小排量增壓汽油機的設計構想

鐘 成

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

相對于柴油機而言，汽油機在小排量，尤其是微型車發動機領域，有其獨特的應用優勢及地位，通過引入渦輪增壓器，汽車制造商可以提供較小排量的汽油機。與現有的同類產品相比，這種發動機的性能持平或更高，而油耗量較低；加上車輛凈質量的減輕，可減少汽車的碳排放量。根據對歐洲200種汽油車的調查，相同功率的發動機，增壓發動機的排量可以比自然吸氣式的排量減小18%～35%，燃油經濟性可以提高10%左右。

1 汽油機增壓的種類

（1）機械增壓系統。這個裝置安裝在汽油機上并由皮帶與汽油機曲軸相連接，從汽油機輸出軸獲得動力，來驅動增壓器的轉子旋轉。其優點是渦輪轉速和汽油機相同，因此沒有滯后現象，動力輸出非常流暢。但消耗了部分動力，增壓出來的效果并不高。

（2）氣波增壓系統。利用高壓廢氣的脈沖氣波，迫使空氣壓縮。這種系統增壓性能、加速性好，但是整個裝置比較笨重，不太適合安裝在體積較小的微型汽車上。

（3）廢氣渦輪增壓系統。利用汽油機排出的廢氣慣性沖力，來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當汽油機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大，可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量，就可以增加汽油機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發動機功率及扭矩，要增大20%～30%。

2 結構設計

根據項目要求，首先確定汽油機的各項參數，如缸數、缸心距、缸徑、沖程、連桿長度以及運行方式、點火系統、增壓系統等。根據這些要求，進行汽油機零部件的設計工作。

2.1 熱力學計算

首先用GTPOWER軟件，對汽油機進行一維的熱力學計算，構建如圖1的GTPOWER一維模型，在對設計的新汽油機進行熱力學計算時，可先對標竿機（benchmark）測試，獲得如各轉速下的摩擦功、扭矩等參數，并輸入當前設計模型中；再根據目標車型的具體情況與項目要求，修改如進、排氣歧管的大小、長短、缸徑、沖程等新設計汽油機的參數，用GTPOWER對設計目標參數進行預測（如圖2）。

圖1 汽油機GT_Power熱力學計算模型

圖2 性能圖

根據計算結果，對下列參數進行優化：

（1）配氣相位；

（2）進排氣升程曲線；

（3）進排氣系統尺寸（進排氣管和進排氣道直徑、長度、體積）；

（4）渦輪增壓器特性；

（5）氣道流量特性的影響；

（6）進排氣系統的壓力損失。

2.2 功能系統設計

（1）缸體系。考濾到微型車的結構與使用環境，缸體的基本構造，采用長裙型加沖壓油底殼的傳統設計方式。當前很多微型及普及型小型汽油機，都采用此方式，具有相當的可靠性。為了有利于輕量設計和提高與變速箱的結合部剛度，缸體的裙部采用龍門式；增壓汽油機為了抑制活塞溫度的上升過大，必須在缸體上設計機油冷卻噴嘴。

選擇合理的沖程與缸徑比（S/B），有利于提高汽油機的穩定性和可靠性。從純技術角度來看，存在性能、燃燒效率、凈質量等方面都均衡的好，最合適的是S/B≒1.05～1.15；但從同一缸徑的設計合理性和緊湊性的設計方法來看，性能、燃燒效率、凈質量上不一定是最合適的，但是從優先生產合理性角度考慮，將S/B比設定在設計極限范圍S/B≒0.9～1.2的范圍的例子也普遍存在（如圖3）。

圖3 沖程缸徑-缸心距比線圖

關于缸體的缸間壁厚，當缸徑與缸心間確定以后，也就基本確定了（根據如圖4），與當前市場上的機型比較，最后確定缸心距設計合理。

圖4 缸間壁厚圖

為加速暖機，以達到降低尾氣排放和摩擦損失的目的，對于缸體采用淺水套設計；當前淺水套已經成為缸體設計的主流（如圖 5）。

圖5 水套深度分布

高速轉動的渦輪增壓器的軸承，必須高進行強制潤滑，為確保可靠性與油壓的穩定，采用直接從主油道供油的方式。

（2）缸蓋系。缸蓋是汽油機重要的與性能關系密切的部件。氣道的形狀、燃燒室的容積與表面積的大小，對于汽油機的性能和排放有很大的影響。對于燃燒室的設計，在設定的壓縮比情況下，其表面積的大小對汽油機的排放的較大的影響（如圖 6）。

