小排量高速柴油机的增压器匹配

2023年12月12日发(作者：奥迪a4l车身尺寸)

８　内燃机与配件　２０１２年第５期　小排量高速柴油机的增压器匹配　Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ　Ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　Ｌｉｔｔｌｅ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ＆　ｌＩｉｇｈ　Ｒｏｔａｔｉｎｇ　Ｓｐｅｅｄ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　徐晓波１，２周乃君’刘石源　周成尧　（１中南大学２湖南天雁机械有限责任公司）　［摘要］本文讨论了小排量高速柴油机增压器的匹配的难点，针对增压器的匹配难点采取相　应的方案，合理地对增压器参数进行调整，可以实现使普通增压器性能最优，达到发动机在现阶段　的用户要求，从而达到节能减排，降低成本的目的。　［关键词］柴油机增压器　匹配　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ　Ｍａｔｃｈｉｎｇ　１　概述　中国整车企业近几年都在大力发展柴油轿车．　因为柴油机可以很好地把性能提升和环境保护结　量高速柴油机已被我国大部分企业青睐。　２小排量高速柴油机的技术发展趋势　自然吸气高速柴油机经历了几十年的不断改　合起来．如涡轮增压柴油机可实现单车省油３５％和　扭矩提升５０％左右。对中国这样一个年产销汽车　１０００万辆（其中多于２／３为乘用车）的汽车消费大国　进与完善，技术已发展至巅峰，受本身结构的限制。　在现现阶段，已不能满足降低排放和燃油消耗的需　求，发展至上个世纪末已经慢慢地在退出历史舞　台；取而代之的是涡轮增压、高压共轨＋涡轮增压中　冷等新技术的发动机，他们符合目前节能减排的需　求。尤其是目前柴油机各项技术不断完善，３．０Ｌ￣量　以下的柴油发动机更体现其卓越的性能．使用的范　围越来越广。　而言，先进轿车柴油机技术意味着：如果汽车５０％采　用柴油机的话，中国每年将节省４３０万吨燃油和减　少５２０吨二氧化碳排放。　２００８年以来．国内掀起了一股柴油机热．国外　先进柴油机企业和技术服务提供商极力在中国寻　求合作。国内柴油机企业在提升原有柴油机技术水　平的同时大力扩产、投产：江铃２００８年投产ＪＸ４Ｄ２４　２．４Ｌ柴油机装载全顺车型：云内动力历经５年之久研　为了满足日趋严格的排放标准和实现柴油机　的节能．目前已经研究或正在研发各种新技术．其　中增压及增压中冷技术被认为是实现柴油机节能　减排的主要措施之一。具体又包括以下多种类型：　发的１．６Ｌ、１．９Ｌ轿柴在２００９年已投产；长城汽车大多　数ＳＵＶ装载了长城２．８Ｌ欧Ⅲ智能节油王柴油机；玉　废气涡轮增压或废气涡轮增压中冷＋ＥＧＲ后处　理装置技术：　机械增压＋废气涡轮增压复合增压技术：　废气涡轮两级增压技术：　废气涡轮可变截面增压技术：　柴、吉利和浙江银轮的合资公司上马了最终产ｆ￣，３ｏ　万台的２．Ｏ峙乔车柴油机；玉柴已成功研发了１．２Ｌ、１．　６Ｌ、２．ＯＬ高性能的柴油发动机，２．６６Ｌ的商用柴油机　年产超过了５万台以上；常柴同样上马了一个最终　３０万台产能的轻型柴油机项目；长丰汽车和上汽都　有各自的轻型柴油机规划；东风成立了一个轻型发　废气涡轮增压＋电辅助增压技术；　废气涡轮增压与排气系统集成增压技术。　不论采用哪种增压方式，增压器与柴油机的匹　配技术是其核心。图ｌ是高速柴油机的技术发展趋势。　动机公司，３．０升ＺＤ３０柴油机已批量投产：最近奇瑞　已对外公布了新研发的１．０Ｌ轿柴发动机。可见小排　徐晓波周乃君刘石源　周成尧：小排量高速柴油机的增压器匹配　９　Ｈ恸率（ｋ－ｗ／Ｄ　图１小排量高速柴油机的技术发展趋势　３小排量高速柴油机的增压器匹配　技术分析　３．