輕便軸承對增壓器機械效率及發動機加速性能的影響

李偉，李國祥，白書戰，桑梧海，孫金輝，劉瑩，張曉林,3，韓霏,3

1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.康躍科技股份有限公司，山東 壽光 262718；3.機械工業內燃機增壓系統重點實驗室，山東 壽光 262718

0 引言

近年來，隨著對發動機低速扭矩特性要求的不斷提高，改善機械效率及加速性能成為增壓器的研究重點。周光猛等[1]研究發現輔助增壓、輕便渦輪技術、新的潤滑方式和軸承技術是改善渦輪增壓發動機低速扭矩特性及加速性能的有效措施。江光訊等[2]認為廢氣旁通型渦輪增壓器和可變截面渦輪增壓器是改善發動機低速扭矩特性及加速性能的實用措施。王銀鳳等[3-4]對增壓器軸承系統機械效率測試研究發現：隨著增壓器轉速上升，軸承系統摩擦耗功逐漸增大；采用全輪盤渦輪可以減小轉子軸向力，獲得更高的機械效率；通過軸承系統結構優化設計，可以降低機械摩擦損失，提高機械效率。周成堯等[5]研究發現，增壓器采用輕便軸承系統，可以減少摩擦耗功，有利于提升發動機低速扭矩。和法貴等[6]研究發現，通過止推軸承優化設計，可以減少摩擦耗功、提升機械效率。劉大誠等[7]研發發現，采用球軸承技術，可以改善增壓器瞬態加速性能。夏英子等[8]研究發現，減小壓氣機葉輪直徑可以提升發動機低速扭矩及加速性能。李慶斌等[9]研究發現，在壓氣機殼和渦輪殼表面制備涂層，能夠提升壓氣機和渦輪機效率，從而改善發動機低速扭矩和經濟性。韓冀寧等[10]研究發現，電動復合增壓系統(electric compound supercharging system,ETC)可以提升發動機低速時的增壓壓力，低速時油耗能夠降低3 g/(kW·h)，有利于提升加速性能。王琦瑋等[11]研究發現，適當增加增壓器彈簧剛度可以縮短發動機響應時間并增大扭矩，增大彈簧預緊力能夠延長發動機的響應時間,但提高了發動機扭矩，合理的系統阻尼有利于發動機在瞬態過程中的快速穩定。姚春德[12-13]、張釗[14]等研究發現，電動增壓器是改善發動機低速扭矩及加速性能的可行方案。楊建軍等[15]研究發現，電動增壓器可以改善公交車用柴油機低速煙度及低速扭矩。羅程[16]等在某重卡用發動機上試驗研究發現，增壓器使用輕便軸承系統后，發動機最低油耗轉速由1300 r/min降低到1100 r/min，而且油耗降低了3 g/(kW·h)。Katrasnik等[17]研究發現，電輔助增壓器能夠明顯改善增壓器的動態響應特性。Deligant等[18]設計了一種測量渦輪增壓器機械效率的試驗方法，采用軸向磁力裝置，改變推力軸承載荷，分析其對摩擦損失的影響；研究發現推力軸承對整體摩擦損失貢獻大，并且摩擦損失貢獻隨增壓器轉速增加而增大。Lee等[19]研究發現，渦輪轉子是機械損失的主要因素，嚴重影響增壓器的效率和性能；摩擦損失主要是由浮動軸承造成，摩擦損失與增壓器轉速呈拋物線函數關系。坂上[20]針對浮動軸承和推力軸承的摩擦損失分別建立數學模型，仿真計算顯示浮動軸承的摩擦功大于推力軸承。Perge等[21]認為軸承摩擦損失主要影響增壓器的低速性能，研究了推力軸承的特性及其對總摩擦損失的貢獻。Jin等[22]設計了一款測量裝置測試乘用車用渦輪增壓器低速時的機械效率，研究發現當增壓器轉速增加時，摩擦功率損失呈指數增加。陸剛[23]研究發現，陶瓷材料和纖維強化樹脂能代替耐熱合金和鋁合金,可達到輕便軸承系統的目的；陶瓷材料質量輕、耐熱性好、密度小,使用陶瓷材料制造的渦輪能耐高溫、轉動慣量小、易于加速,可以提高發動機的加速性能。趙俊生等[24]通過降低渦輪質量設計實現輕便軸承系統，渦輪質量減少6.9%，不僅節省了材料,同時增壓器轉子質量分配進一步趨于合理,有助于提高增壓器軸承系統的機械效率和可靠性。軸承系統旋轉部件質量及轉動慣量是影響機械效率的關鍵因素，本文中研究輕便軸承系統對機械效率及發動機加速性能的影響。

