面向整車加速性能的發動機增壓器選型研究

馬崇銀 石光南

（柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西 柳州 545005）

引言

發動機應用增壓器能夠提高動力性、改善燃油經濟性、降低廢氣排放和實現高原功率補償。改善汽車燃油經濟性的原因是因為在同等最大功率輸出的條件下，通過進氣密度的提高，可減小發動機排量。發動機排量減小，可提高發動機常用工況（中低速、中低轉矩）下的平均有效壓力，從而降低比油耗。同排量增壓發動機的最低比油耗常高于非增壓發動機，但其低比油耗區較廣。增壓技術可以在保證發動機動力輸出的前提下有效地減小發動機的尺寸，為車型的匹配提供更多選擇。所以，越來越多的發動機新項目都是增壓項目[1]。

而對于車型而言，手動擋汽車結構簡單，性能可靠，制造和維護成本低廉，且傳動效率高。另外，由于是純機械控制，換擋反應快，且可以更直接地表現駕駛員的意愿，因此更富駕駛樂趣。相對來說，手動擋車型比自動擋車型更省油。因此，手動擋車型一直有著不可替代的地位。在現代城市交通中，自動擋給駕駛員帶來了方便和省心。生活在快節奏的大城市里，道路復雜、車輛擁擠都困擾著駕駛員。所以，學習簡單、操作方便的自動擋車型更加符合大眾的選擇，已逐步成為駕駛員的新寵。

搭載不同增壓器的發動機匹配不同車型，在整車進行加速過程中，發動機運行的工況不同。手動擋車型更容易運行在低轉速區域，大部分駕駛員習慣在低轉速區換擋，所以低轉速轉矩越大，加速性能越好。自動擋車型在深踩油門時，ECU 和TCU 系統響應用戶踏板期望，轉速很容易飆升，在中高轉速區域運行，如果中高轉速轉矩大，則加速性能會越好。

在進行發動機開發，特別是在增壓器選型階段，如果能夠清楚地知道該發動機項目后續的應用計劃，就可以有針對性地、更合理地選擇增壓器方案，提升整車后續的加速性能。

1 選型研究

1.1 研究目的

增壓發動機因高功率以及低油耗，是近年來發展最迅速、應用最廣泛的發動機類型。手動擋車型和自動擋車型在應用增壓發動機時，在加速過程中，對發動機不同轉速的性能要求有所差別。為此，本文研究面向不同的車型應用時，在發動機研發初期，進行增壓器選型時，應選用不同方案的增壓器。

1.2 增壓器工作參數

本文的研究對象是廢氣渦輪增壓與不同車型的選型研究。廢氣渦輪增壓是車用發動機廣泛采用的增壓方式，增壓器至要由渦輪機和壓氣機構成。

渦輪機為徑流式，主要由進氣渦殼、噴嘴環、工作輪、出氣道組成。渦輪機的主要工作參數有渦輪效率ηT、膨脹比πT、氣體流量qmT和渦輪轉速n 等。渦輪機發出的功率PT的計算公式[2]如下：

式中：HT為1 kg 廢氣所具有的能量，J/kg。

公式（1）中各參數的關系構成了渦輪機的特性曲線，當增壓器在變工況下工作時，隨著膨脹比不斷增加到達某個臨界點時，渦輪機的氣體流量停止上升，這種現象叫阻塞現象。

壓氣機為離心式，主要由壓氣機渦殼、擴壓器、工作輪和進氣道組成。壓氣機的主要工作參數有增壓壓比和壓氣機效率，增壓壓比、壓氣機流量和氣體質量流量之間的關系稱為壓氣機的特性曲線。壓氣機在運行過程中，壓氣機的壓比和效率會隨著氣體流量先增大后減小，當壓氣機氣體流量降低到某個值時，壓氣機內的空氣出現劇烈脈動，同時出現粗暴的喘息聲，這種現象稱之為喘振。把每個轉速下的喘振點擬合成一條曲線，稱之為喘振邊界。在發動機研發初期的增壓器選型時，壓氣機的質量流量特性曲線具有十分重要的指導作用[3]。