１匹配技术难点分析　由于小排量的高速柴油机转速高，所需流量范　围宽，升功率高，同时还需适应不同环境、气候，因　此在匹配此类型废气涡轮增压器时必须合理地设　计匹配选型，反复地进行各种试验验证，不断地优　化。才能满足发动机不同工况下的需求。目前小排　量高速柴油机废气涡轮增压器在匹配过程中存在　着共同的难点：　（１）低速需大扭矩，但是燃油消耗太高、烟度值　太大．不能满足排放法规的要求。表１为某发动机厂　的４９２ＺＬＱ高压共轨发动机在低速时的负荷特性，其　扭矩、比油耗与排气烟度值的试验结果，从试验结　果可以看出，在相同情况下，发动机同一转速时，增　大发动机的扭矩，其油耗及烟度相应的变大。因此，　如何在提高发动机扭矩的同时而不使燃油消耗增　加、烟度变大，满足排放法规的需求，这已是目前急　需要解决的问题。　表１小排量高速柴油机的技术发展趋势　转速（ｄｍｉｎ）　扭矩（Ｎ．ｍ）　（　ｋｗ比油耗　排气烟度　．ｈ）　（ＦＳＮ）　１２ｏｏ　２１６　２４９．７　５．５　１２０ｏ　１９４　２４０．４　４．５　ｌ２ｏｏ　１７３　２３４．８　２．２　ｌＯｏ０　２ｏ４　２７８．４　６－３　１ｏｏＯ　１７９　２５１－３　５．９　１０ｏＯ　１５１　２４０　２．５　９ｏ０　１６５　２６５　５．７　９００　１４３　２５８　４．２　９０ｏ　１２８　２５４　２．１　（２）由于废气涡轮增压器涡轮的旋转部分有一　定的质量．因此在工作时具有惯性还存在滞后性。　因此如何降低增压器的旋转部分质量，又不降低其　强度．提高瞬态加速响应性也是当前增压器匹配的　难点。　（３）由于环境变化对增压器的转速有很大的影　响，在低温时，空气的密度增加，进气量变大，会使　功率增大．会使发动机的耗气特性线向增压器的喘　振线靠近：在高温时，进气温度高，空气的密度变　小，进气量变小，功率会变小，发动机排温会变高，　增压器的工作条件变恶劣，增压器的转速会升高：　在高原上时．由于空气稀薄，会使增压器在高速时　易超速。因此如何匹配好增压器，使增压器能适应　不同的环境要求，保证在高温高原条件下不超速，　同时兼顾中低速性能，及适应低温等不同环境条　件，使发动机的耗气特性线有效地穿过增压器的压　气机特性曲线的最佳效率圈。【ｌ】　（４）小排量高速柴油机由于发动机转速高，其　爆发压力受到发动机零件强度等的影响．因此发动　机要求增压器具有低压比（一般压比小于２．５，标定　点在２．１左右）、小流量特点，即发动机所需过量空气　系数低，但时充量效率要求高，发动机所需的热效　率高，有利废气能量利用率高；同时要求控制响应　灵敏，动态加速时烟度低，所以加大了增压器的匹　配难度。　图２某０．９Ｌ高速柴油机的外特性下的进气量与压比的关系　图２为０．９Ｌ高速柴油机的外特性下的进气量与　压比的关系．发动机转速在最大扭矩点以上时由　零件的机械强度等限值的要求影响，其压比都小　于２．２’在低速时希望能够有足够的压比和进气流　量，才能满足发动机在低速大扭矩低油耗高响应性　的要求存在一定的矛盾，但是如何在现有的技术上　做出更大的突破达到低速、高速性能的兼顾？　１０　内燃机与配件　２０１２年第５期　３．２解决途径与方法　虽然现在人们对各种新技术进行了充分的研　究，但是由于新技术在现阶段广泛投入到应用当中　存在许多的问题，还需要一定的时间去解决。如两　级增压器技术：安装空间大．如何精确控制发动机　在高低速之间增压器的精确转换；可变截面增压技　术：如何提高控制与调节机构的可靠性；同时由于　以上技术对材料要求非常高，因此生产、制造成本　非常高．在目前用户不易接受．其价格是普通增压　器的１．５－２倍，同时由于一些新技术对发动机本身的　要求非常高，需要一定的外部条件如对油品的要　求，不然容易造成增压器提前损坏。给用户造成很　大的损失；因此如何提高普通带阀增压器的性能。　使普通带阀增压器与发动机匹配后的性能达到最　优，在当今具有重要的实际意义。　下面讨论小排量高速柴油机的增压器匹配方　备眷芒　等竹静尊ＪＡ　法。　