余光耀 袁觀練 李高堅 王國棟

摘要：本文針對在汽油機上應(yīng)用越來越廣泛的渦輪增壓器的匹配進(jìn)行了探討。主要介紹了渦輪增壓器的主要涉及參數(shù)、壓氣機的匹配、渦輪機的匹配、增壓器匹配所需的輸入設(shè)計參數(shù)以及匹配方案合理與否的初步判斷等。最終匹配出來的方案是否合理，還需通過發(fā)動機臺架選型匹配與設(shè)計目標(biāo)的對比來判斷。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;壓氣機;渦輪機;臺架選型

中圖分類號：U464.135? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0001-03

0? 引言

隨著人們環(huán)保意識的提高，世界各地陸續(xù)制定了日益嚴(yán)峻的排放與油耗法規(guī)。這也倒逼著各車企不斷開發(fā)車用發(fā)動機新技術(shù)來滿足法規(guī)要求。而渦輪增壓技術(shù)在提升動力性、改善經(jīng)濟(jì)性、降低排放、降低排氣噪聲以及追求發(fā)動機小型化等方面有著獨特的優(yōu)勢，使其成了當(dāng)下車用發(fā)動機主流技術(shù)[1-3]。渦輪增壓器能否發(fā)揮其優(yōu)勢，與發(fā)動機的匹配起著決定性的作用。

1? 增壓技術(shù)

1.1 渦輪增壓技術(shù)

式（1）是計算發(fā)動機功率的簡易公式，其中：

P=n·p·V/i? （1）

式中：n=轉(zhuǎn)速;

p=平均有效壓力;

V=氣缸容積;

i=沖程。

傳統(tǒng)的提高發(fā)動機功率的方法主要有增加氣缸體積和提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，增加氣缸體積的同時也會增大摩擦，只能在一定范圍內(nèi)使用。而提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速則面臨著對發(fā)動機的零部件設(shè)計也提出了更高的要求。提高平均有效壓力P，可以使得氣缸內(nèi)的充氣效率得到很好的提升，進(jìn)而燃燒更多的燃油，提高發(fā)動機的功率。目前提高平均有效壓力的方法主要有兩種：①增大發(fā)動機的壓縮比;②增壓器增壓。汽油機提高氣缸壓縮比幅度有限，壓縮比提高了會加強爆震傾向。而增壓器增壓由于發(fā)動機排量減小、缸數(shù)減少、摩擦減小、油耗低等諸多優(yōu)點，是提高發(fā)動機功率的主流方法。

發(fā)動機常用的增壓技術(shù)有兩種，機械增壓與廢氣渦輪增壓。廢氣渦輪增壓由于在減小發(fā)動機體積與摩擦阻力、降低油耗低（通過排氣能量驅(qū)動）、增壓壓力連續(xù)可控、高原補償容易等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。圖1是廢氣渦輪增壓的發(fā)動機工作過程原理圖。

1.2 渦輪增壓器的主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 壓氣機殼/渦輪殼的A/R比值

對于渦輪增壓器來說，A/R是表征渦殼流通能力大小的關(guān)鍵參數(shù)。其中A表示從渦輪進(jìn)氣口過渡到渦輪中心的截面積（壓氣機殼體的出氣口到壓氣機中心的截面積），R表示渦輪軸承中心到壓氣機出氣口（或者是渦輪進(jìn)氣口）橫截面中心點的距離。對壓氣機來說，壓氣機的A/R值對壓氣機性能的影響很小，增壓器硬件匹配時基本是固定下來的。A/R值越大表示具有高流量的傾向。

對渦輪殼來說，一般大A/R比值的渦殼可以擴(kuò)大流量范圍而應(yīng)用于優(yōu)化低增壓的性能。小A/R比值的渦殼則應(yīng)用于高增壓。A/R比值越小，則廢氣進(jìn)入渦輪的流速越快，增加了發(fā)動機低速時的渦輪功，導(dǎo)致增壓壓力上升較快，減小渦輪增壓的遲滯效應(yīng)。但是小A/R比使得廢氣流入渦輪時，切向角度更大，渦輪葉輪的最終流量將下降，增大背壓，導(dǎo)致發(fā)動機高速時吸氣能力下降，影響了發(fā)動機最大功率。若注重發(fā)動機低速扭矩特性和瞬態(tài)響應(yīng)，則應(yīng)選擇小A/R比的渦殼;若更注重發(fā)動機高速段的動力輸出，則應(yīng)選擇大A/R比的渦殼。因而需要根據(jù)發(fā)動機的設(shè)計目標(biāo)來進(jìn)行選擇合理的A/R比。