1 軸承系統對比分析

以某四缸柴油發動機用增壓器為研究對象，該款增壓器葉輪出口直徑為56.5 mm，渦輪進口直徑為52.7 mm。軸承系統旋轉部件包含渦輪轉子、止推套、軸封、葉輪和鎖緊螺母，通過鎖緊螺母施加合適力矩緊固旋轉部件。原軸承系統(以下簡稱原軸系)及輕便軸承系統(以下簡稱輕便軸系)的葉輪和渦輪毛坯相同，通過減小轉子軸徑等輕量化設計方法降低其質量及轉動慣量。原軸系及輕便軸系主要參數對比如表1所示。由表1可知，與原軸系相比，輕便軸系旋轉部件質量降低9%、轉動慣量降低14.5%。

表1 原軸系及輕便軸系主要參數對比

2 測試方法

2.1 機械效率

增壓器渦輪功一部分用于驅動壓氣機做功，另一部分用于克服軸承系統摩擦損失。軸承系統摩擦損失可用潤滑油帶走的熱量來計算。

軸承摩擦損失功率

Pmech=Cp,oilqmoil(Toil,out-Toil,in)，

式中：Cp,oil為潤滑油定壓比熱容，J/(kg·K)；qmoil為潤滑油質量流量，kg/s；Toil,out為潤滑油回油溫度，K；Toil,in為潤滑油進油溫度，K。

壓氣機功率

Pc=Cp,cmc(T2-T1)，

式中：Cp,c為壓氣機定壓比熱容，J/(kg·K)；mc為壓氣機質量流量，kg/s；T2為壓氣機出口溫度，K；T1為壓氣機進口溫度，K。

軸承系統機械效率

式中：Pt為渦輪功率，W。

機械效率測試在機械工業內燃機增壓系統重點實驗室進行。原軸系及輕便軸系采用相同壓氣機殼和渦輪殼，葉輪及渦輪采用同一批次毛坯加工，減少鑄造及加工偏差；測試在同一天完成，減少環境影響；測試工程師為同一人，減少過程操作影響；采用同一套傳感器，傳感器的位置保持不變。潤滑油進油及回油溫度測量位置分別在增壓器中間殼進油口以下5 mm及距離中間殼回油口50 mm處，潤滑油進油及回油溫度測量位置如圖1所示。利用燃燒室排出的廢氣驅動渦輪旋轉，從而帶動同軸的壓氣機旋轉，試驗過程通過燃燒室系統控制廢氣溫度為(600±10)℃，保持測試邊界一致性。潤滑油溫度、壓力控制及測量的準確程度直接關系到機械效率的準確性，采用相同的潤滑油溫度及壓力控制系統，控制潤滑油進油溫度為(70±2)℃，潤滑油壓力為(350±5)kPa。為驗證軸系調整對不同增壓器轉速的影響，選擇轉速分別為60 000、80 000、100 000、140 000 r/min進行測試,60 000 r/min和80 000 r/min對應增壓器低轉速，100 000 r/min對應中轉速，140 000 r/min對應高轉速，增壓器主要參數、測量設備精度如表2所示。

a)進油溫度測量位置 b)回油溫度測量位置圖1 潤滑油進油及回油溫度測量位置

表2 增壓器主要參數、測量設備及測量精度

2.2 發動機加速性能

在某四缸電控共軌柴油發動機上進行加速性能試驗，發動機主要技術參數見表3。

表3 發動機主要技術參數

試驗在250 kW電力測功機發動機臺架上進行，發動機主要性能參數及試驗用主要儀表精度見表4。

表4 發動機主要性能參數及測量設備和精度

為保證試驗的可對比性，在同一天由同一測試工程師進行試驗，減少環境及操作誤差。加速性能試驗開始前，發動機首先在450 N·m、1500 r/min工況運行1 h進行熱車。

