劉江權， 馬朝臣， 周 麗

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

爆震是限制汽油機壓縮比和增壓比提高的主要因素之一，降低汽油機的進氣溫度可降低汽油機的爆震傾向.增壓汽油機中冷器受限于中冷器傳熱介質溫度以及中冷器換熱效率，很難進一步降低進氣溫度.渦輪再冷增壓技術利用工質流經空氣渦輪膨脹降溫、壓氣機回收膨脹功的原理，可更高效降低進氣溫度，緩解汽油機的爆震傾向[1-2]，從而可以提高汽油機的壓縮比或增壓器的增壓比以增加進氣量，進而提高發(fā)動機升功率實現(xiàn)發(fā)動機的小型化[3-4].文中針對增壓汽油機對渦輪再冷增壓系統(tǒng)進行了研究.

1 汽油機渦輪再冷增壓系統(tǒng)工作原理

圖1為汽油機渦輪再冷增壓系統(tǒng)示意圖.系統(tǒng)由一個傳統(tǒng)的渦輪增壓器和一個空氣渦輪增壓器組成.從發(fā)動機排出的高溫高壓的廢氣驅動廢氣渦輪，帶動與之相連的另一側的低壓級離心壓氣機，壓縮進入低壓級壓氣機的新鮮空氣，之后新鮮空氣進入由空氣渦輪驅動的高壓級壓氣機進一步壓縮，最后新鮮空氣經中冷器進入空氣渦輪進一步膨脹降溫.空氣渦輪相比中冷器，由于高壓級壓氣機可回收空氣渦輪膨脹功，換熱效率更高.在一定范圍內，可根據需要調整空氣渦輪膨脹比獲得理想的進氣溫度[5]，如式(1)所示.

(1)

式中:T1為空氣渦輪進氣溫度；T2為空氣渦輪排氣溫度；πAT為空氣渦輪膨脹比；ηAT為空氣渦輪效率.

圖1 汽油機渦輪再冷增壓系統(tǒng)示意圖

2 渦輪再冷增壓器設計

渦輪再冷增壓系統(tǒng)選擇匹配在某1.5 L渦輪增壓汽油機，其基本性能和結構參數(shù)如表1所示.

表1 1.5 L汽油機主要技術參數(shù)

2.1 不同溫降仿真結果分析及溫降的選擇

為了初步確定渦輪再冷增壓器的設計參數(shù)，基于某1.5 L渦輪增壓汽油機和某低膨脹比渦輪增壓器的試驗數(shù)據，在GT-Power中搭建渦輪再冷增壓汽油機的仿真模型，通過對仿真結果的分析為空氣渦輪再冷汽油機增壓系統(tǒng)開發(fā)提供依據.

通過聯(lián)合調節(jié)空氣渦輪和廢氣渦輪，獲得不同的進氣溫度和壓力，選擇若干具有代表性的工況點進行分析.選擇溫降(渦輪再冷汽油機進氣溫度相對原機降低的溫度)分別為10 ℃、20 ℃、30 ℃，選擇設計工況轉速4 000 r/min.圖2展示了汽油機燃油消耗率、轉矩隨進氣壓力的變化情況，每條曲線最右邊的點為爆震臨界工況點.

圖2 轉速4 000 r/min工況下仿真結果

從圖2可以看出：①在進氣溫度一定的情況下，隨著汽油機進氣壓力的增加，汽油機轉矩提高，燃油消耗率降低.這是由于進氣增加后，噴油量增加，燃油燃燒更加充分，從而使得汽油機轉矩輸出增加，燃油消耗率降低.②在進氣壓力不變的情況下，隨著進氣溫降的增大，燃油消耗率增加，汽油機的轉矩輸出減小.這是由于一方面溫降越大，所需要的空氣渦輪膨脹比越大，必須提高系統(tǒng)總壓比，才能使得汽油機進氣量不會下降，但這會使增壓汽油機排氣背壓增加，影響缸內掃氣，增加泵氣損失，使得汽油機效率降低.另一方面，進氣溫度降低，不利于油滴的蒸發(fā)，導致滯燃期延長，使得燃油燃燒效率降低.兩者綜合作用，導致燃油消耗率增加.③在一定范圍內，隨著溫降上升，汽油機臨界爆震進氣壓力升高，能達到的最大轉矩也越高.這是由于降低進氣溫度之后，增壓汽油機的爆震傾向也降低，故可提高增壓系統(tǒng)的增壓比，增加進氣量.

