汽油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器響應(yīng)性開發(fā)選型的研究

趙明祥 單文強(qiáng)

摘要：增壓器響應(yīng)性影響到發(fā)動(dòng)機(jī)和整車性能，是增壓器設(shè)計(jì)選型的關(guān)鍵，通過增壓器結(jié)構(gòu)和整車實(shí)際使用條件分析和計(jì)算，并實(shí)際計(jì)算和測(cè)試兩款相似性較高的典型動(dòng)力在整車上的動(dòng)力表現(xiàn)，展示了增壓器響應(yīng)性的選擇方法，以期給增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)選型提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓器，響應(yīng)性

Abstract：Response ability is the most important part for turbocharge design decision， because it will affect the Engine performance and Vehicle performance. Analysis the turbocharge structure and vehicle running map， According to compare between two similar Engine in simulated analysis and vehicle running dynamic performance test， except it can helpful for turbocharge charge selection in Engine development.

Key words： Gasoline Engine ， Turbocharger ， Response ability

前言

隨著人們對(duì)汽車動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和排放等要求的不斷提高，加上日趨嚴(yán)苛的排放、油耗法規(guī)要求，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，提升發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能，提升整車動(dòng)力的需求已顯得尤為突出。

增壓技術(shù)的應(yīng)用，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效進(jìn)氣壓力，可以大幅度提高整車的比功率和燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動(dòng)機(jī)采用排氣渦輪增壓后，不僅能夠提高充氣密度，增加功率，同時(shí)還能改善燃燒，提高經(jīng)濟(jì)性，減少廢氣中的HC、CO及顆粒物的排放，降低噪聲。隨著節(jié)能問題和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓愈來愈成為其發(fā)展的重要方向，增壓機(jī)已成為發(fā)動(dòng)機(jī)的基本型。

近年國內(nèi)增壓機(jī)型逐步普及，并從單純的追求動(dòng)力最大扭矩向科學(xué)實(shí)用化的低速響應(yīng)的追求呼聲愈發(fā)明朗，本文以結(jié)構(gòu)原理對(duì)比分析為基礎(chǔ)，考慮實(shí)際整車運(yùn)用需求，通過計(jì)算分析和以實(shí)際對(duì)比測(cè)試，展示渦輪響應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)、整車運(yùn)用上的選型方法，更全面考慮實(shí)際消費(fèi)者的需求，使整車動(dòng)力有效性保障。

1.增壓器機(jī)理及結(jié)構(gòu)

增壓技術(shù)通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力， 從而提高氣缸中空氣的密度、 增加進(jìn)氣量， 可相應(yīng)地增加循環(huán)供油量， 以大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。相同功率的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排量可以比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)減少18 % ～ 35 % ， 燃油經(jīng)濟(jì)性可提高 10 % 左右。

如圖1增壓器工作原理圖，機(jī)械增壓器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)本身運(yùn)轉(zhuǎn)排出的廢氣，推動(dòng)渦端的渦輪高速旋轉(zhuǎn)，渦輪則通過中間體轉(zhuǎn)軸與壓輪固定相連，高速旋轉(zhuǎn)的渦輪就帶動(dòng)壓輪同步高速旋轉(zhuǎn);高速旋轉(zhuǎn)的壓輪通過壓輪與壓殼間的間隙腔體將新鮮空氣壓縮后送入進(jìn)氣歧管，進(jìn)入燃燒室燃燒做功。

增壓器結(jié)構(gòu)可分為：殼體、輪軸、電控三個(gè)大部分，而其中輪軸是推動(dòng)做功的關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖2。

2.增壓器響應(yīng)性

增壓器輪軸系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)件，在同一發(fā)動(dòng)機(jī)上，因推動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的排氣量相同，所以轉(zhuǎn)子的慣量越小，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速增長越快，增壓器加速度越大，越能更快建立良好壓力輸入進(jìn)氣，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。因此選擇小慣量的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是提升動(dòng)力響應(yīng)性的關(guān)鍵方法。

但慣量和性能并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系：轉(zhuǎn)子的慣量越小，意味著壓輪、渦輪、中間軸的尺寸也需要更小，較小的尺寸則對(duì)應(yīng)于最高轉(zhuǎn)速低，后續(xù)加速性能弱，同步的也就降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，動(dòng)力性的減弱將導(dǎo)致排氣減少，排氣減少又回饋到推動(dòng)渦輪的輸入力減少，因此形成閉環(huán)影響之后的動(dòng)力表現(xiàn)。

如表一 所示，為四款典型的TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的選型，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的轉(zhuǎn)子，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能較低（A/B為同一時(shí)期和相似平臺(tái);C/D為同一時(shí)期相同平臺(tái)）

轉(zhuǎn)子慣量越小，初始加速度越大，壓力建立快，其增壓器效率也越高，但隨著時(shí)間增長，其加速度將遇到瓶頸而降低，壓力的建立和增壓器效率將受到挑戰(zhàn)。

我們對(duì)最新款的A機(jī)型和B機(jī)型進(jìn)行實(shí)例對(duì)比分析：整車的啟動(dòng)性是其動(dòng)力性的關(guān)鍵體現(xiàn)，1500轉(zhuǎn)為整車實(shí)際使用啟動(dòng)的典型關(guān)鍵轉(zhuǎn)速，如圖三為兩款機(jī)型在1500這個(gè)關(guān)鍵特征轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力性對(duì)比。（經(jīng)實(shí)測(cè)，其他轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力性能數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致）

對(duì)其動(dòng)力性分析細(xì)節(jié)分析可見：

1）在0～0.4秒，小慣量的B機(jī)型較大慣量的A機(jī)型，其扭矩上升速度快：對(duì)應(yīng)了小慣量的渦輪，將能很快提高旋轉(zhuǎn)速度，壓入更多新鮮空氣，建立更高的進(jìn)氣壓力，因此發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提升速度較快

