趙明祥 單文強

摘要：增壓器響應(yīng)性影響到發(fā)動機和整車性能，是增壓器設(shè)計選型的關(guān)鍵，通過增壓器結(jié)構(gòu)和整車實際使用條件分析和計算，并實際計算和測試兩款相似性較高的典型動力在整車上的動力表現(xiàn)，展示了增壓器響應(yīng)性的選擇方法，以期給增壓發(fā)動機開發(fā)選型提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：汽油發(fā)動機，增壓器，響應(yīng)性

Abstract：Response ability is the most important part for turbocharge design decision， because it will affect the Engine performance and Vehicle performance. Analysis the turbocharge structure and vehicle running map， According to compare between two similar Engine in simulated analysis and vehicle running dynamic performance test， except it can helpful for turbocharge charge selection in Engine development.

Key words： Gasoline Engine ， Turbocharger ， Response ability

前言

隨著人們對汽車動力性，經(jīng)濟性和排放等要求的不斷提高，加上日趨嚴苛的排放、油耗法規(guī)要求，提高發(fā)動機熱效率，提升發(fā)動機整體性能，提升整車動力的需求已顯得尤為突出。

增壓技術(shù)的應(yīng)用，有效地提高了發(fā)動機的平均有效進氣壓力，可以大幅度提高整車的比功率和燃油經(jīng)濟性。發(fā)動機采用排氣渦輪增壓后，不僅能夠提高充氣密度，增加功率，同時還能改善燃燒，提高經(jīng)濟性，減少廢氣中的HC、CO及顆粒物的排放，降低噪聲。隨著節(jié)能問題和排放法規(guī)的日益嚴格，發(fā)動機增壓愈來愈成為其發(fā)展的重要方向，增壓機已成為發(fā)動機的基本型。

近年國內(nèi)增壓機型逐步普及，并從單純的追求動力最大扭矩向科學實用化的低速響應(yīng)的追求呼聲愈發(fā)明朗，本文以結(jié)構(gòu)原理對比分析為基礎(chǔ)，考慮實際整車運用需求，通過計算分析和以實際對比測試，展示渦輪響應(yīng)在發(fā)動機開發(fā)、整車運用上的選型方法，更全面考慮實際消費者的需求，使整車動力有效性保障。

1.增壓器機理及結(jié)構(gòu)

增壓技術(shù)通過提高發(fā)動機的進氣壓力， 從而提高氣缸中空氣的密度、 增加進氣量， 可相應(yīng)地增加循環(huán)供油量， 以大幅度提高發(fā)動機的動力性。相同功率的增壓發(fā)動機的排量可以比自然吸氣發(fā)動機減少18 % ～ 35 % ， 燃油經(jīng)濟性可提高 10 % 左右。

如圖1增壓器工作原理圖，機械增壓器是利用發(fā)動機本身運轉(zhuǎn)排出的廢氣，推動渦端的渦輪高速旋轉(zhuǎn)，渦輪則通過中間體轉(zhuǎn)軸與壓輪固定相連，高速旋轉(zhuǎn)的渦輪就帶動壓輪同步高速旋轉(zhuǎn);高速旋轉(zhuǎn)的壓輪通過壓輪與壓殼間的間隙腔體將新鮮空氣壓縮后送入進氣歧管，進入燃燒室燃燒做功。

增壓器結(jié)構(gòu)可分為：殼體、輪軸、電控三個大部分，而其中輪軸是推動做功的關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖2。

2.增壓器響應(yīng)性

增壓器輪軸系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)件，在同一發(fā)動機上，因推動其旋轉(zhuǎn)的排氣量相同，所以轉(zhuǎn)子的慣量越小，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速增長越快，增壓器加速度越大，越能更快建立良好壓力輸入進氣，提升發(fā)動機動力。因此選擇小慣量的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是提升動力響應(yīng)性的關(guān)鍵方法。

