M.PENZEL V.BEVILACQUA M. B GER

在渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)上，增壓空氣系統(tǒng)如要在加速過程中驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子，能采用可變幾何截面渦輪增壓器和電動(dòng)輔助增壓器以替代機(jī)械式壓氣機(jī)，從而改善增壓發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。保時(shí)捷工程公司比較了幾種不同的氣動(dòng)助力方案，并得出了相關(guān)結(jié)論。

渦輪增壓;發(fā)動(dòng)機(jī);響應(yīng)特性;氣動(dòng)助力

0?前言

通過采用廢氣渦輪增壓器能有效地提高內(nèi)燃機(jī)的升功率和工作效率，但是渦輪增壓器要從某個(gè)轉(zhuǎn)速起才能充分發(fā)揮其性能。由于渦輪增壓器的渦輪和壓氣機(jī)具有一定慣性，在低轉(zhuǎn)速時(shí)為了能快速且有效地壓縮空氣，內(nèi)燃機(jī)的空氣流量往往會(huì)不夠充足。因此，與功率相同的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在瞬態(tài)加速過程期間扭矩的輸出會(huì)存在延遲現(xiàn)象，而且渦輪增壓器尺寸越大，這種效應(yīng)就越明顯。

研究人員為此開發(fā)了1種氣動(dòng)助力系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將渦輪延遲的影響降至最低程度。其借助于儲(chǔ)存在壓縮空氣罐中的壓縮空氣，即使在低轉(zhuǎn)速時(shí)也能使發(fā)動(dòng)機(jī)快速地實(shí)現(xiàn)扭矩輸出。與機(jī)械式壓氣機(jī)、可變幾何截面渦輪增壓器或者電輔助增壓器等替代方案相比，氣動(dòng)助力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，其由壓縮空氣罐、管道系統(tǒng)、控制閥和空氣壓縮機(jī)等部件組成。

1?方案比較

保時(shí)捷工程公司在潛力評(píng)估框架中研究和評(píng)價(jià)了4種不同的氣動(dòng)助力方案，緊接著使這些方案分別與1個(gè)較大的和1個(gè)較小的渦輪增壓器相組合，從而使這些配置方案增加到8個(gè)，而且對(duì)2種不同的情況分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。其中1種采用了參數(shù)恒定不變的壓力助力系統(tǒng)，另1種則采用了參數(shù)可變的壓力助力系統(tǒng)，并將在發(fā)動(dòng)機(jī)其他技術(shù)不變和采用相同試驗(yàn)車輛的情況下，以50～120 km/h的瞬態(tài)加速策略作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

研究人員將試驗(yàn)結(jié)果與由大型渦輪增壓器與機(jī)械式壓氣機(jī)而組合成的基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行比較。這種基準(zhǔn)增壓方式可將較高的峰值扭矩和較高的額定功率實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，從而成為可進(jìn)行比較的衡量尺度。

這4種氣動(dòng)助力方案的區(qū)別在于輸送到內(nèi)燃機(jī)和廢氣渦輪增壓器系統(tǒng)中的壓縮空氣本身，原則上導(dǎo)入壓縮空氣可采用下列幾種方式：

（1） 將壓縮空氣導(dǎo)入廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)前端;（2）將壓縮空氣導(dǎo)入進(jìn)氣道[1];（3）將壓縮空氣直接導(dǎo)入氣缸[2];（4）將壓縮空氣導(dǎo)入排氣歧管[3]。

2?理想系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

研究人員分別對(duì)每種方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，邊界條件是恒定不變的壓力和不受限制的壓縮空氣罐容量。而針對(duì)壓縮空氣罐閥的控制方式應(yīng)滿足基準(zhǔn)系統(tǒng)所需的加速數(shù)值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所有的配置方案都有效滿足了所要求的加速響應(yīng)特性（圖1）。

在采用大型渦輪增壓器和將助力空氣導(dǎo)入排氣歧管的情況下，增壓器壓氣機(jī)會(huì)在特性曲線場(chǎng)外區(qū)域運(yùn)行，這樣就會(huì)發(fā)生一系列效應(yīng)（圖1（b）中箭頭所指）。由于在壓氣機(jī)葉輪中會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣充量回流的現(xiàn)象，因此研究人員放棄了這種方案。