2）在0.4秒之后，小慣量的B機(jī)型較大慣量的A機(jī)型，其扭矩上升的曲線傾斜度就小了：對(duì)應(yīng)了小慣量的渦輪在迅速建立一定的轉(zhuǎn)速后，將會(huì)有一個(gè)瓶頸：壓入更多的新鮮空氣較為勉強(qiáng)，因此其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提升速度降低，壓入新鮮空氣的增速不及大慣量的增壓器，反應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增長速度上就是大慣量的A機(jī)型反而開始占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位

3）到了3秒之后，大慣量的A機(jī)型，不僅在扭矩提升速度上超越小慣量的B機(jī)型，同時(shí)在扭矩的絕對(duì)值上也同樣超越了B機(jī)型

4）在6秒之后，B機(jī)型采用的小慣量渦輪基本已經(jīng)達(dá)到其能力上線，因此扭矩?zé)o法再進(jìn)一步提升;A機(jī)型采用了更大慣量的渦輪，因此其空氣壓縮能力較B機(jī)型更強(qiáng)，因此扭矩持續(xù)提升，最終扭矩較B機(jī)型大了約15%

對(duì)扭矩建立：小慣量的B機(jī)型更具有起手優(yōu)勢(shì)，但僅0.4秒的優(yōu)勢(shì)時(shí)間，對(duì)于百米加速一般約10秒左右而言，時(shí)間占比極小，其實(shí)際的加速優(yōu)勢(shì)保持困難，且犧牲了高轉(zhuǎn)速的大扭矩輸出。會(huì)被小慣量的A機(jī)型快速超越。對(duì)整車動(dòng)力性：B機(jī)型具有更寬的動(dòng)力區(qū)間，動(dòng)力輸出更加從容和平穩(wěn)。對(duì)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性：B機(jī)型因動(dòng)力區(qū)間寬，同等動(dòng)力輸出需求下，其耗油和排放壓力也更低。因此對(duì)整車開發(fā)，選型應(yīng)偏向用慣量偏大的B機(jī)型。

3.整車的實(shí)際運(yùn)行需求

隨著我國汽車消費(fèi)者的理性化及意識(shí)提升，廣大消費(fèi)者也意識(shí)到我們需要的動(dòng)力，更應(yīng)該著眼于低速扭矩，尤其增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更快的低速扭矩建立，才能使得我們?cè)谡噷?shí)際工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)有更多的使用到大扭矩、高效率區(qū)間，使得使用者受益。

如圖四，綠色區(qū)域?yàn)榈湫推桶l(fā)動(dòng)機(jī)的整車在NEDC循環(huán)（評(píng)判實(shí)車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)）中實(shí)際運(yùn)行區(qū)間圖，實(shí)際運(yùn)行中：

1）動(dòng)力并不會(huì)使用到外特性的極限扭矩/功率，因此單一的用外特性極限扭矩輸出來進(jìn)行選型可體現(xiàn)動(dòng)力性，但經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性不適宜;

2）常用工況更多在中轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速，因此動(dòng)力性的選擇應(yīng)更偏向中低負(fù)荷和中低工況，以能給實(shí)際消費(fèi)者帶來實(shí)效;

因此增壓器響應(yīng)性的選擇，還要同時(shí)考慮整車的實(shí)際使用工況，才能做到實(shí)效最優(yōu)。

如表二 將A發(fā)動(dòng)機(jī)和B發(fā)動(dòng)機(jī)搭載同一款1.6噸的某典型SUV車型，輸入相同的實(shí)測(cè)邊界條件，用CRUISE進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析：

由此可見計(jì)算分析上：高慣量的A發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上較低慣量的B發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面都略有優(yōu)勢(shì)。

如表三為該兩款發(fā)動(dòng)機(jī)搭載該同一款整車的實(shí)測(cè)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果：

實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果接近，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)匹配整車在動(dòng)力性和油耗上相當(dāng)，大慣量的A機(jī)型具有一定優(yōu)勢(shì)。該最終結(jié)果不僅說明選型之初不能簡(jiǎn)單的以“小慣量”來衡量，也說明了即使有動(dòng)力性能對(duì)比數(shù)據(jù)上的明顯優(yōu)勢(shì)，大慣量渦輪也不能在性能上對(duì)小慣量有極其明顯的超越。

結(jié)論：

1.低慣量的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能提高渦輪響應(yīng)性，更快的建立轉(zhuǎn)速壓力以提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出，同等條件下，應(yīng)選擇小慣量的渦輪;可參考1.5TD發(fā)動(dòng)機(jī)典型機(jī)型的6～9 e-6kg*m;

2.低慣量轉(zhuǎn)子渦輪受限于自身慣量低、壓輪/渦輪工作面積小、最大性能不高的影響，中后期對(duì)動(dòng)力提升的速度下降更明顯;因此低慣量轉(zhuǎn)子前期建立的動(dòng)力輸出優(yōu)勢(shì)可能會(huì)在中后期被超越，0.5秒以內(nèi)的前期加速優(yōu)勢(shì)不易形成最終動(dòng)力響應(yīng)性的優(yōu)勢(shì);

3.整車實(shí)際性能并非以最高動(dòng)力（扭矩/轉(zhuǎn)速）或低慣量渦輪帶來的前期扭矩快速響應(yīng)而直接線性作用，需要以NEDC等實(shí)際循環(huán)仿真分析和實(shí)測(cè)來作為最終效果的確認(rèn)。

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作者簡(jiǎn)介：

趙明祥（1983～），男，工程師，工學(xué)學(xué)士，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力開發(fā)設(shè)計(jì)，zmx_abel@163.com

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