汽油機(jī)渦輪增壓器的特點(diǎn)初談

馬國(guó)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(shù)有限公司，浙江 寧波 315034）

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汽油機(jī)渦輪增壓器的特點(diǎn)初談

馬國(guó)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(shù)有限公司，浙江 寧波 315034）

在汽油機(jī)渦輪增壓器技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，在經(jīng)歷了與汽油機(jī)主機(jī)廠同步開發(fā)多款汽油機(jī)增壓器后，我們對(duì)汽油機(jī)增壓器的特點(diǎn)有了初步的認(rèn)識(shí)。本文從汽油機(jī)渦輪增壓器的性能、可靠性、匹配和制造等方面，并通過(guò)與柴油機(jī)渦輪增壓器的比較，初步分析和總結(jié)了汽油機(jī)渦輪增壓器的特點(diǎn)。

汽油機(jī)；渦輪增壓器；特點(diǎn)

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(dòng)力性的前提下降低發(fā)動(dòng)機(jī)排量，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少二氧化碳排放，是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略措施和核心關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

汽油機(jī)增壓由于存在著爆燃、排溫高等技術(shù)困難，實(shí)際應(yīng)用較柴油機(jī)要晚的多[2]。國(guó)際上，七十年代末汽油機(jī)渦輪增壓得到突破，之后得到了實(shí)際應(yīng)用[3]。八十年代汽油機(jī)增壓技術(shù)趨于成熟，九十年代以來(lái)逐步得到了發(fā)展和普及。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)民族品牌汽油機(jī)廠家也大力開發(fā)增壓型汽油機(jī)，許多廠家已完成了1～2款增壓機(jī)型的產(chǎn)品開發(fā)，開始批量生產(chǎn)?，F(xiàn)階段汽油機(jī)新品開發(fā)中，幾乎 100%采用了渦輪增壓技術(shù)。

適應(yīng)市場(chǎng)的需要，近年來(lái)，我們開展了有關(guān)汽油機(jī)渦輪增壓器（以下，簡(jiǎn)稱汽油機(jī)增壓器）的研究，如汽油機(jī)兩閥（回流閥和壓力控制閥）的機(jī)理的研究，渦輪葉輪和渦輪箱等耐熱材料的應(yīng)用研究和汽油機(jī)與渦輪增壓器的匹配研究等，為汽油機(jī)增壓器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，我們與部分發(fā)動(dòng)機(jī)廠家同步開發(fā)渦輪增壓汽油機(jī)。先后開發(fā)了1.0升、1.4升、1.5升、2.0升汽油機(jī)增壓器。開發(fā)期間在增壓器單體方面進(jìn)行了性能、噪聲、包容、耐久和部分專項(xiàng)試驗(yàn)等；在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了性能，200小時(shí)啟停，350小時(shí)熱沖擊，400小時(shí)耐久等試驗(yàn)，進(jìn)行了渦輪增壓器振動(dòng)噪聲、軸心軌跡、回?zé)岷兔芊庑缘葘ｍ?xiàng)試驗(yàn)；在整車上隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三高（高溫、高原和高寒）試驗(yàn)及整車路試試驗(yàn)等。期間解決了許多開發(fā)中的問(wèn)題，如增壓器性能一致性問(wèn)題，噪聲問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩衰減問(wèn)題及渦輪箱變形和開裂等可靠性問(wèn)題。在研究和開發(fā)過(guò)程中，形成了對(duì)汽油機(jī)增壓器的特點(diǎn)的初步認(rèn)識(shí)。

汽油機(jī)增壓器的特點(diǎn)，一般源于汽油機(jī)的特點(diǎn)，而汽油機(jī)的特點(diǎn)又是與柴油機(jī)比較而言的，以下分5個(gè)方面，對(duì)汽油機(jī)的特點(diǎn)，予以敘述：

1、汽油機(jī)增壓器的性能特點(diǎn)