但慣量和性能并不是簡單的線性關(guān)系：轉(zhuǎn)子的慣量越小，意味著壓輪、渦輪、中間軸的尺寸也需要更小，較小的尺寸則對應(yīng)于最高轉(zhuǎn)速低，后續(xù)加速性能弱，同步的也就降低了發(fā)動機的動力性，動力性的減弱將導(dǎo)致排氣減少，排氣減少又回饋到推動渦輪的輸入力減少，因此形成閉環(huán)影響之后的動力表現(xiàn)。

如表一 所示，為四款典型的TGDI發(fā)動機增壓器的選型，轉(zhuǎn)動慣量小的轉(zhuǎn)子，對應(yīng)發(fā)動機的性能較低（A/B為同一時期和相似平臺;C/D為同一時期相同平臺）

轉(zhuǎn)子慣量越小，初始加速度越大，壓力建立快，其增壓器效率也越高，但隨著時間增長，其加速度將遇到瓶頸而降低，壓力的建立和增壓器效率將受到挑戰(zhàn)。

我們對最新款的A機型和B機型進行實例對比分析：整車的啟動性是其動力性的關(guān)鍵體現(xiàn)，1500轉(zhuǎn)為整車實際使用啟動的典型關(guān)鍵轉(zhuǎn)速，如圖三為兩款機型在1500這個關(guān)鍵特征轉(zhuǎn)速下的動力性對比。（經(jīng)實測，其他轉(zhuǎn)速下的動力性能數(shù)據(jù)趨勢基本一致）

對其動力性分析細節(jié)分析可見：

1）在0～0.4秒，小慣量的B機型較大慣量的A機型，其扭矩上升速度快：對應(yīng)了小慣量的渦輪，將能很快提高旋轉(zhuǎn)速度，壓入更多新鮮空氣，建立更高的進氣壓力，因此發(fā)動機扭矩提升速度較快

2）在0.4秒之后，小慣量的B機型較大慣量的A機型，其扭矩上升的曲線傾斜度就小了：對應(yīng)了小慣量的渦輪在迅速建立一定的轉(zhuǎn)速后，將會有一個瓶頸：壓入更多的新鮮空氣較為勉強，因此其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提升速度降低，壓入新鮮空氣的增速不及大慣量的增壓器，反應(yīng)到發(fā)動機的扭矩增長速度上就是大慣量的A機型反而開始占據(jù)優(yōu)勢地位

3）到了3秒之后，大慣量的A機型，不僅在扭矩提升速度上超越小慣量的B機型，同時在扭矩的絕對值上也同樣超越了B機型

4）在6秒之后，B機型采用的小慣量渦輪基本已經(jīng)達到其能力上線，因此扭矩無法再進一步提升;A機型采用了更大慣量的渦輪，因此其空氣壓縮能力較B機型更強，因此扭矩持續(xù)提升，最終扭矩較B機型大了約15%

對扭矩建立：小慣量的B機型更具有起手優(yōu)勢，但僅0.4秒的優(yōu)勢時間，對于百米加速一般約10秒左右而言，時間占比極小，其實際的加速優(yōu)勢保持困難，且犧牲了高轉(zhuǎn)速的大扭矩輸出。會被小慣量的A機型快速超越。對整車動力性：B機型具有更寬的動力區(qū)間，動力輸出更加從容和平穩(wěn)。對經(jīng)濟性和環(huán)保性：B機型因動力區(qū)間寬，同等動力輸出需求下，其耗油和排放壓力也更低。因此對整車開發(fā)，選型應(yīng)偏向用慣量偏大的B機型。

3.整車的實際運行需求

隨著我國汽車消費者的理性化及意識提升，廣大消費者也意識到我們需要的動力，更應(yīng)該著眼于低速扭矩，尤其增壓發(fā)動機更快的低速扭矩建立，才能使得我們在整車實際工況下，發(fā)動機有更多的使用到大扭矩、高效率區(qū)間，使得使用者受益。