（１）精确计算，合理选型　以前都是采用比较传统的计算方法。计算出标　定点、最大扭矩点、低速点所需的进气量及所需压　比，同时对影响因素不能修正．因此只能进行初略　的选型．这种方法增加了匹配的难度。同时也不能　使性能匹配达到最优，只能反复通过试验来进行调　整，使开发周期延长，成本增加。目前采用最多是　ＧＴ－－ＰＯＷＥＲ模拟软件，根据发动机的不同工况要　求，建立发动机模型，选取不同的边界条件，输人各　种参数进行反复模拟计算，得到发动机在不同工况　下最佳匹配点，同时可以分析发动机的爆压、排温　等限值是否超标，为发动机的匹配提供有力的理论　依据。根据模拟计算的结果，可从增压器的型谱中　进行选型。合理地选择压气机、涡轮机，使增压器与　发动机联合运行时，发动机的耗气特性线在压气　机、涡轮机的特性高效区工作。同时又具有非常充　裕的喘振裕度，保证增压器能适应发动机在不同的　环境下工作。一般根据情况选择２～３个方案的增压　器。通过精确地计算，缩短了开发周期，降低了试验　成本。　（２）发动机台架匹配试验　在发动机台架上对已选择好的增压器进行台　架匹配试验，先进行发动机的外特性试验，对比所　选择地增压器与发动机联合工作后的各种性能参　数是否已达到设计要求，然后对各方案的增压器在　相同情况下，进行外特性、排放对比试验，优选方案　后进行万有特性试验，对比发动机的最高工作效率　范围是否符合发动机的使用要求　如图３所示某厂　２．０Ｌ发动机在试验台架的测试的发动机耗气特性描　绘在压气机特性曲线上，发动机在全工况时的耗气　特性线在压气机的高效率范围内．高速时通过旁通　放气机构，控制最高增压压力在２．２以内，喘振裕度　也比较宽广，其匹配效果比较理想。　Ｌ　Ｕ　Ｏ＾ｎ｝　／　，　－’＿’－Ｉ－Ｉ　Ｊ…　　，Ｕ　０　７　３　Ｖ　’　／　，、　／　．，’　－－　人　／　１　、Ｏ．７３　ｌ　Ｏ，６５　，—／一　　／‘　一、　’、　。＼　、＞　０　６３　㈠　ｆ—　上０．７，１　，’　，、　’＼．　＼｝、　、　　３　３ｚ３ｎ￣　，／　，－、　ｆ＿　，．　■●　Ｊ　，　。　》　／　／　／，　　－＝　《　～１／，　＇　‘　＞＜，，　，１　／　４１　）ｍ／ｓ　／，　，　Ａｉｒ　：　”　／＇ｘ　／／　Ｄ　＿，　　毫　，，３６６Ｉ｜　、～　＾．　－　｝—　－Ｉ　‘／　　　缮　簧　Ｏ　５７　！，　３　１，　ｍ／ｓ　一　－　～：　、二：　一，　、Ｉ艇“　Ｉｓ　２０９ｍ／￣　Ｍａｓｓｆｌｏｗ｜‘ｇ，●　图３　２　ＯＬ发动机与增压器压气机的匹配曲线　（３）调整增压器参数　通过发动机台架的试验数据。进行充分地分　析，调整增压器的各参数。使增压器与相应的发动　机匹配眭能最优。具体包括以下几点：　（１）调整压气机的工作特性。　圈４型号１增压器与发动机外特性Ｔ作点的匹配情况　图４、图５为２．５Ｌ高速柴油机压气机的匹配情况，　比两个图上对比．得出型号ｌ增压器与此发动机匹　配的综合效率要低于型号２的匹配效果：两种方案　中增压器与发动机工作点的匹配都效果相当．都比　较好；前者的增压器的最大效率过低，因此选择后　徐晓波周乃君刘石源　周成尧：小排量高速柴油机的增压器匹配　ｕ　者进行试验。　图５型号２增压器与发动机外特性工作点的匹配情况　小型高速柴油发动机由于发动机转速高，对零　件的可靠性要求非常高。所以对爆压有一定的限　制，因此所需的压气机特性为小流量低压比，同时　由于发动机工作转速范围非常广，压气机需要有宽　广的流量区域。　（２）调整扩压器的宽度及入口攻角。　图６扩压器宽度对压气机工作性能的影响　图６为叶轮出气端直径为４０ｒｎｍ，压气机ａ／ｒ为　０．３６匹配不同的扩压器宽度，对压气机工作性能的　影响曲线，虚线为扩压器的宽度为２．５ｍｍ，细线为扩　压器的宽度为３．０　ｍｍ，从对比曲线可知，在低转速　情况下，大扩压器的最大质量流量明显大于小扩压　器最大质量流量。在相同的流量下，小扩压器的压　比明显比大扩压器高，在高转速度下，两个压气机　堵塞流量差别不大，但发生喘振压比差别很大。