某柴油機(jī)渦輪增壓器竄氣量的研究

(上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

在環(huán)境污染和能源危機(jī)的影響下，汽車工業(yè)的節(jié)能減排已成為全球亟待解決的大課題，環(huán)保部所制定的排放法規(guī)也日漸嚴(yán)格。 2017年1月1日，我國(guó)開始實(shí)施第五階段國(guó)家機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)，這意味著汽車行業(yè)從排放上又將進(jìn)行一次大變革。因此，對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的改造升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，就成了當(dāng)務(wù)之急。

在眾多節(jié)能減排的技術(shù)當(dāng)中，廢氣渦輪增壓技術(shù)受到廣泛青睞，主要是其可以使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得以下優(yōu)越性能[3]：

(1)節(jié)能，渦輪增壓器可大幅增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。在動(dòng)力性相同的條件下，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)較非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可顯著降低油耗，主要是因?yàn)樵鰤喊l(fā)動(dòng)機(jī)排量較小，在使用負(fù)荷增加時(shí)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在萬(wàn)有特性曲線中更接近于經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，從而達(dá)到節(jié)油效果。

(2)環(huán)保，在同等動(dòng)力性的情況下，搭載增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的整車能夠節(jié)油，因此將降低整車CO2和有害氣體的排放量。

(3)提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，進(jìn)而推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。將增壓技術(shù)運(yùn)用到汽油機(jī)上，可以使增壓比大幅提高，汽油機(jī)功率可達(dá)到100%。因此，在相同功率輸出的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)外形尺寸可大幅縮小，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的布置，減小發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和縮小整車外形都有重大幫助。

(4)高原功率補(bǔ)償，當(dāng)車輛在高海拔行駛時(shí)，空氣密度隨海拔增加而減小，使用增壓技術(shù)，可防止發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的減小，從而保障發(fā)動(dòng)機(jī)功率平穩(wěn)，補(bǔ)償因進(jìn)氣不足而損失的功率。

因此，為了充分發(fā)揮增壓的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從多方面優(yōu)化廢氣渦輪增壓器并解決現(xiàn)有的問(wèn)題，就成了當(dāng)務(wù)之急。

各位研發(fā)人員在研究增壓技術(shù)方面提出了不同的技術(shù)方案。美國(guó)Garrett公司研制可變幾何截面渦輪增壓器(VGT)，該增壓器采用可旋轉(zhuǎn)噴嘴的噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)，其原理是利用增壓器壓氣機(jī)端產(chǎn)生的高壓氣體作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)板，進(jìn)而帶動(dòng)渦輪端插入導(dǎo)槽的噴嘴環(huán)葉片一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到改變渦輪流通截面積，調(diào)節(jié)廢氣渦輪增壓器進(jìn)氣面積，可使增壓器滿足柴油機(jī)不同進(jìn)氣的需求。日本IHI公司通過(guò)優(yōu)化增壓器軸的鼻錐形狀來(lái)改善氣體流通阻力。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架及燃料

為研究增壓器竄氣量，需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)采集數(shù)據(jù)，增壓器原理如圖1所示。

圖1 增壓器原理圖[4]

項(xiàng)目參數(shù)機(jī)型系列4E20C160-LD發(fā)動(dòng)機(jī)排量/L2.0額定功率/kW160最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)480額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)4 000最高排溫/℃<850

表1為柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的主要技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)燃料采用市售符合國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油，其十六烷值為50.8，密度(20 ℃)為813.6 kg·m-3，凝點(diǎn)為-22 ℃，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4×10-6，冷卻液混合比為50%。

1.2 試驗(yàn)原理

由于此次試驗(yàn)是模擬增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際運(yùn)行，因此必須為發(fā)動(dòng)機(jī)提供試驗(yàn)環(huán)境。如圖2所示，斷開發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器連接的進(jìn)油管路，改為外接增壓器潤(rùn)滑油路。通過(guò)單獨(dú)給油車供油，回油管路同樣與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開連接，與油車相連，油車的另一個(gè)出口管路上接有空氣流量計(jì)，通過(guò)空氣流量計(jì)的值的變化來(lái)測(cè)定增壓器竄氣量。安裝增壓器時(shí)需要嚴(yán)格控制各個(gè)部件與發(fā)動(dòng)機(jī)的高度差，與整車狀態(tài)誤差應(yīng)不超過(guò)±10 mm。為保障該試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)用增壓器分別采用單級(jí)增壓器和兩級(jí)增壓器，相關(guān)參數(shù)見表2和表3。因?yàn)樵鰤浩鞲Z氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的危害性，設(shè)計(jì)上需要使該值盡量小，所以只要該試驗(yàn)測(cè)得的增壓器竄氣量最大值不大幅偏離增壓器生產(chǎn)商所提供的經(jīng)驗(yàn)限值，便可證明該增壓器竄氣量正常。

