汽油機渦輪增壓器的特點初談

馬國山，畢金光，王銀鳳，許騏駿，王福生，許成（寧波威孚天力增壓技術有限公司，浙江 寧波 315034）

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汽油機渦輪增壓器的特點初談

馬國山，畢金光，王銀鳳，許騏駿，王福生，許成
（寧波威孚天力增壓技術有限公司，浙江 寧波 315034）

在汽油機渦輪增壓器技術研究的基礎上，在經歷了與汽油機主機廠同步開發(fā)多款汽油機增壓器后，我們對汽油機增壓器的特點有了初步的認識。本文從汽油機渦輪增壓器的性能、可靠性、匹配和制造等方面，并通過與柴油機渦輪增壓器的比較，初步分析和總結了汽油機渦輪增壓器的特點。

汽油機；渦輪增壓器；特點

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.026

CLC NO.: U464.135Document Code: AArticle ID:1671-7988(2016)08-85-03

前言

渦輪增壓可在保證動力性的前提下降低發(fā)動機排量，大幅度提高發(fā)動機的燃油經濟性，減少二氧化碳排放，是發(fā)動機節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略措施和核心關鍵技術之一[1]。

汽油機增壓由于存在著爆燃、排溫高等技術困難，實際應用較柴油機要晚的多[2]。國際上，七十年代末汽油機渦輪增壓得到突破，之后得到了實際應用[3]。八十年代汽油機增壓技術趨于成熟，九十年代以來逐步得到了發(fā)展和普及。近年來，國內民族品牌汽油機廠家也大力開發(fā)增壓型汽油機，許多廠家已完成了1～2款增壓機型的產品開發(fā)，開始批量生產。現階段汽油機新品開發(fā)中，幾乎 100%采用了渦輪增壓技術。

適應市場的需要，近年來，我們開展了有關汽油機渦輪增壓器（以下，簡稱汽油機增壓器）的研究，如汽油機兩閥（回流閥和壓力控制閥）的機理的研究，渦輪葉輪和渦輪箱等耐熱材料的應用研究和汽油機與渦輪增壓器的匹配研究等，為汽油機增壓器的開發(fā)奠定了基礎。在此基礎上，我們與部分發(fā)動機廠家同步開發(fā)渦輪增壓汽油機。先后開發(fā)了1.0升、1.4升、1.5升、2.0升汽油機增壓器。開發(fā)期間在增壓器單體方面進行了性能、噪聲、包容、耐久和部分專項試驗等；在發(fā)動機臺架上隨發(fā)動機進行了性能，200小時啟停，350小時熱沖擊，400小時耐久等試驗，進行了渦輪增壓器振動噪聲、軸心軌跡、回熱和密封性等專項試驗；在整車上隨發(fā)動機進行了三高（高溫、高原和高寒）試驗及整車路試試驗等。期間解決了許多開發(fā)中的問題，如增壓器性能一致性問題，噪聲問題，發(fā)動機低速扭矩衰減問題及渦輪箱變形和開裂等可靠性問題。在研究和開發(fā)過程中，形成了對汽油機增壓器的特點的初步認識。

汽油機增壓器的特點，一般源于汽油機的特點，而汽油機的特點又是與柴油機比較而言的，以下分5個方面，對汽油機的特點，予以敘述：

1、汽油機增壓器的性能特點

1.1汽油機增壓器的流量范圍寬

一般汽油機的轉速范圍在1000r/min～6000r/min之間，而柴油機的工作轉速一般在1000r/min～4000r/min之間。發(fā)動機為活塞往復式結構，空氣流量基本與發(fā)動機轉速成正比，因此，同樣的排量下，發(fā)動機轉速高，則空氣流量越大。渦輪增壓器是葉片機械，與發(fā)動機之間通過氣動聯系，汽油機增壓器壓氣機的流量，應與發(fā)動機的流量相適應。也即汽油機增壓器的壓氣機流量一般較柴油機的寬,見圖3，壓氣機特性曲線比較。