压　比的差别可能是因为叶轮出口密度增大，从而使径　向速度分量减小，因此宽扩压器人ＶＩ攻角过大，从　而产生更大的损失。在最高旋转速度下两台压气机　堵塞质量流量差别很小，这意味着叶轮内部没有发　生堵塞流动现象，因为如果是叶轮内部产生堵塞，　那么流量差别应该很小。因此可以根据发动机的　设计要求进行调整合适的扩压器宽度及进口攻角　等参数。　（３）调整叶轮的进出口几何尺寸、叶片的出气　口高度，叶片形状。可以采用商业软件ＮＵＭＥＣＡ进　行数值模拟计算，得到高效率的叶轮。　在一定范围内，降低叶片轮缘一轮毂方向的负　荷可以提高叶轮效率，后加载方式可以改善离心压　气机叶轮性能：叶轮进口尺寸相同的情况下，子午　形面和叶片角的变化对叶片负荷分布有较大影响。［５１　（４）可采用二次进气方式，在低速可以拓宽流　量３～５％．高速时可以达到８％，可以使压气机更能适　应高原、高温条件下工作。如图７所示结构。　在喘振时－ｒ作　在堵塞－ｉ－作　图７二次进气方式的压气机　（５）调整涡轮机的工作特性。　由于小排量高速柴油机的排量小，其废气质量　流量小，流速快，因此如何高效地利用其废气能量，　是解决问题的关键。涡轮端的参数选择不合理，会　造成排气温度升高，油耗高等不利于发动机燃烧。　（６）涡壳流道的形状、各截面面积大小、各截面　的质量中心、喉口位置、流道宽度对涡轮机特性的　影响。图８是涡壳流道的关键参数。　（７）涡轮叶轮参数的调整：涡轮叶片进气角度、　出气角度、叶片数、叶片宽度、叶片高度、进气冲角　等参数对流量的影响。特别是近几年来车用涡轮增　压领域广泛利用混流式涡轮，其具利用有效率高、　最高效率点ｕ／ＣＯ小的特点，有助于提高脉冲增压系　统中排气脉冲波的能量利用。１６］　（８）提高增压器的总效率。　优化增压器的轴承结构、润滑系统，使增压器　的机械效率损失最低，从需提高增压器的总效率。　１２　内燃机与配件　２０１２年第５期　合理地减少高速旋部分的质量，减少能量损失。如　通过对车用涡轮增压器涡轮叶轮减重结构优化。可　降低涡轮转子的转动惯量用。同时降低旋转部分的　不平衡量，提高整机动平衡的精度。　棚、　—　鼍　Ｉ■■－－　?心嘲　＿＾ｌ　－．‘Ｉｆ　ＩＩ簟　＿　图８涡壳流道关键几何参数　（９）合理地匹配涡端与压端两轮参数，使两端　动机匹配达到性能最优，从而达到节能减排，降低　成本的目的。　参考文献　【１】朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器．兵器工业第七Ｏ研究所，　１９９７　能够符合：流量平衡、能量平衡、转速平衡三大原　则，保证增压器与发动机联合运行时各工况稳定。　（１０）微调发动机的参数：喷油泵、喷油器等燃　烧系统的参数，使发动机的燃烧热效率达到最优。　（１１）合理地设计进排气系统，减少能量的损　失。　［２］落宋守信．内燃机增压技术．上海：同济大学出版社，１９９３．　【３】柴油机设计手册编委会．柴油机设计手册．北京：中国农　业机械工业出版社，１９８４．　４结论　（１）增压及增压中冷技术是实现柴油机节能减　排的主要措施之一，而增压器及其与柴油机的匹配　【４】顾宏中，涡轮增压柴油机性能研究．上海：上海交通大学　出版社，１９９８：７—１１．　【５】杨策瑚辽平．买靖东．老大中．王航．　技术是其核心。　（２）提出了增压器及其与柴油机的匹配的技术　方案：即通过精确地理论计算，充分地进行台架对　比试验，对增压器的参数及发动机进排气系统、燃　油系统进行优化匹配。可以实现使普通增压器与发　两个离心压气机叶轮的设计与性能比较．《北京理工大学学　报》第２４卷第９期２００４年９月．　［６】施新．刘荣．鲍捷．唐波．增压器混流涡轮的设计和试验研　究．《车用发动机》第２期（总第１７４期）２００８年４月　【７】赵俊生．马朝臣．胡辽平．车用涡轮增压器涡轮叶轮减重结　构优化．《内燃机工程》第２９卷第１期２０ｏ８年２月