某款發動機渦輪增壓器選型與匹配

程勉宏 王文竹 付 強

（沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

渦輪增壓器技術是提高發動機效率、降低燃油消耗、減少廢氣排放的有效手段。增壓發動機在減小排量的情況下通過提升進氣壓力能夠使相同排量的發動機動力性能提升，同時增壓發動機的燃油經濟性與自然吸氣的發動機相比有所提升。根據整車車型動力性、經濟性的目標要求，該文設計開發了節能高效的渦輪增壓發動機。

1 發動機匹配目標的確定

影響增壓發動機性能的設計開發內容包括控制系統的標定、進氣歧管總成及排氣歧管總成的走向、整車進氣系統壓降和排氣系統背壓等，但是渦輪增壓器的匹配是否優良是最為關鍵的[1]。渦輪增壓器的匹配結果直接影響燃油經濟性和發動機的動力性能（功率、扭矩）。增壓器的匹配內容主要包括方案匹配和性能匹配。

1.1 發動機設計目標

1.1.1 發動機設計目標參數確定

根據整車目標的確定，要求發動機有很好的低速扭矩和中速中負荷的燃油經濟性[2]。具體設計開發的技術目標參數見表1。

1.1.2 確定壓縮比

該款發動機為汽油發動機，發動機和渦輪增壓器匹配的關鍵主要避免爆震的產生，所以要控制好發動機排氣溫度、進氣壓力、增壓器轉速范圍。由于增壓后排溫易升高，所以增壓發動機的壓縮比要比自然吸氣發動機的低，保證燃燒穩定性。通過對比研究最后確定為壓縮比為9∶1。

1.1.3 確定中冷技術

由于增加發動機提升了進氣的壓力，導致進氣溫度的升高，為了保證燃燒的穩定性，必須采用冷卻系統將進氣溫度降下來，同時對發動機的動力性、經濟性均有提高，經過研究確定采用空對空中冷器冷卻增壓后的空氣溫度。

1.1.4 確定渦輪機的葉片大小

渦輪機的大小直接影響了整車的使用性能，影響發動機隨油門提升扭矩的 響應速度，由于小渦輪質量輕，低速響應性較好，但這可能要損失高速段的動力性。通過對于匹配目標的研究確定選擇小渦輪增壓器進行匹配。

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款渦輪增壓器進行匹配選擇，并統一進行編號，具體方案見表2。

表2 渦輪增壓器匹配方案

表2中：A代表壓氣機出風口橫截面積；R代表渦輪軸承中心到壓氣機出風口橫截面中心點的距離。對以上3種不同的渦輪增壓器增壓曲線進行分析，根據分析結果對1和3方案進行仿真模擬[3]。方案1MAP圖如圖1所示，圖中的數據顯示壓氣機流量在可接受的范圍內工作。

方案3MAP圖如圖2所示，圖中的數據表明壓氣機流量明顯增大（可以獲得更好的動力性）

根據上面數據對比，最終選定方案3為最終匹配方案，這種匹配是最有可能達到匹配目標值的。

2.2 渦輪增壓器與發動機的模擬計算

根據開發目標對發動機耗氣特性進行預估模擬計算[4]，得到發動機耗氣特性與壓氣機特性匹配如圖3所示。圖中可以看出發動機耗氣特性曲線在增壓器的喘振和阻滯區中間的位置，即發動機運行時不會發生喘振和阻滯現象，方案3確定的渦輪增壓器符合設計要求。

為了最大限度地滿足此款發動機的應用技術要求，最終渦輪增壓器主要參數設計見表3。

表3 渦輪增壓器主要參數

3 渦輪增壓器安裝位置匹配

渦輪增壓器在發動機上的安裝位置對發動機的性能（動力性、經濟性）以及可靠性有直接關系。由于整車發動機艙的空間比較緊湊，還必須保證整車總體布置的技術要求。在 具體做布置時，應考慮以下3個方面。1）考慮到增壓發動機在整車發艙內的安裝空間。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度。2）考慮到渦輪增壓器進氣系統的管路直徑、管路走向、壓力損失、進氣溫度均要符合設計技術要求，要通過CAE計算滿足整車的技術要求，使進氣流動順暢。3）考慮到渦輪增壓器的緊固和支撐，支撐支架的模態要滿足設計技術要求，防止運轉時振動過大產生共振，影響其可靠性。與發動機匹配的渦輪增壓器外形圖如圖4所示。

根據渦輪增壓器主要接口尺寸及配合位置進行發動機相關管路設計，詳細管路及相關零件布置如圖5所示。

4 渦輪增壓器正常運行條件設定

與發動機相匹配的渦輪增壓器的運行條件很關鍵，進氣系統的流量、壓氣機的出口壓力、出口溫度、發動機的進口壓力和進口溫度都要考慮好。幾個參數的相互匹配結果直接影響了發動機氣缸內工質的流量、影響渦輪增壓器的功耗、影響發動機的動力性和經濟性[5]。該機型渦輪增壓器運行主要參數分為以下3點。

4.1 壓氣機許可條件

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

4.2 渦輪端許可使用條件

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

4.3 熱力環境要求

熱力環境要求有4個。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）中間體密封活塞環最高溫度不能高于360 ℃。4）執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 發動機耗氣特性與壓氣機特性匹配圖

5 渦輪增壓器與發動機匹配測試分析

發動機與確定的渦輪增壓器匹配完成之后，利用確定的參數進行仿真分析，分析結果如圖6中曲線2所示。然后利用標定好的數據進行試驗，試驗測試結果如圖6中曲線3所示，由圖6可見實驗結果與模擬仿真結果吻合[6]，渦輪增壓器與發動機匹配良好。

圖4 渦輪增壓器外形圖

圖5 渦輪增壓器布置圖

匹配后發動機外特性曲線如圖7、圖8所示，從圖中看出發動機最大扭矩200 Nm/2 000～4 000 rpm；最大功率100 kW/5 500 rpm；比油耗在較寬轉速范圍內數值較小，燃油經濟性較好。（圖中：曲線1為發動機耗氣特性預估模型曲線；曲線2為發動機與增壓器匹配后仿真分析曲線；曲線3為實驗測試曲線）。

圖7 發動機外特性曲線（扭矩-功率）

圖8 發動機比油耗曲線

6 結論

綜上所述，對某型汽油機與渦輪增壓器的匹配主要考慮：渦輪增壓器方案匹配；渦輪增壓器與發動機的性能匹配；渦輪增壓器與整車發動機艙的布置位置匹配；渦輪增壓器運行環境匹配4個方面。并對于匹配過程中需要注意的事項及重要參數給予確定。通過試驗驗證，此款發動機與最終確定的渦輪增壓器的匹配選型滿足設計目標要求，對于發動機和整車性能有很好的改善和提高。且此項工作對于后續的車用發動機與渦輪增壓器匹配有一定的指導作用。