1.1汽油機(jī)增壓器的流量范圍寬

一般汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍在1000r/min～6000r/min之間，而柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般在1000r/min～4000r/min之間。發(fā)動(dòng)機(jī)為活塞往復(fù)式結(jié)構(gòu)，空氣流量基本與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因此，同樣的排量下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，則空氣流量越大。渦輪增壓器是葉片機(jī)械，與發(fā)動(dòng)機(jī)之間通過(guò)氣動(dòng)聯(lián)系，汽油機(jī)增壓器壓氣機(jī)的流量，應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的流量相適應(yīng)。也即汽油機(jī)增壓器的壓氣機(jī)流量一般較柴油機(jī)的寬,見(jiàn)圖3，壓氣機(jī)特性曲線比較。

1.2汽油機(jī)增壓器壓比不宜太高

汽油機(jī)燃料是汽油，活塞壓縮的是油氣混合汽，混合氣靠電火花點(diǎn)燃。柴油機(jī)燃料是柴油，壓縮的是空氣，靠噴油時(shí)自燃。所以，汽油機(jī)存在爆燃問(wèn)題，為此，壓氣機(jī)壓比不宜太高，一般應(yīng)在2左右，汽油機(jī)采用直噴技術(shù)下壓比一般也不超過(guò)2.5。為了控制壓比，汽油機(jī)渦輪增壓器上裝有壓力控制閥，通過(guò)ECU控制增壓器渦端放氣閥的開啟大小，來(lái)控制增壓壓力達(dá)到預(yù)定值。因此，汽油機(jī)增壓器較柴油機(jī)增壓器增加了一個(gè)壓力控制閥，參見(jiàn)圖1。

ECU通過(guò)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(jiàn)圖4。

1.3汽油機(jī)增壓器要適應(yīng)節(jié)氣門調(diào)節(jié)工況

汽油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)一般為0.85～1.15之間，超出這個(gè)范圍，汽油就無(wú)法直接點(diǎn)燃。柴油機(jī)在過(guò)量空氣系數(shù)為1.2～2.2之間，范圍比較大。汽油機(jī)通過(guò)節(jié)氣門調(diào)節(jié)量（空氣量或混合汽量）來(lái)調(diào)節(jié)功率的，而柴油機(jī)則通過(guò)質(zhì)（噴油量）來(lái)調(diào)節(jié)功率的。如以汽油機(jī)為動(dòng)力的汽車在行駛中，需突然減小功率時(shí)，即節(jié)氣門突然關(guān)小，由于慣性的作用增壓器壓氣機(jī)出口的空氣繼續(xù)流出，由于節(jié)氣門已關(guān)小，則使壓力突然增高，導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。為避免此情況出現(xiàn)，在壓氣機(jī)殼出口處增設(shè)一個(gè)回流閥，將氣體返回到壓氣機(jī)進(jìn)口。即汽油機(jī)增壓器較柴油機(jī)增壓器增加了一個(gè)回流閥，參見(jiàn)圖1。

2、汽油機(jī)增壓器的可靠性特點(diǎn)

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

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(shè)計(jì)中，應(yīng)借助于CAE工程分析，避免熱應(yīng)力的不均勻性，減少熱變形或熱裂。

3）軸承體

由于汽油機(jī)排溫高，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后的回?zé)嵬鶗?huì)導(dǎo)致增壓器密封環(huán)失效，機(jī)油結(jié)焦等，引起增壓器早期磨損或漏油，為此，汽油機(jī)增壓器軸承體均設(shè)有水冷腔（見(jiàn)圖5，對(duì)比圖6）。這樣，在發(fā)動(dòng)機(jī)突然停機(jī)時(shí)，通過(guò)熱虹吸原理，使冷卻水流動(dòng)，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(yīng)選擇合適汽油機(jī)的材料。

3、汽油機(jī)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配特點(diǎn)

由于汽油機(jī)的特殊性，導(dǎo)致在與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配中，表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

1）壓氣機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配

由于汽油機(jī)需求的流量范圍寬，壓比不能太高，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性耗氣線，在壓氣機(jī)MAP圖上，表現(xiàn)為壓比低，且流量寬的特點(diǎn)，見(jiàn)圖 7。因此，在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)機(jī)的匹配