基于仿真結果，綜合考慮1.5 L汽油機動力性與經濟性，結合其在整體運行工況下，轉矩提高15%的實際要求，選擇將溫降控制在20 ℃.

2.2 渦輪再冷增壓系統(tǒng)熱力計算

由上節(jié)仿真結果確定了空氣渦輪溫降△T，基于增壓器熱力學公式和功率平衡公式，如式(2)

(2)

式中：Tic,o為中冷器出口即空氣渦輪進口溫度；πAT為空氣渦輪膨脹比；ηAT為空氣渦輪效率；△T為空氣渦輪溫降；P0為壓氣機進口壓力；πc為增壓系統(tǒng)總壓比；△P為中冷器壓降；PAT2為空氣渦輪出口壓力；T0為壓氣機進口溫度；πc1為低壓壓氣機壓比；πc2為高壓壓氣機壓比；ηm為空氣渦輪增壓器機械效率.

表2 渦輪再冷增壓器基本設計參數(shù)

2.3 渦輪再冷增壓系統(tǒng)設計

高壓級增壓器壓氣機葉輪的設計主要基于經驗公式和熱力公式，由此初步計算出葉片輪轂直徑、進出口葉片安裝角以及進出口葉片厚度等參數(shù)，然后借助NREC軟件對壓氣機各個參數(shù)進行優(yōu)化.葉輪子午流面和葉型的造型設計借助Bezier曲線，Bezier具有操作方便、曲率連續(xù)、形狀控制方便等優(yōu)點[6].

高壓級增壓器渦輪的設計采用基于載荷系數(shù)和流量系數(shù)的設計方法進行設計[7].首先依據增壓器外形尺寸選擇合適的載荷系數(shù)和流量系數(shù)，通過計算得出渦輪葉輪進出口參數(shù)，同樣借助NREC軟件進行優(yōu)化設計，最后借助Bezier曲線完成渦輪葉片造型.

由于增壓器轉速較低，可以使用滑動軸承，以減小轉軸與軸承之間的摩擦力，提高增壓器的整體效率，這也能顯著改善增壓器的加速性能.此外，滑動軸承采用油脂潤滑的潤滑方式，不用設計潤滑油道，大大簡化了增壓器設計.

高壓級增壓器的結構特點：①空氣渦輪膨脹比小、壓氣機壓縮比小，增壓器的整體尺寸偏??；②空氣渦輪的工作溫度遠低于普通廢氣渦輪，渦輪葉輪、渦輪殼以及中間體的制造材料可使用與壓氣機一樣的鑄鋁，以減小總體質量和轉動慣量，從而有效緩解增壓器的遲滯效應.

由于整個總增壓比相比原機升高了，低壓級增壓器在原機的增壓器基礎上進行優(yōu)化設計，壓氣機保持不變，渦輪通過改變蝸殼流通截面積調整流量特性以達到設計點的壓比.

3 渦輪再冷增壓器試驗

試驗是在渦輪增壓器性能試驗臺上進行，主要是測量空氣渦輪和壓氣機的流量特性和效率特性.

3.1 渦輪性能試驗

渦輪性能試驗是在專用的渦輪性能試驗臺上進行[8]，測量了渦輪的通用流量特性和渦輪效率特性.

3.1.1 測量渦輪通用流量特性

如圖3所示，由空氣渦輪流量特性曲線可以看出，轉速越大，空氣渦輪膨脹比范圍越大；在同一相似轉速，空氣渦輪膨脹比隨著流量增大而增大.空氣渦輪設計目標膨脹比大約在1.3到1.6之間，在設計工況處，膨脹比達到1.4，符合設計要求.

圖3 空氣渦輪流量特性

3.1.2 測量渦輪效率特性

測量渦輪的絕熱效率需要測量渦輪的實際膨脹做功，渦輪實際膨脹功直接計算需要知道渦輪進、出口的總溫，而在實際測量中，由于渦輪出口具有強烈的旋流作用導致無法直接得到渦輪出口的總溫.試驗采用的是間接法獲得渦輪實際膨脹做功.壓氣機實際壓縮功可通過測量壓氣機質量流量和進、出口的總溫等參數(shù)計算得到，而增壓器軸上損失的機械功主要轉化為熱能然后由潤滑油帶走，所以可以通過測量潤滑油的質量流量和進、出口的潤滑油溫等參數(shù)計算得到.受限于試驗設備，通過潤滑油測量增壓器軸上損失的機械功精度較差，因而文中只測量渦輪的有效效率.