1.3 可供選擇的增壓器方案

合適的增壓器方案對增壓發動機至關重要。合適的壓氣機，可以提供燃燒所需的適量空氣，并滿足：

1）在低速、額定轉速和最大轉矩時有不錯的效率；

2）在高海拔時有充足的余量；

3）有合適的喘振邊界。

合適的渦輪機，可以驅動壓氣機，并盡可能降低基礎增壓壓力，減小排氣背壓，有利于提高外特性以及降低油耗。優良的增壓器方案是合適的壓氣機+合適的渦輪機。

1.3.1 方案

本文研究的方案如表1 所示。

表1 方案

方案1 和方案2 采用不同A/R 的渦輪機，相同A/R 的壓氣機。

圖1 為選用的壓氣機質量流量特性曲線。

圖1 壓氣機質量流量特性曲線

由圖1 可知，該壓氣機在低速時有不錯的轉矩，有合適的余量并且運行在喘振邊界之下。

1.3.2 性能對比

選型階段，每個方案的增壓器都需要搭載在發動機上進行性能測試，根據性能表現，來判定方案的優劣。圖2 是2 個方案的增壓器在某1.5TGDI 發動機項目增壓器選型時的外特性。

圖2 中，2 種不同的增壓器在發動機上表現出來的外特性有很大差異。在2 000 r/min 以下的轉速，方案2 的轉矩比方案1 大。方案2 選用較小的渦輪殼，因為喘振風險大，選用較小葉輪的壓氣機；而方案1在2 000～4 500 r/min 區域有更大的轉矩輸出，此方案選用較大的渦輪殼，降低渦輪殼在高速端帶來的排氣阻力，選用葉輪更大的壓氣機，滿足高速時效率更高的要求。

圖2 不同增壓器方案外特性對比

2 車型應用研究

2.1 換擋策略

換擋策略是根據車輛實際運行情況、道路情況和駕駛意圖，按照設定的目標（如經濟性、動力性）最佳的原則，確定當前車輛的最佳擋位，并通過換擋執行機構按照這一擋位進行合理的擋位變換。不同車型具備不同的換擋規律，實際運行過程中，在車輛的加速過程中，發動機轉速會處于不同的區域，運行的工況有很大區別。

2.2 手動擋車型

手動變速器(MT)也稱手動擋，即用手撥動變速桿才能改變變速器內的齒輪嚙合裝置，改變傳動比，從而達到變速的目的。根據駕駛員意圖手動進行換擋，換擋時刻由駕駛員決定，不受油門開度和車速控制。某MT 車型搭載245T 發動機的加速工況圖如圖3 所示。

圖3 某MT 車型+245T 發動機加速工況圖

從圖3 可以看出，加速過程中，有部分時間發動機運行在中低轉速的外特性區域。

2.3 自動擋車型

自動擋車型的換擋策略主要有單參數換擋策略、2 參數換擋策略和3 參數換擋策略。單參數換擋策略將車速作為唯一的控制參數，當車速達到規定值時才進行換擋操作；2 參數換擋策略將車速和油門開度作為控制參數，只有當油門開度和車速達到設定值時才進行換擋操作，否則將保持原擋位不變；3參數換擋策略在2 參數換擋策略的基礎上加入車輛加速度作為控制參數，相對于2 參數換擋策略，更能滿足實際車輛運行的動態變化情況[4]。圖4 和圖5分別是基于2 參數控制策略的某CVT 車型搭載280T 發動機和某DCT 車型搭載320T 發動機的加速工況圖。

圖4 某CVT 車型+280T 發動機加速工況圖

圖5 某DCT 車型+320T 發動機加速工況圖

圖4 中的CVT 加速過程和圖5 中的DCT 加速過程說明，自動擋車型的換擋策略基于駕駛意圖，加速時，自動擋車型通過提供更高的功率來提升加速性，會迅速提升發動機的轉速，過程中的部分時間運行在中高轉速的外特性區域。

3 車型應用與增壓器的匹配

車型應用與增壓器的匹配，應考慮實際運行過程中，不同車型在不同換擋策略下，汽車加速過程的發動機轉速[5]。若該車型在加速過程中發動機轉速處于低轉速范圍，則增壓器必須能夠提供很好的低速外特性，利于加速；若該車型在加速過程中發動機轉速多處于中高轉速范圍，則增壓器必須能夠滿足中高轉速下提供更大的轉矩滿以足車輛的加速需求。

4 結論

1）進行發動機項目開發時，增壓器選型前，需要明確發動機的應用計劃。

2）如果發動機主要應用于手動擋車型，則選擇中低轉速轉矩好的增壓器方案，宜采用較小渦殼的渦輪+較小葉輪的壓氣機；如果發動機主要應用于自動擋車型，則選擇中高轉速轉矩好的增壓器方案，宜采用較大渦殼的渦輪+較大葉輪的壓氣機。