由于汽油機(jī)排溫高，增壓器可利用能量相對(duì)充足，因此，渦輪可選擇偏小的葉輪，輪轂可選較輕的設(shè)計(jì)方案，以減輕轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性。

3）增壓器的噪聲問(wèn)題

現(xiàn)階段汽油機(jī)一般應(yīng)用于乘用車，對(duì)噪聲問(wèn)題要求一般要比柴油機(jī)苛刻。因此，常規(guī)的在柴油機(jī)增壓器出現(xiàn)的同步噪聲、次同步噪聲和葉片通過(guò)頻率（BPF）噪聲等問(wèn)題，在汽油機(jī)增壓器的設(shè)計(jì)和制造上同樣應(yīng)予以避免，此外，汽油機(jī)增壓器還有其特有的噪聲問(wèn)題，如反映較突出的回流閥噪聲（見(jiàn)圖8），放氣閥門噪聲等，也應(yīng)在設(shè)計(jì)中予以關(guān)注，并最終通過(guò)整車試驗(yàn)予以確認(rèn)。

4、汽油機(jī)增壓器制造的特點(diǎn)

基于汽油機(jī)增壓器的特點(diǎn)，其制造特點(diǎn)如下：

1）壓氣機(jī)葉輪一般采用銑削工藝

汽油機(jī)增壓器一般應(yīng)用于乘用車，汽車在市區(qū)內(nèi)行駛的特點(diǎn)，易導(dǎo)致壓氣機(jī)葉輪低周疲勞失效，因此，近年來(lái)汽油機(jī)增壓器壓氣機(jī)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(cè)工序

汽油機(jī)增壓器較柴油機(jī)增壓器增加了回流閥、軸承體設(shè)有水腔等，為確保該部分的可靠性，在裝配線上需增設(shè)相應(yīng)的檢測(cè)工序。

3）放氣閥標(biāo)定準(zhǔn)確度要求高

由于汽油機(jī)在正常工作中，放氣閥基本為時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，且因汽油機(jī)為量調(diào)節(jié)，空氣量的調(diào)節(jié)將影響燃油的噴射量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率，因此，汽油機(jī)對(duì)增壓器放氣閥調(diào)節(jié)精度比較敏感，所以，汽油機(jī)放氣閥執(zhí)行器的標(biāo)定準(zhǔn)確度要求高，通常應(yīng)采取正向和逆向，且雙點(diǎn)標(biāo)定法。

5、小結(jié)

1）汽油機(jī)增壓器與柴油機(jī)增壓器比有流量范圍寬，適應(yīng)溫度高，控制復(fù)雜且精度要求高特點(diǎn)，因此，汽油機(jī)增壓器的設(shè)計(jì)、計(jì)算和仿真要細(xì)，制造精準(zhǔn)要高，試驗(yàn)驗(yàn)證要足；

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

3）汽油機(jī)增壓器國(guó)際上有著更多的發(fā)展，如電控執(zhí)行器汽油機(jī)增壓器，可變幾何截面汽油機(jī)增壓器和多級(jí)汽油機(jī)增壓系統(tǒng)等，均已成為應(yīng)用產(chǎn)品。我們需以市場(chǎng)為導(dǎo)向，不斷研究新技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品。

[1]李鐵東.增壓汽油機(jī)增壓壓力控制優(yōu)化研究[C].2013年APC聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2013年7月.

[2]王樹青.基于渦輪增壓技術(shù)的車用汽油機(jī)性能提升及試驗(yàn)評(píng)價(jià)[D].湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012年2月.

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

[4]王本亮.汽油機(jī)增壓器軸承體回?zé)嵩囼?yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guó)山（1959-），男，高級(jí)工程師就職于寧波威孚天力增壓技術(shù)有限公司，曾在中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所就職。多年來(lái)主要從事渦輪增壓技術(shù)研究、開發(fā)等工作，近年來(lái)，主要從事汽油機(jī)渦輪增壓器的研究、開發(fā)和應(yīng)用。由作者主持開發(fā)的兩款汽油機(jī)渦輪增壓器目前已批量生產(chǎn)。