如圖四，綠色區(qū)域為典型汽油發(fā)動機的整車在NEDC循環(huán)（評判實車動力性和經(jīng)濟性的標準循環(huán)）中實際運行區(qū)間圖，實際運行中：

1）動力并不會使用到外特性的極限扭矩/功率，因此單一的用外特性極限扭矩輸出來進行選型可體現(xiàn)動力性，但經(jīng)濟性和環(huán)保性不適宜;

2）常用工況更多在中轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速，因此動力性的選擇應(yīng)更偏向中低負荷和中低工況，以能給實際消費者帶來實效;

因此增壓器響應(yīng)性的選擇，還要同時考慮整車的實際使用工況，才能做到實效最優(yōu)。

如表二 將A發(fā)動機和B發(fā)動機搭載同一款1.6噸的某典型SUV車型，輸入相同的實測邊界條件，用CRUISE進行計算對比分析：

由此可見計算分析上：高慣量的A發(fā)動機在整車上較低慣量的B發(fā)動機在整車上的動力性和經(jīng)濟性方面都略有優(yōu)勢。

如表三為該兩款發(fā)動機搭載該同一款整車的實測動力性和經(jīng)濟性結(jié)果：

實測結(jié)果與計算結(jié)果接近，兩款發(fā)動機匹配整車在動力性和油耗上相當，大慣量的A機型具有一定優(yōu)勢。該最終結(jié)果不僅說明選型之初不能簡單的以“小慣量”來衡量，也說明了即使有動力性能對比數(shù)據(jù)上的明顯優(yōu)勢，大慣量渦輪也不能在性能上對小慣量有極其明顯的超越。

結(jié)論：

1.低慣量的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能提高渦輪響應(yīng)性，更快的建立轉(zhuǎn)速壓力以提升發(fā)動機動力輸出，同等條件下，應(yīng)選擇小慣量的渦輪;可參考1.5TD發(fā)動機典型機型的6～9 e-6kg*m;

2.低慣量轉(zhuǎn)子渦輪受限于自身慣量低、壓輪/渦輪工作面積小、最大性能不高的影響，中后期對動力提升的速度下降更明顯;因此低慣量轉(zhuǎn)子前期建立的動力輸出優(yōu)勢可能會在中后期被超越，0.5秒以內(nèi)的前期加速優(yōu)勢不易形成最終動力響應(yīng)性的優(yōu)勢;

3.整車實際性能并非以最高動力（扭矩/轉(zhuǎn)速）或低慣量渦輪帶來的前期扭矩快速響應(yīng)而直接線性作用，需要以NEDC等實際循環(huán)仿真分析和實測來作為最終效果的確認。

參考文獻

[1] 田永祥. 渦輪增壓器噴嘴葉片低流損翼形型線設(shè)計計算方法研究 [ D ] . 濟南： 山東大學， 2004 .

[2] 陸家祥. 車用內(nèi)燃機增壓 [ M ]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 1999 .

[3] 孔瓏. 工 程 流體 力 學 [ M ] . 北京： 中國電力出版社 （ 2 版 ），19 98 .

[4] 劉云崗， 陸家祥， 黃宜 諒. 變幾何增壓器與柴油機的匹配特性[ J] .內(nèi)燃機工程， 1989（ 2 ）： 27- 3 2 .

[5] 王仁人， 萬金領(lǐng)， 張錫朝， 等. V GT 蝸殼流道截面上速度分布的試驗研究 [ J] . 內(nèi)燃機學報， 200 1 （ 1） ： 88- 91

[6] 靳素華， 李自強， 馮仰利， 管 浩.可變噴嘴渦輪增壓技術(shù)開發(fā)應(yīng)用. [ J]汽車工程，2009

[7 ] 田永祥，劉云崗，王志明，陳禮璠. 噴嘴葉片形狀的改善對渦輪增壓器效率的影響. [ J]汽車工程，2007

作者簡介：

趙明祥（1983～），男，工程師，工學學士，汽油發(fā)動機動力開發(fā)設(shè)計，zmx_abel@163.com

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