圖2 試驗(yàn)原理圖

項(xiàng)目參數(shù)類型VGT功率范圍/kW120低速扭矩/(N·m)205(1 000 r/min)最大扭矩/(N·m)375

表3 兩級(jí)增壓器參數(shù)

測(cè)量前油車需要預(yù)熱至70 ℃以上，油壓定為0.10～0.15 MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)熱控制出水溫度為95～100 ℃，主油道機(jī)油溫度不超過(guò)130 ℃。同時(shí)油車熱油至目標(biāo)值(油溫90 ℃以上，油壓0.36 MPa以上)，調(diào)整冷卻水以穩(wěn)定油溫。手動(dòng)調(diào)節(jié)油車的供油壓力(P1)，使其值在不同工況點(diǎn)下同臺(tái)架上測(cè)得的主油道壓力一致。油車供油溫度(T1)保持在90 ℃以上。在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行20次快加速循環(huán)，從怠速到60%額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷?？刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min、4 000 r/min和4 200 r/min下運(yùn)行，分別在負(fù)荷100%、75%、50%、25%和最小負(fù)荷工況時(shí)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)負(fù)荷、目標(biāo)背壓后，保持5 min以穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)油溫油壓，然后進(jìn)行竄氣量測(cè)量，測(cè)量頻率不大于1 Hz。測(cè)量完畢后發(fā)動(dòng)機(jī)回到怠速工況，關(guān)機(jī)前確保5 min怠速，增壓器止轉(zhuǎn)后關(guān)閉油車。該試驗(yàn)各數(shù)值限值可根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行設(shè)定，但是必須嚴(yán)格遵守GB/T 18297—2001 《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》和GB/T 19055—2003 《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》國(guó)家規(guī)范[5-6]。

1.3 試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)

汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的核心，能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油和點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制[7]，試驗(yàn)中ECU通過(guò)監(jiān)測(cè)各傳感器數(shù)據(jù)的變化，收集發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的工作狀態(tài)信息，并對(duì)各信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)情況進(jìn)入程序自動(dòng)運(yùn)算，執(zhí)行各種命令。本次試驗(yàn)使用ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化。信號(hào)變化的數(shù)據(jù)使用INCA軟件收集，如圖2所示。

2 材料與試驗(yàn)方法

2.1 單級(jí)增壓器試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)單級(jí)增壓器進(jìn)行試驗(yàn)，得出了以下數(shù)據(jù),如圖3所示。

圖3 單級(jí)增壓器竄氣量及功率曲線

由圖3可知，在全負(fù)荷工況下，增壓器的竄氣量先上升，后下降，再上升，最后下降。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2 600 r/min時(shí)，由于轉(zhuǎn)速上升，燃油消耗量增加，增壓器壓力增大，竄氣量增大。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 600 r/min，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部空氣增多，排氣溫度降低，增壓器渦端竄氣量減小，增壓器總竄氣量減小。隨著轉(zhuǎn)速增加，增壓器渦端和壓端壓力影響逐漸增大，竄氣量增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于4 000 r/min后，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量減少，功率降低，竄氣量減少。

在發(fā)動(dòng)機(jī)75%負(fù)荷工況下，單級(jí)增壓器竄氣量先增加，后降低，再升高，最后降低。曲線變化原因與全負(fù)荷相同。

在發(fā)動(dòng)機(jī)50%負(fù)荷和25%的工況下，增壓器竄氣量先增加后降低，相比于全負(fù)荷和75%負(fù)荷兩種工況有較大變化。由數(shù)據(jù)可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 800 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)升高，功率升高，燃油消耗量升高，排氣溫度升高，油壓保持不變，竄氣量持續(xù)升高。在轉(zhuǎn)速高于3 800 r/min時(shí)，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，但是功率下降，燃油耗減少，進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致增壓器渦端和壓端壓力降低，因此竄氣量減少。

在最小負(fù)荷的工況下，增壓器竄氣量一直增加。這種工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低，竄氣量主要受增壓內(nèi)部壓力的影響，轉(zhuǎn)速增加時(shí)，功率一直升高，燃油耗增加，增壓器內(nèi)部壓力增大，竄氣量增加。

在各種工況下，增壓器漏氣量最大值為15.2 L/min，在全負(fù)荷轉(zhuǎn)速2 400～2 800 r/min范圍內(nèi)，低于經(jīng)驗(yàn)限值20 L/min。

