程勉宏 王文竹 付 強(qiáng)

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引言

渦輪增壓器技術(shù)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低燃油消耗、減少?gòu)U氣排放的有效手段。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在減小排量的情況下通過(guò)提升進(jìn)氣壓力能夠使相同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能提升，同時(shí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性與自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)相比有所提升。根據(jù)整車車型動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)要求，該文設(shè)計(jì)開發(fā)了節(jié)能高效的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)匹配目標(biāo)的確定

影響增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的標(biāo)定、進(jìn)氣歧管總成及排氣歧管總成的走向、整車進(jìn)氣系統(tǒng)壓降和排氣系統(tǒng)背壓等，但是渦輪增壓器的匹配是否優(yōu)良是最為關(guān)鍵的[1]。渦輪增壓器的匹配結(jié)果直接影響燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能（功率、扭矩）。增壓器的匹配內(nèi)容主要包括方案匹配和性能匹配。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)確定

根據(jù)整車目標(biāo)的確定，要求發(fā)動(dòng)機(jī)有很好的低速扭矩和中速中負(fù)荷的燃油經(jīng)濟(jì)性[2]。具體設(shè)計(jì)開發(fā)的技術(shù)目標(biāo)參數(shù)見表1。

1.1.2 確定壓縮比

該款發(fā)動(dòng)機(jī)為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器匹配的關(guān)鍵主要避免爆震的產(chǎn)生，所以要控制好發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、進(jìn)氣壓力、增壓器轉(zhuǎn)速范圍。由于增壓后排溫易升高，所以增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比要比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的低，保證燃燒穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比研究最后確定為壓縮比為9∶1。

1.1.3 確定中冷技術(shù)

由于增加發(fā)動(dòng)機(jī)提升了進(jìn)氣的壓力，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度的升高，為了保證燃燒的穩(wěn)定性，必須采用冷卻系統(tǒng)將進(jìn)氣溫度降下來(lái)，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均有提高，經(jīng)過(guò)研究確定采用空對(duì)空中冷器冷卻增壓后的空氣溫度。

1.1.4 確定渦輪機(jī)的葉片大小

渦輪機(jī)的大小直接影響了整車的使用性能，影響發(fā)動(dòng)機(jī)隨油門提升扭矩的 響應(yīng)速度，由于小渦輪質(zhì)量輕，低速響應(yīng)性較好，但這可能要損失高速段的動(dòng)力性。通過(guò)對(duì)于匹配目標(biāo)的研究確定選擇小渦輪增壓器進(jìn)行匹配。

2 渦輪增壓器匹配方案確定

2.1 渦輪增壓器匹配方案選擇

為了保證渦輪增壓器匹配的合理性，確定了3款渦輪增壓器進(jìn)行匹配選擇，并統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)，具體方案見表2。

表2 渦輪增壓器匹配方案

表2中：A代表壓氣機(jī)出風(fēng)口橫截面積；R代表渦輪軸承中心到壓氣機(jī)出風(fēng)口橫截面中心點(diǎn)的距離。對(duì)以上3種不同的渦輪增壓器增壓曲線進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)1和3方案進(jìn)行仿真模擬[3]。方案1MAP圖如圖1所示，圖中的數(shù)據(jù)顯示壓氣機(jī)流量在可接受的范圍內(nèi)工作。

方案3MAP圖如圖2所示，圖中的數(shù)據(jù)表明壓氣機(jī)流量明顯增大（可以獲得更好的動(dòng)力性）

根據(jù)上面數(shù)據(jù)對(duì)比，最終選定方案3為最終匹配方案，這種匹配是最有可能達(dá)到匹配目標(biāo)值的。

2.2 渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬計(jì)算

根據(jù)開發(fā)目標(biāo)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特性進(jìn)行預(yù)估模擬計(jì)算[4]，得到發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特性與壓氣機(jī)特性匹配如圖3所示。圖中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特性曲線在增壓器的喘振和阻滯區(qū)中間的位置，即發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生喘振和阻滯現(xiàn)象，方案3確定的渦輪增壓器符合設(shè)計(jì)要求。

為了最大限度地滿足此款發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用技術(shù)要求，最終渦輪增壓器主要參數(shù)設(shè)計(jì)見表3。

表3 渦輪增壓器主要參數(shù)

