓器竄氣量一直增加。這種工況下，發(fā)動機負(fù)荷較低，竄氣量主要受增壓內(nèi)部壓力的影響，轉(zhuǎn)速增加時，功率一直升高，燃油耗增加，增壓器內(nèi)部壓力增大，竄氣量增加。

在各種工況下，增壓器漏氣量最大值為15.2 L/min，在全負(fù)荷轉(zhuǎn)速2 400～2 800 r/min范圍內(nèi)，低于經(jīng)驗限值20 L/min。

2.2 兩級增壓器試驗結(jié)果

兩級增壓器試驗結(jié)果，如圖4所示。

圖4 兩級增壓器竄氣量及功率曲線

在100%全負(fù)荷工況下，兩級增壓器竄氣量呈先增加、后降低的態(tài)勢，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 400 r/min時，竄氣量達(dá)到最高。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速到3 400 r/min時，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，功率增加，因此噴油量增加，增壓器內(nèi)部壓力上升，在轉(zhuǎn)速3 400 r/min時，竄氣量達(dá)到最大值。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過3 400 r/min時，增壓器竄氣量呈現(xiàn)下降的態(tài)勢，這是由兩級增壓器的工作特性所決定的。一般情況，在轉(zhuǎn)速較低時，增壓壓力由高壓級提供，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升，發(fā)動機需要的空氣量逐漸增大，增壓器低壓級開始轉(zhuǎn)動，高壓級作用減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時，低壓級停止工作，增壓壓力完全由低壓級提供。而兩級增壓器竄氣量是由增壓器高壓級和低壓級共同作用的結(jié)果，由于氣缸內(nèi)部空氣量增多，排氣溫度下降，渦端空氣溫度降低，因此竄氣量減少。轉(zhuǎn)速超過3 400 r/min時，高壓級作用減小，竄氣量減小，低壓級竄氣量增大，高壓級和低壓級疊加，竄氣量減小。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過4 000 r/min時，發(fā)動機功率下降，燃油耗減少，增壓器內(nèi)部壓力下降，竄氣量減少。

在75%負(fù)荷的工況下，增壓器竄氣量先持續(xù)升高，后降低。在轉(zhuǎn)速低于3 600 r/min時，發(fā)動機功率升高，進(jìn)氣量增加，增壓器內(nèi)部渦端和壓端的壓力增大，竄氣量增大。轉(zhuǎn)速超過3 600 r/min時，增壓器高壓級作用減小，低壓級轉(zhuǎn)速增加，共同作用使竄氣量減小。轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min時，功率減小，油耗量減小，增壓器內(nèi)部渦端和壓端的壓力減小，竄氣量快速下降。

在50%負(fù)荷的工況下，增壓器竄氣量曲線先升高，達(dá)到峰值后下降，轉(zhuǎn)速達(dá)到3 400 r/min時，竄氣量為極小值，然后上升，超過4 000 r/min后開始下降。在轉(zhuǎn)速低于3 400 r/min時，竄氣量先升后降的原因與前兩種工況一樣。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3 800 r/min時竄氣量上升，主要是因為此時低壓級作用較強，產(chǎn)生的竄氣量超過了高壓級竄氣量下降的影響。

在25%負(fù)荷的工況下，竄氣量變化的趨勢同50%負(fù)荷工況相似，變化的原因也相近。

在最小負(fù)荷工況下，竄氣量先升高，在轉(zhuǎn)速2 600 r/min時達(dá)到頂峰，隨后降低并保持平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)速高于3 600 r/min后竄氣量上升。在轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min時，竄氣量曲線變化的原因與其他負(fù)荷曲線變化相近。發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于3 000 r/min且低于3 600 r/min時，增壓壓力主要是由低壓級提供，而發(fā)動機此時功率較低，所需要的空氣量較少，所以竄氣量變化較為平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速高于3 600 r/min后，發(fā)動機燃油消耗量相對較大，油耗量上升，空氣消耗量上升，竄氣量增大。

在各種工況條件下，增壓器漏氣量最大值為22.5 L/min，位于75%負(fù)荷轉(zhuǎn)速3 600～3 800 r/min范圍內(nèi)，低于經(jīng)驗限值為35 L/min。

3 結(jié)論

某柴油機渦輪增壓器采用單級增壓時，竄氣量隨轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在不同負(fù)荷下，最大竄氣量對應(yīng)的轉(zhuǎn)速不同，最大竄氣量對應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷的增加呈降低趨勢。

而采用兩級增壓器時，竄氣量的變化趨勢與單級增壓情況相似，竄氣量的轉(zhuǎn)速特性和負(fù)荷特性與單級增壓趨勢相同。

在發(fā)動機相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的條件下，采用兩級增壓器的竄氣量明顯高于單級增壓器。在發(fā)動機升級為雙級增壓器的過程中，需要重點考慮竄氣量增加的趨勢，以確保發(fā)動機的安全使用和耐久性。