2.2 兩級(jí)增壓器試驗(yàn)結(jié)果

兩級(jí)增壓器試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 兩級(jí)增壓器竄氣量及功率曲線

在100%全負(fù)荷工況下，兩級(jí)增壓器竄氣量呈先增加、后降低的態(tài)勢(shì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 400 r/min時(shí)，竄氣量達(dá)到最高。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷俚? 400 r/min時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，功率增加，因此噴油量增加，增壓器內(nèi)部壓力上升，在轉(zhuǎn)速3 400 r/min時(shí)，竄氣量達(dá)到最大值。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)3 400 r/min時(shí)，增壓器竄氣量呈現(xiàn)下降的態(tài)勢(shì)，這是由兩級(jí)增壓器的工作特性所決定的。一般情況，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，增壓壓力由高壓級(jí)提供，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)需要的空氣量逐漸增大，增壓器低壓級(jí)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓級(jí)作用減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時(shí)，低壓級(jí)停止工作，增壓壓力完全由低壓級(jí)提供。而兩級(jí)增壓器竄氣量是由增壓器高壓級(jí)和低壓級(jí)共同作用的結(jié)果，由于氣缸內(nèi)部空氣量增多，排氣溫度下降，渦端空氣溫度降低，因此竄氣量減少。轉(zhuǎn)速超過(guò)3 400 r/min時(shí)，高壓級(jí)作用減小，竄氣量減小，低壓級(jí)竄氣量增大，高壓級(jí)和低壓級(jí)疊加，竄氣量減小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)4 000 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，燃油耗減少，增壓器內(nèi)部壓力下降，竄氣量減少。

在75%負(fù)荷的工況下，增壓器竄氣量先持續(xù)升高，后降低。在轉(zhuǎn)速低于3 600 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率升高，進(jìn)氣量增加，增壓器內(nèi)部渦端和壓端的壓力增大，竄氣量增大。轉(zhuǎn)速超過(guò)3 600 r/min時(shí)，增壓器高壓級(jí)作用減小，低壓級(jí)轉(zhuǎn)速增加，共同作用使竄氣量減小。轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min時(shí)，功率減小，油耗量減小，增壓器內(nèi)部渦端和壓端的壓力減小，竄氣量快速下降。

在50%負(fù)荷的工況下，增壓器竄氣量曲線先升高，達(dá)到峰值后下降，轉(zhuǎn)速達(dá)到3 400 r/min時(shí)，竄氣量為極小值，然后上升，超過(guò)4 000 r/min后開始下降。在轉(zhuǎn)速低于3 400 r/min時(shí)，竄氣量先升后降的原因與前兩種工況一樣。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3 800 r/min時(shí)竄氣量上升，主要是因?yàn)榇藭r(shí)低壓級(jí)作用較強(qiáng)，產(chǎn)生的竄氣量超過(guò)了高壓級(jí)竄氣量下降的影響。

在25%負(fù)荷的工況下，竄氣量變化的趨勢(shì)同50%負(fù)荷工況相似，變化的原因也相近。

在最小負(fù)荷工況下，竄氣量先升高，在轉(zhuǎn)速2 600 r/min時(shí)達(dá)到頂峰，隨后降低并保持平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)速高于3 600 r/min后竄氣量上升。在轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min時(shí)，竄氣量曲線變化的原因與其他負(fù)荷曲線變化相近。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于3 000 r/min且低于3 600 r/min時(shí)，增壓壓力主要是由低壓級(jí)提供，而發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)功率較低，所需要的空氣量較少，所以竄氣量變化較為平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速高于3 600 r/min后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量相對(duì)較大，油耗量上升，空氣消耗量上升，竄氣量增大。

在各種工況條件下，增壓器漏氣量最大值為22.5 L/min，位于75%負(fù)荷轉(zhuǎn)速3 600～3 800 r/min范圍內(nèi)，低于經(jīng)驗(yàn)限值為35 L/min。

3 結(jié)論

某柴油機(jī)渦輪增壓器采用單級(jí)增壓時(shí)，竄氣量隨轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在不同負(fù)荷下，最大竄氣量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速不同，最大竄氣量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷的增加呈降低趨勢(shì)。

而采用兩級(jí)增壓器時(shí)，竄氣量的變化趨勢(shì)與單級(jí)增壓情況相似，竄氣量的轉(zhuǎn)速特性和負(fù)荷特性與單級(jí)增壓趨勢(shì)相同。

在發(fā)動(dòng)機(jī)相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的條件下，采用兩級(jí)增壓器的竄氣量明顯高于單級(jí)增壓器。在發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)為雙級(jí)增壓器的過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮竄氣量增加的趨勢(shì)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的安全使用和耐久性。