1.2汽油機增壓器壓比不宜太高

汽油機燃料是汽油，活塞壓縮的是油氣混合汽，混合氣靠電火花點燃。柴油機燃料是柴油，壓縮的是空氣，靠噴油時自燃。所以，汽油機存在爆燃問題，為此，壓氣機壓比不宜太高，一般應在2左右，汽油機采用直噴技術下壓比一般也不超過2.5。為了控制壓比，汽油機渦輪增壓器上裝有壓力控制閥，通過ECU控制增壓器渦端放氣閥的開啟大小，來控制增壓壓力達到預定值。因此，汽油機增壓器較柴油機增壓器增加了一個壓力控制閥，參見圖1。

ECU通過占空比控制通向放氣閥執(zhí)行器的壓力（P3)，占空比與控制壓力的規(guī)律見圖4。

1.3汽油機增壓器要適應節(jié)氣門調節(jié)工況

汽油機的過量空氣系數一般為0.85～1.15之間，超出這個范圍，汽油就無法直接點燃。柴油機在過量空氣系數為1.2～2.2之間，范圍比較大。汽油機通過節(jié)氣門調節(jié)量（空氣量或混合汽量）來調節(jié)功率的，而柴油機則通過質（噴油量）來調節(jié)功率的。如以汽油機為動力的汽車在行駛中，需突然減小功率時，即節(jié)氣門突然關小，由于慣性的作用增壓器壓氣機出口的空氣繼續(xù)流出，由于節(jié)氣門已關小，則使壓力突然增高，導致壓氣機喘振。為避免此情況出現，在壓氣機殼出口處增設一個回流閥，將氣體返回到壓氣機進口。即汽油機增壓器較柴油機增壓器增加了一個回流閥，參見圖1。

2、汽油機增壓器的可靠性特點

汽油機壓縮比一般在6～11之間，柴油機壓縮比一般在17～22之間。由于汽油機壓縮比較低，膨脹做功不如柴油機充分，加之燃燒時過量空氣少，單位數量混合氣的發(fā)熱量大等原因，汽油機排溫較高，一般高出柴油機200℃～300℃，最高可達950℃～1050℃，因此，汽油機增壓器的熱負荷較高。為滿足可靠性要求，汽油機增壓器的零部件的材料和設計有如下特點：

1）渦輪葉輪

采用K418B材料，含炭量較K418要低，提高了材料的抗蠕變能力，為滿足1050℃的要求，可采用MAR-246材料。

2）渦輪箱

一般采用含鎳為34%～36%的D5S鑄鐵，為滿足1050℃的要求，可采用1.4848鑄鋼。在渦輪箱的設計中，應借助于CAE工程分析，避免熱應力的不均勻性，減少熱變形或熱裂。

3）軸承體

由于汽油機排溫高，發(fā)動機停機后的回熱往往會導致增壓器密封環(huán)失效，機油結焦等，引起增壓器早期磨損或漏油，為此，汽油機增壓器軸承體均設有水冷腔（見圖5，對比圖6）。這樣，在發(fā)動機突然停機時，通過熱虹吸原理，使冷卻水流動，冷卻軸承體，避免增壓器失效[4]。

4）其它零部件

如，放氣閥門組件、放氣閥門套筒、渦端密封環(huán)和連接軸承體與渦輪箱的卡箍等均應選擇合適汽油機的材料。

3、汽油機增壓器與發(fā)動機的匹配特點

由于汽油機的特殊性，導致在與發(fā)動機的匹配中，表現出如下特點：

1）壓氣機與發(fā)動機的匹配

由于汽油機需求的流量范圍寬，壓比不能太高，因此，發(fā)動機的外特性耗氣線，在壓氣機MAP圖上，表現為壓比低，且流量寬的特點，見圖 7。因此，在壓氣機設計時，不僅要流量寬，還要盡量使其高效率區(qū)落在低壓比部分。