3 渦輪增壓器安裝位置匹配

渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能（動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性）以及可靠性有直接關(guān)系。由于整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間比較緊湊，還必須保證整車總體布置的技術(shù)要求。在 具體做布置時(shí)，應(yīng)考慮以下3個(gè)方面。1）考慮到增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在整車發(fā)艙內(nèi)的安裝空間。如果空間允許，可將渦輪增壓器布置在排氣管上方或下方，這樣有利于縮短排氣分管長(zhǎng)度。2）考慮到渦輪增壓器進(jìn)氣系統(tǒng)的管路直徑、管路走向、壓力損失、進(jìn)氣溫度均要符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求，要通過(guò)CAE計(jì)算滿足整車的技術(shù)要求，使進(jìn)氣流動(dòng)順暢。3）考慮到渦輪增壓器的緊固和支撐，支撐支架的模態(tài)要滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，防止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)過(guò)大產(chǎn)生共振，影響其可靠性。與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的渦輪增壓器外形圖如圖4所示。

根據(jù)渦輪增壓器主要接口尺寸及配合位置進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)管路設(shè)計(jì)，詳細(xì)管路及相關(guān)零件布置如圖5所示。

4 渦輪增壓器正常運(yùn)行條件設(shè)定

與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的渦輪增壓器的運(yùn)行條件很關(guān)鍵，進(jìn)氣系統(tǒng)的流量、壓氣機(jī)的出口壓力、出口溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度都要考慮好。幾個(gè)參數(shù)的相互匹配結(jié)果直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)工質(zhì)的流量、影響渦輪增壓器的功耗、影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[5]。該機(jī)型渦輪增壓器運(yùn)行主要參數(shù)分為以下3點(diǎn)。

4.1 壓氣機(jī)許可條件

壓氣機(jī)許可條件有3個(gè)。1）壓氣機(jī)的進(jìn)氣溫度最低可達(dá)-30 ℃。2）壓氣機(jī)的進(jìn)氣壓力最低可達(dá)53 mbar。3）壓氣機(jī)的出口溫度最高可達(dá)160 ℃。

4.2 渦輪端許可使用條件

渦輪端許可使用條件有3個(gè)。1）渦輪進(jìn)口端的渦前溫度最高可達(dá)950 ℃。2）渦輪進(jìn)口端的渦前絕對(duì)壓力最高可達(dá)4.0 bar。3）渦輪出口端的渦后絕對(duì)壓力最高可達(dá)1.6 bar。

4.3 熱力環(huán)境要求

熱力環(huán)境要求有4個(gè)。1）渦輪端殼體的最高溫度不能高于950 ℃。2）中間體的最高溫度不能高于300 ℃。3）中間體密封活塞環(huán)最高溫度不能高于360 ℃。4）執(zhí)行器膜片的最高溫度不能高于180℃。

圖1 方案1MAP圖

圖2 方案3MAP圖

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特性與壓氣機(jī)特性匹配圖

5 渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配測(cè)試分析

發(fā)動(dòng)機(jī)與確定的渦輪增壓器匹配完成之后，利用確定的參數(shù)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖6中曲線2所示。然后利用標(biāo)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖6中曲線3所示，由圖6可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果吻合[6]，渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配良好。

圖4 渦輪增壓器外形圖

圖5 渦輪增壓器布置圖

匹配后發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線如圖7、圖8所示，從圖中看出發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩200 Nm/2 000～4 000 rpm；最大功率100 kW/5 500 rpm；比油耗在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)數(shù)值較小，燃油經(jīng)濟(jì)性較好。（圖中：曲線1為發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特性預(yù)估模型曲線；曲線2為發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器匹配后仿真分析曲線；曲線3為實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線）。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線（扭矩-功率）

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗曲線

6 結(jié)論

綜上所述，對(duì)某型汽油機(jī)與渦輪增壓器的匹配主要考慮：渦輪增壓器方案匹配；渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能匹配；渦輪增壓器與整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置位置匹配；渦輪增壓器運(yùn)行環(huán)境匹配4個(gè)方面。并對(duì)于匹配過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)及重要參數(shù)給予確定。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，此款發(fā)動(dòng)機(jī)與最終確定的渦輪增壓器的匹配選型滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)和整車性能有很好的改善和提高。且此項(xiàng)工作對(duì)于后續(xù)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器匹配有一定的指導(dǎo)作用。