另1個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)是基準(zhǔn)加速策略系統(tǒng)必須提供一定的空氣質(zhì)量，并出現(xiàn)了顯著差異（圖2）。相差較大的空氣需求量是由方案條件所決定的：在壓縮空氣從壓氣機(jī)前端或進(jìn)氣道導(dǎo)入的情況下，所有的空氣都必須由壓縮空氣罐提供，而在壓縮空氣直接導(dǎo)入氣缸的情況下只需提供助力運(yùn)行過程所需的附加空氣。此外，在配置小型渦輪增壓器的情況下，渦輪和壓氣機(jī)能迅速地達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速，因而對(duì)氣動(dòng)助力輔助的要求較低。

此外，研究人員在將氣動(dòng)助力系統(tǒng)集成到車輛上時(shí)，由于裝配尺寸的原因，壓縮空氣罐的容積受到一定限制。如果使用10 L容積和2.0 MPa的壓縮空氣罐，可用于加速方案的最大空氣質(zhì)量為100 g。在該背景下，僅將壓縮空氣導(dǎo)入氣缸的2種方案（空氣質(zhì)量為50 g或17 g）及將壓縮空氣導(dǎo)入排氣歧管與小型渦輪增壓器（空氣質(zhì)量為43 g）的組合配置才可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，因此仍須開展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

3?真實(shí)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

與理想系統(tǒng)相比，真實(shí)的空氣供應(yīng)過程會(huì)受制于某些邊界條件：

（1） 在實(shí)施加速策略期間壓縮空氣罐中的壓力會(huì)有所降低;

（2） 環(huán)境空氣經(jīng)壓縮后溫度會(huì)有所升高;

（3） 可供使用的空氣質(zhì)量取決于壓縮空氣罐中的壓力和容積。

這些情況與其在真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)換有著重要關(guān)聯(lián)。圖3示出了壓縮空氣直接導(dǎo)入氣缸后并與大型渦輪增壓器相匹配時(shí)，壓縮空氣罐壓力及其容積、加速策略實(shí)施的時(shí)間（b）或爆燃指數(shù)（c）之間的關(guān)系，而圖3（a）則示出了發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨時(shí)間的提升，其中下方的虛線曲線①代表發(fā)動(dòng)機(jī)的基本配置（大型渦輪增壓器，無輔助措施），上方的虛線曲線③代表基準(zhǔn)值（渦輪增壓器與機(jī)械式壓氣機(jī)）。

助力空氣的壓縮過程會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣罐中的氣體溫度提高，從而增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃傾向。為了避免爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的損傷，在每種情況下都必須遵守爆燃極限（爆燃指數(shù)≤250）。在該邊界條件下，理想系統(tǒng)內(nèi)可能存在的最大助力壓力2.0 MPa就要降至0.7 MPa，以致于只能轉(zhuǎn)換到圖3（a）中的扭矩提升曲線②。

從圖3（b）中也可清楚地看到，為了達(dá)到目標(biāo)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由此可輸出的功率依然相對(duì)較低。在圖3（b）中右上角的深色區(qū)域相當(dāng)于基準(zhǔn)系統(tǒng)所能達(dá)到的性能水平，同時(shí)也是所要達(dá)到的目標(biāo)范圍，而左下角區(qū)域則代表加速時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)2.5 s（基本水平），其他區(qū)域則代表著處于兩者之間的數(shù)值。正如圖中所示，基本系統(tǒng)主要為圖3（b）中的①水平。所考察的最大空氣容積為10 L且具有0.7 MPa壓力的助力系統(tǒng)（圖3（b）中的②）低于目標(biāo)水平（圖3（b）中的③）。為了能使系統(tǒng)具有合適的加速功率，也就是要達(dá)到圖3（b）的右上角深色區(qū)域，在壓縮空氣容積為10 L的情況下助力壓力至少應(yīng)達(dá)到1.3 MPa。

圖3（c）示出了發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃指數(shù)的示意圖，圖中左側(cè)深色區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)值，其他區(qū)域則為不容許采用的過高爆燃指數(shù)，并由此明顯表示了上述關(guān)系。在壓縮空氣罐容積為10 L的情況下，0.7 MPa壓力就對(duì)應(yīng)著所容許的爆燃極限。更高的壓力會(huì)相應(yīng)提高發(fā)生爆燃的風(fēng)險(xiǎn)，為達(dá)到性能所需的1.3 MPa助力壓力，由此會(huì)使爆燃指數(shù)上升至800。