如圖4所示，通過空氣渦輪的效率特性曲線不難發(fā)現(xiàn)：增壓器轉速越大，渦輪整體有效效率更高，渦輪的最高效率隨轉速降低向較小的U/C0方向移動；渦輪最高有效效率接近50%.

圖4 空氣渦輪效率特性

3.2 壓氣機性能試驗

測量壓氣機的流量特性：調節(jié)渦輪進口的進氣量和進氣壓力，保持渦輪在某一轉速不變，調節(jié)壓端流量，使壓端流量從某一較大流量開始，不斷減小，測量壓氣機進、出口壓力和溫度，直到壓氣機喘振.總共測量5條轉速線，每條線測量6到10個點.

試驗中的壓氣機的壓比要低于普通的壓氣機，同時需要較寬廣的流量范圍.圖5為壓氣機壓比隨流量以及轉速的變化關系圖.如圖所示，左上角的斜線代表壓氣機喘振邊界，右下角的斜線代表壓氣機堵塞邊界；在同一轉速，隨著流量的增加，壓氣機壓比逐漸降低；隨著轉速增大，壓氣機喘振流量和堵塞流量都增加，流量范圍也更加寬廣，同時，在整個實驗工況范圍內，壓氣機壓比分布在1.05到1.30之間，流量范圍較為寬廣，符合低壓比、寬流量范圍的設計初衷.

圖5 壓氣機流量特性

圖6為壓氣機效率特性曲線圖.如圖所示，壓氣機效率隨著流量的變化，呈現(xiàn)一個拋物線形狀，高效率區(qū)分布在中低流量范圍，隨著轉速的增加，高效率區(qū)向大流量方向移動，85 000 r·min-1時，最高有效效率達到54%.

圖6 壓氣機效率特性

4 渦輪再冷增壓系統(tǒng)仿真驗證

基于某1.5 L汽油機(匹配單級渦輪增壓系統(tǒng))已有參數(shù)，在GT-power軟件中建立汽油機的計算模型，并將外特性下汽油機功率和燃油消耗率仿真結果與汽油機試驗結果進行對比，如圖所示.從圖7中可以看出，仿真計算結果與試驗結果相對誤差最大不超過3%，吻合很好，在允許的誤差范圍之內，因此，該模型可用來對1.5 L汽油機進行性能預測和分析.

圖7 仿真驗證結果

在上述建立的仿真模型的基礎上，基于渦輪再冷增壓器性能試驗數(shù)據，建立匹配有渦輪再冷增壓系統(tǒng)的汽油機計算模型，利用仿真模型，對匹配有渦輪再冷增壓系統(tǒng)的汽油機進行仿真計算，獲得所需的外特性下汽油機的性能參數(shù).

如圖8所示，在設計工況4 000 r/min，匹配有渦輪再冷增壓系統(tǒng)的汽油機進氣溫度較原機降低了17 ℃，進氣流量增加16 kg/s，進氣溫度的降低保證了進氣壓力增加后，汽油機不會發(fā)生爆震，功率較原機提升了12%左右.這是由于進氣量的增加，可以增加噴油量，汽油機的做功也會增加，這對提升汽油機功率密度、推動發(fā)動機小型化發(fā)展具有積極意義.同時需要注意，為了提升進氣量，增壓系統(tǒng)總壓比也增加了，中冷器的進氣溫度相比原機增加，中冷器的耐溫性和散熱量也會增加，因此，在實際運用中，中冷器需要重新匹配.

圖8 基于試驗仿真結果與原機的對比

5 結 論

1)基于仿真結果，在一定范圍內，隨著溫降上升，汽油機臨界爆震進氣壓力升高，能達到的最大轉矩也越高.在進氣溫度一定的情況下，隨著汽油機進氣壓力的增加，汽油機轉矩提高，燃油消耗率降低.在進氣壓力不變的情況下，隨著進氣溫降的增大，燃油消耗率增加，汽油機的轉矩輸出減小.

2)通過渦輪再冷增壓器的性能試驗可得出：空氣渦輪有效效率在未達到最佳速比時可達到50%，壓氣機效率達到55%，處于可接受范圍，尚未達到最理想狀態(tài)，后續(xù)研究的重點會放在空氣渦輪的優(yōu)化設計上.

3)通過系統(tǒng)仿真驗證得出：在設計工況處，渦輪再冷增壓系統(tǒng)可使汽油機的進氣溫度相對原機降低17 ℃，保證不爆震的前提下，可增大增壓比，獲得更高的進氣壓力，增加汽油機的功率輸出，提升汽油機的升功率.