2）渦輪端與發(fā)動機的匹配

由于汽油機排溫高，增壓器可利用能量相對充足，因此，渦輪可選擇偏小的葉輪，輪轂可選較輕的設計方案，以減輕轉子的轉動慣量，有利于改善發(fā)動機的加速性。

3）增壓器的噪聲問題

現階段汽油機一般應用于乘用車，對噪聲問題要求一般要比柴油機苛刻。因此，常規(guī)的在柴油機增壓器出現的同步噪聲、次同步噪聲和葉片通過頻率（BPF）噪聲等問題，在汽油機增壓器的設計和制造上同樣應予以避免，此外，汽油機增壓器還有其特有的噪聲問題，如反映較突出的回流閥噪聲（見圖8），放氣閥門噪聲等，也應在設計中予以關注，并最終通過整車試驗予以確認。

4、汽油機增壓器制造的特點

基于汽油機增壓器的特點，其制造特點如下：

1）壓氣機葉輪一般采用銑削工藝

汽油機增壓器一般應用于乘用車，汽車在市區(qū)內行駛的特點，易導致壓氣機葉輪低周疲勞失效，因此，近年來汽油機增壓器壓氣機葉輪，多采用鍛鋁直紋銑削制造工藝。另外，采用銑削葉輪也有利于增壓器的噪聲控制。

2）增壓器裝配需新增部分線上檢測工序

汽油機增壓器較柴油機增壓器增加了回流閥、軸承體設有水腔等，為確保該部分的可靠性，在裝配線上需增設相應的檢測工序。

3）放氣閥標定準確度要求高

由于汽油機在正常工作中，放氣閥基本為時時調節(jié)，且因汽油機為量調節(jié)，空氣量的調節(jié)將影響燃油的噴射量，進而影響發(fā)動機功率，因此，汽油機對增壓器放氣閥調節(jié)精度比較敏感，所以，汽油機放氣閥執(zhí)行器的標定準確度要求高，通常應采取正向和逆向，且雙點標定法。

5、小結

1）汽油機增壓器與柴油機增壓器比有流量范圍寬，適應溫度高，控制復雜且精度要求高特點，因此，汽油機增壓器的設計、計算和仿真要細，制造精準要高，試驗驗證要足；

2）目前的汽油機增壓器主要應用于乘用車，因此，增壓器的噪聲問題應予以充分的重視。從前期的開發(fā)情況看，回流閥噪聲問題反映較突出，建議一般應外置回流閥；

3）汽油機增壓器國際上有著更多的發(fā)展，如電控執(zhí)行器汽油機增壓器，可變幾何截面汽油機增壓器和多級汽油機增壓系統等，均已成為應用產品。我們需以市場為導向，不斷研究新技術，開發(fā)新產品。

[1]李鐵東.增壓汽油機增壓壓力控制優(yōu)化研究[C].2013年APC聯合學術年會論文集,2013年7月.

[2]王樹青.基于渦輪增壓技術的車用汽油機性能提升及試驗評價[D].湖南大學碩士學位論文,2012年2月.

[3]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].中國兵器工業(yè)第七O研究所,1997年7月.

[4]王本亮.汽油機增壓器軸承體回熱試驗研究[J].車用發(fā)動機，2010年第6期.

A preliminary discussion on the characteristics of turbocharger for gasoline engine

Ma Guoshan,Bi Jinguang,Wang Yinfeng,Xu Qijun,Wang Fusheng,Xu Cheng
(Ningbo weifu tianli turbo technology Co.,LTD.,Zhejiang Ningbo 315034)

In the gasoline engine turbocharger technology research based,experienced with the gasoline engine host plant synchronous development a variety of gasoline engine turbocharger,the characteristics of a gasoline engine turbocharger have preliminary understanding.This paper from the gasoline engine turbocharger performance,reliability,matching and manufacturing,and through comparison with the diesel engine turbocharger,preliminary analysis and summary to the characteristics of gasoline engine turbocharger.

gasoline engine; turbocharger; characteristic

U464.135

A

1671-7988（2016）08-85-03

馬國山（1959-），男，高級工程師就職于寧波威孚天力增壓技術有限公司，曾在中國北方發(fā)動機研究所就職。多年來主要從事渦輪增壓技術研究、開發(fā)等工作，近年來，主要從事汽油機渦輪增壓器的研究、開發(fā)和應用。由作者主持開發(fā)的兩款汽油機渦輪增壓器目前已批量生產。