圖4是由圖3疊加而成的，作為圖形調(diào)整的結(jié)果可以看到，這種配置因存在明顯的相互作用，動(dòng)態(tài)加速性能和爆燃極限2個(gè)目標(biāo)無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。與小型渦輪增壓器相組合的方案也會(huì)導(dǎo)致類似的結(jié)果，以致于將助力空氣直接導(dǎo)入氣缸的方案也與此相似。

圖4?真實(shí)系統(tǒng)——在壓縮空氣直接導(dǎo)入氣缸后，并與小型渦輪增壓器或大型渦輪增壓器進(jìn)行方案組合時(shí)，相對(duì)加速時(shí)間和爆燃指數(shù)覆蓋的范圍

最終，研究人員所考察的8種方案中僅有將助力空氣導(dǎo)入排氣歧管并與小型渦輪增壓器相組合的方案才能有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。正如圖5所示，采用容積為5 L的壓縮空氣罐和2.0 MPa的最大壓力就能使加速時(shí)間達(dá)到基準(zhǔn)水平。在采用了該方案的情況下，壓縮過程會(huì)使助力空氣的溫度提高，且對(duì)發(fā)生爆燃的影響較小，可予以忽略。

4?雙渦輪增壓

當(dāng)今所采用的增壓系統(tǒng)往往是由1個(gè)較大的渦輪增壓器與1個(gè)較小的渦輪增壓器所組合而成的，因此研究人員對(duì)這種配置方案也一起進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，氣動(dòng)助力系統(tǒng)可輔助增壓機(jī)組的高壓級(jí)進(jìn)行協(xié)同運(yùn)作，附加改善了響應(yīng)特性和峰值扭矩，而增壓機(jī)組的低壓級(jí)則能確保發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最高功率。在該雙渦輪增壓器配置方案中，小型渦輪增壓器可通過改善動(dòng)態(tài)性能的方式進(jìn)行優(yōu)化，以此能縮短氣動(dòng)助力系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，因此在2.0 MPa壓力情況下，所需的壓縮空氣罐容積從5 L縮小到4 L。

研究人員還進(jìn)一步考察了雙渦輪增壓器與氣動(dòng)助力系統(tǒng)和將少量燃油噴入排氣歧管的組合方案。后者產(chǎn)生的效果也支持了氣動(dòng)助力系統(tǒng)的功能，從而在2.0 MPa的壓力情況下僅需配備2.5 L壓縮空氣罐系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)僅需消耗較少的壓縮功。按照研究人員的粗略評(píng)估，這種附加的節(jié)油效果同時(shí)也可補(bǔ)償所增加的燃油耗。

5?結(jié)論和展望

正如保時(shí)捷工程公司根據(jù)潛力評(píng)估所得出的結(jié)果，氣動(dòng)助力系統(tǒng)能有效改善配備廢氣渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)的加速響應(yīng)性能，從而得到采用附加機(jī)械式壓氣機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)間-扭矩曲線（圖6）。但從理論出發(fā)，僅通過兩級(jí)渦輪增壓器與氣動(dòng)助力系統(tǒng)相組合的方案才能滿足峰值扭矩、最高功率和加速響應(yīng)性等方面的要求。在首次試驗(yàn)中，向排氣歧管中噴射附加燃油的方案已充分表明了其為提高系統(tǒng)性能的另1種方法。氣動(dòng)助力方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗和廢氣排放特性會(huì)產(chǎn)生一定影響，特別是在真實(shí)的行駛過程中。該方案取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)許多不同的因素，根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果尚無法對(duì)此予以評(píng)價(jià)，而且主要問題在于氣動(dòng)助力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用過程中是否也能作為優(yōu)化增壓發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的替代方案。這不僅僅是純粹的自然技術(shù)，同時(shí)還取決于各個(gè)汽車制造商的驅(qū)動(dòng)技術(shù)平臺(tái)和組合部件策略。

[1]MARX M，NMETH H，GERUM E.Verbesserung des drehmomentverhaltens aufgeladener dieselmotoren durch drucklufteinblasung[J].MTZ，2009，70（6）：472-479.

[2]D?NITZ C，WABBALS D，KEMPNY R，u.a.Responseverbesserung durch drucklufteinblasung bei aufgeladenen ottomotoren[C].9. MTZ-Fachtagung Ladungswechsel im Verbrennungsmotor， Stuttgart， 2016.

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