2.2.1 發動機帶載加速試驗

熱車結束后，將扭矩降低到50 N·m、轉速調整為700 r/min工況，穩定運轉15 min，控制發動機進水溫度為(45±3)℃，潤滑油進油溫度為(80±3)℃，潤滑油壓力為(260±6)kPa，發動機各指標符合要求后，采用程控轉速/油門模式，油門直接到100%，扭矩穩定1 min，連續測量3次。系統每20 ms自動采集一次數據，記錄到達額定工況的時間。

2.2.2 發動機自由加速試驗

發動機熱車結束后，降低到怠速工況，穩定運轉15 min，控制發動機進水溫度為(40±3)℃，潤滑油進油溫度為(75±3)℃，潤滑油壓力為(200±6)kPa，發動機各指標符合要求后，采用程控轉速/油門模式，油門直接到100%，扭矩穩定1 min，連續測量3次。系統每20 ms自動采集一次數據，記錄到達額定工況的時間。

3 試驗結果及分析

3.1 機械效率

渦輪增壓器不同轉速下原軸系和輕便軸系機械效率對比如圖2所示。

圖2 渦輪增壓器不同轉速下原軸系和輕便軸系機械效率對比

由圖2可知：轉速為60 000 r/min時，輕便軸系的增壓器的機械效率比原軸系高6.29%～8.08%，80 000 r/min時高2.73%～3.63%，100 000 r/min時高0.28%～1.91%，140 000 r/min時基本持平。60 000 r/min和80 000 r/min是輕便軸系機械效率改善最明顯的轉速。

渦輪增壓器不同轉速下原軸系和輕便軸系摩擦功占比(摩擦功/渦輪功)分析如圖3所示。

圖3 渦輪增壓器不同轉速下原軸系和輕便軸系摩擦功占比分析

由圖3可知：輕便軸系在增壓器轉速為60 000 r/min和80 000 r/min時，摩擦功占比為11%～35%，摩擦功占比較大，可見輕便軸系機械效率改善明顯；140 000 r/min時摩擦功占比為6%～11%，摩擦功占比較小，輕便軸系與原軸系機械效率基本持平，不再有優勢。這是由于渦輪功相同時，輕便軸系摩擦功較小，可以輸出更多的壓氣機功，機械效率高。

渦輪增壓器不同轉速下原軸系和輕便軸系潤滑油質量流量對比如圖4所示。

圖4 渦輪增壓器不同轉速下原軸系和輕便軸系潤滑油質量流量對比

由圖4可知，潤滑油質量流量隨增壓器轉速增加而增大，轉速、潤滑油壓力及溫度相同時，潤滑油質量流量基本不變；原軸系140 000 r/min時潤滑油最大質量流量為16.4 g/s，輕便軸系為10.5 g/s；與原軸系相比，輕便軸系在增壓器轉速為60 000～140 000 r/min時潤滑油質量流量減少37.44%～46.75%。

3.2 發動機加速性能

3.2.1 發動機帶載加速試驗

原軸系和輕便軸系發動機帶載加速試驗對比如表5所示。由表5可知，原軸系3次帶載自由加速試驗平均時間為4.53 s,輕便軸系為4.18 s,輕便軸系加速時間減少7.7%。

表5 原軸系和輕便軸系發動機帶載加速試驗 s

3.2.2 發動機自由加速試驗

原軸系和輕便軸系發動機帶載自由加速試驗對比如表6所示。由表6可知，原軸系3次自由加速試驗平均時間為5.05 s,輕便軸系為4.46 s,輕便軸系加速時間減少11.7%。

表6 原軸系和輕便軸系發動機自由加速試驗 s

4 結論

1)增壓器轉速為60 000～80 000 r/min時，輕便軸系機械效率提高了2.73%～8.08%，有利于提升發動機低速扭矩。

2)增壓器轉速為60 000～140 000 r/min時，輕便軸系潤滑油質量流量減少37.44%～46.75%，提升了增壓器密封性能。

3)由扭矩為50 N·m、轉速為700 r/min工況到額定工況的發動機帶載加速試驗，輕便軸系加速時間減少7.7%；由怠速到額定工況的發動機自由加速試驗，輕便軸系加速時間減少11.7%；有利于改善發動機的瞬態排放。

輕便軸承系統可有效改善渦輪增壓器低轉速機械效率、發動機低速扭矩及加速性能，是渦輪增壓器的發展方向。