1.2.2 壓氣機/渦輪的Trim

對于渦輪來說，Trim是表示壓氣機/渦輪葉輪的流通能力的關(guān)鍵參數(shù)（見圖2），其定義如式2所示。

其中inducer為壓氣機/渦殼葉輪進(jìn)口外徑，exducer為壓縮機/渦輪葉輪出口直徑。當(dāng)其他參數(shù)相同時，Tim值越大，葉輪流量越大，計算公式見式（3）。其中r2，new新的葉輪半徑，r2，original為變更前的葉輪半徑。對于汽油機來說，常見的壓氣機Trim在50～60之間，渦輪Trim在70～80之間。

2? 渦輪增壓器的匹配

2.1 匹配流程

圖3所示的是渦輪增壓器的匹配流程，從開始到機械強度校核共分為4各階段5個步驟進(jìn)行。搜集好發(fā)動機設(shè)計參數(shù)后即可進(jìn)行發(fā)動機所需空氣流量的計算;空氣流量計算結(jié)束后選擇壓氣機參數(shù)，確定壓氣機方案的Trim與A/R比，再按壓氣機條件修正流量，在壓氣機流量特性圖上標(biāo)出所需的數(shù)據(jù)點;選好壓氣機后，基于渦輪增壓器的功率平衡方程計算所需的渦輪參數(shù)，再在渦輪機的流量特性曲線上標(biāo)出所需的數(shù)據(jù)點。壓氣機和渦輪機方案選定后還需進(jìn)行機械強度的校核。

2.2 壓氣機匹配

壓氣機的匹配需要根據(jù)發(fā)動機設(shè)計參數(shù)需求進(jìn)行。在發(fā)動機排量確定的情況下，主要輸入的目標(biāo)設(shè)計參數(shù)包括外特性線上的發(fā)動機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的扭矩、功率、過量空氣系數(shù)、容積效率、燃油消耗率、空濾壓降、排氣背壓、壓氣機前進(jìn)氣溫度、渦輪前的排氣溫度，進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣溫度等。表1是壓氣機匹配需要輸入的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

然后需要確定與發(fā)動機設(shè)計工況對應(yīng)的增壓器輸出的過渡性參數(shù)特性。表1所示的是壓氣機根據(jù)發(fā)動機設(shè)計工況匹配出來的壓氣機過渡性參數(shù)信息。這些參數(shù)特性主要包括中冷溫降、壓前壓力、壓前溫度、空氣流量、壓前密度、體積流量、進(jìn)氣歧管壓力、壓后壓力、壓后溫度、空氣流量、壓后密度、進(jìn)氣歧管密度、壓氣機出口溫度、壓氣機作功功率等，如表2所示。

最終根據(jù)匹配要求算出壓氣機對應(yīng)外特性線上的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增壓器體積流量、質(zhì)量流量、壓比、壓氣機效率與壓氣機的轉(zhuǎn)速等，并在壓氣機的Map圖上畫出該發(fā)動機外特性工況的效率曲線。圖4是根據(jù)某款1.5L渦輪增壓發(fā)動機的參數(shù)特性輸入進(jìn)行匹配得出的壓氣機MAP圖。從圖4中可看出匹配出來的外特性增壓器效率曲線處于壓氣機比較高效的區(qū)域，說明該壓氣機的匹配是比較合理的。最終壓氣機的匹配效果需要匹配到發(fā)動機后，上臺架實測才能得出具體數(shù)值。

2.3 渦輪機的匹配

進(jìn)行渦輪機的匹配前要先確定廢氣常量、廢氣比熱值、廢氣絕熱指數(shù)數(shù)、渦輪直徑以及渦輪入口直徑，然后根據(jù)輸入的發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)速結(jié)合渦輪效率、廢氣放氣量等變量，根據(jù)氣體方程計算出渦輪機膨脹比、流量、渦輪機做功功率、渦輪機效率、渦輪入口排氣壓力，渦輪入口排氣溫度、渦輪轉(zhuǎn)速等變量值。在渦輪流量特性圖上找出該發(fā)動機利用到的流量特性，如圖5所示。在渦輪效率圖上結(jié)合發(fā)動機工況特性找出該發(fā)動機利用的渦輪效率點，如圖6所示。當(dāng)渦端MAP圖中外特性運行線恰好穿過等速曲線時，表示匹配合理。

3? 結(jié)語

汽油機的渦輪增壓器的匹配需要輸入的設(shè)計參數(shù)非常多，中間需要進(jìn)行多次的方案更改，一項復(fù)雜而周期長的匹配工程。壓氣機與渦輪機根據(jù)理論選出合理的匹配方案后，還需要上發(fā)動機臺架機型實際的增壓器選型匹配。臺架選型匹配可能需要進(jìn)行多輪多方案的優(yōu)化，然后根據(jù)選型結(jié)果與設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行比對后，才能匹配出最優(yōu)的增壓器方案。

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