圖6 燃燒室容積

在增壓汽油機工作時，空氣被高比例壓縮后，會產很高的壓縮生成熱量，從而使空氣膨脹，空氣的密度降低，而同時也會使汽油機溫度過高，極易造成汽油機的損壞。為了得到較高的容積效率，在空氣注入汽缸之前，對高溫空氣進行冷卻。這就需要加裝一個中冷器，將高溫高壓空氣分散到中冷器眾多細小的管道里，而管道外有常溫空氣高速流過，從而達到降溫目的（可以將氣體溫度從150℃降到50℃左右）。中冷器位于汽油機和渦輪增壓器之間。

3 增壓汽油機帶來技術的問題

渦輪增壓技術能使在同等功率、扭矩下，減小發動機的工作容積，同時也為汽油機帶來了工作壓力大、溫度高、強度相對降低等問題。

3.1 缸蓋系的可靠性

（1）缸蓋本體的耐熱性。與自然吸氣機型相比，增壓機型的熱負荷增大，作為對應熱偏差和燃燒室內壁龜裂的對策，有必要提高熱強度；

（2）排氣門和氣門座圈的耐熱性。此處最易產生致命問題，所以要在提高氣門座圈材料等級的同時，優化燃燒室與排氣道路附近的冷卻水道路，強化水套的冷卻性。

（3）活塞漏氣系的可靠性（機油攜帶量）。燃燒壓力和漏氣量成正比，在設計缸蓋罩的油氣分離裝置必須采用加強措施，如有必要，這應采取控制機油攜帶量的措施。

3.2 氣缸墊密封的可靠性

可靠的缸墊密封性能，可保證發動機在高的燃燒壓力下，正常穩定的工作。其中兩缸之間的密封，是較薄弱的地方，必須保證其密封的可靠性，否則很容易使發動機損壞。

圖7 氣缸墊有效密封寬度

3.3 曲軸系的可靠性

（1）曲軸及連桿的可靠性。相同排量的增壓汽油機，與自然吸氣發動機相比，其爆發壓力、扭矩都要大很多，因此必須加強曲軸的力學性能；要分析曲軸的機械強度、剛度及軸承材料的可靠性；需確認連桿屈服強度。

（2）軸瓦可靠性。由于增壓汽油機的爆發壓力增大，連桿瓦的面壓是最易出問題的，所以確認曲柄銷徑的合理性和耐燒結可靠性極為重要。

3.4 活塞和活塞環的耐高溫性

（1）必須強化活塞的耐熱性；

（2）必須制定減少活塞環漏氣量的對策。

3.5 發動機功率輸出傳遞系的可靠性

由開增壓汽油機的扭矩及功率，與自然吸氣機型相比要大許多，如果用相同排量汽油機的離合器，磨擦片有打滑的風險；如果空間允許，可加大飛輪的直徑，加大摩擦片的面積；如空間不允許，則只能增大離合器的壓緊力，強化飛輪的防滑安全性，增大離合器扭矩的傳遞容量。

4 結束語

市場需要低CO2排放的汽油機。達到低CO2的好方法，是通過提高汽油發動機的比扭矩水平，這可使工作容積較小發動機，替代較大工作容積的汽油機，實現小排量化；采用汽油機小排量化方法，不僅可以減少泵氣損失和機械磨擦損失，而且還可獲得改善指示效率方面的收益。

本文以增壓技術來獲得汽油機高的比扭矩水平，與自燃吸氣機型相比，可獲得明顯的燃油經濟性。

[1]朱仙鼎.中國內燃機工程師手冊[M].北京：科學技術出版社，2000.

[2]Lake T，Stokes J，Murphy R.小排量化直噴式汽油機渦輪增壓概念[J].國外內燃機，2006，(2)：47-54.