汽油機(jī)可變渦輪增壓器

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1 當(dāng)今汽油機(jī)渦輪增壓器的強(qiáng)化和突破

可變幾何截面渦輪(VGT)增壓器(圖1)可在不同的廢氣質(zhì)量流量和不斷變化的運(yùn)行工況下高效地利用廢氣能量。此類可變渦輪增壓器目前已在柴油機(jī)上得以應(yīng)用，在汽油機(jī)上也為進(jìn)一步降低CO2排放起到了關(guān)鍵作用。但是在汽油機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛的是廢氣放氣閥渦輪增壓器，因?yàn)槠蜋C(jī)的廢氣溫度相對較高，因而可變幾何截面渦輪技術(shù)已在柴油機(jī)領(lǐng)域被證實(shí)可行，但該技術(shù)如要應(yīng)用于汽油機(jī)領(lǐng)域則面臨著更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖1 汽油機(jī)可變渦輪增壓器

為了降低燃油耗和CO2排放，在汽油機(jī)上越來越多地應(yīng)用米勒-阿特金森循環(huán)，因而附帶降低了廢氣溫度，該項(xiàng)趨勢使得在汽油機(jī)上也能采用可變渦輪技術(shù)。為此，德國大陸公司在采用徑向-軸向流動(dòng)(Raax)的高效渦輪增壓器技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出了可變Raax渦輪增壓技術(shù)——Vraax。即使在此類采用可變渦輪技術(shù)的汽油機(jī)渦輪增壓器上，渦輪也僅有非常小的慣性矩，因此該類渦輪增壓器的響應(yīng)特性和機(jī)動(dòng)性得到了明顯的改善。

2 用于增壓的米勒-阿特金森循環(huán)邊界條件

采用進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)的換氣方案通常被用于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因?yàn)橥ㄟ^降低燃燒溫度從而降低爆燃傾向，就能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比，以此提高了部分負(fù)荷時(shí)的效率。另一方面，當(dāng)今汽油機(jī)多采用掃氣換氣，以此提升低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩。隨著歐洲制定的實(shí)際行駛排放(RDE)法規(guī)的實(shí)施，全負(fù)荷時(shí)更多地傾向于放棄掃氣和以小于化學(xué)計(jì)量比的狀態(tài)進(jìn)行燃燒，以此降低燃油耗以及CO和碳?xì)浠衔?HC)排放。這兩種變化對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性和比功率起到了一定的負(fù)面作用。為了補(bǔ)償這兩種負(fù)面影響，需采取附加技術(shù)。

3 采用Vraax技術(shù)的新方式

Vraax渦輪增壓器基于Raax設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)。此類渦輪型式呈現(xiàn)出較小的慣性矩，并對脈沖增壓進(jìn)行優(yōu)化，此外其更適合于低速扭矩范圍，通過較高的增壓壓力以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)特性。此類渦輪的廢氣流量是可進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而未來汽油機(jī)正需要此類可變結(jié)構(gòu)，以便于更充分地利用廢氣總焓降，避免廢氣放氣閥渦輪增壓器所產(chǎn)生的旁通質(zhì)量流量。為此，首先需關(guān)注渦輪較低的角動(dòng)量，主要包括以下幾個(gè)原因，(1)在微量掃氣策略情況下，廢氣是超化學(xué)計(jì)量比的，因而催化轉(zhuǎn)化器中的氮氧化物分布受限，而在采用化學(xué)計(jì)量比廢氣掃氣的情況下，原始顆粒排放會(huì)隨之升高，因此對于未來發(fā)動(dòng)機(jī)而言，將會(huì)逐漸放棄掃氣換氣這種方式。(2)為了有效提升角動(dòng)量，需將渦輪流量設(shè)計(jì)得更小，因此會(huì)使在額定工況下的廢氣背壓升高，這往往會(huì)導(dǎo)致額定工況下低于化學(xué)計(jì)量比的運(yùn)行，從而導(dǎo)致燃油耗和廢氣排放升高。

Vraax渦輪增壓器可變導(dǎo)向葉片的幾何形狀可有效防止這兩種情況出現(xiàn)，同時(shí)不會(huì)惡化角動(dòng)量、瞬態(tài)特性或升功率，并且在低角動(dòng)量時(shí)能減小渦輪流量,以便即使在沒有掃氣和額定功率較低的情況下也能改善響應(yīng)特性。為了減小在化學(xué)計(jì)量比工況下燃燒時(shí)的爆燃傾向，可通過較大的渦輪流量降低廢氣背壓(圖2)。這樣，在負(fù)荷較高時(shí)能顯著減少換氣損失，并且可降低實(shí)際行駛中的燃油耗，特別是在與顆粒捕集器相結(jié)合的情況下可顯示出相關(guān)優(yōu)勢。

圖2 可變導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)對渦輪增壓器流量的影響

4 Vraax可變渦輪增壓器的設(shè)計(jì)策略

柴油機(jī)燃燒室中的殘余廢氣份額相對較高，而汽油機(jī)則因有爆燃風(fēng)險(xiǎn)而必須限制殘余廢氣所占份額。對于可變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而言，用于汽油機(jī)或米勒發(fā)動(dòng)機(jī)的VGT渦輪增壓器在低角動(dòng)量時(shí)導(dǎo)向葉片通道不要關(guān)閉得過小(圖3)，在此將流量調(diào)節(jié)到小于最大流量約50%的導(dǎo)向葉片關(guān)閉角后，并未起到顯著效果。對于該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，首先需要對大于最大流量50%的導(dǎo)向葉片開啟位置進(jìn)行效率優(yōu)化。適應(yīng)性調(diào)整使得渦輪可針對額定功率效率進(jìn)行優(yōu)化，從而降低渦輪進(jìn)口溫度和進(jìn)口壓力。通過修改設(shè)計(jì)參數(shù)，可使其高效率區(qū)向高流量端移動(dòng)，在低角動(dòng)量范圍內(nèi)達(dá)到相似的效率水平，而在額定功率范圍內(nèi)用于汽油機(jī)的VGT渦輪增壓器提升了約4%的效率(圖4)。

圖3 汽油機(jī)和柴油機(jī)VGT增壓器的運(yùn)行范圍

圖4 額定功率時(shí)的Vraas增壓器的效率優(yōu)勢

為了促使高效率區(qū)逐漸向高流量區(qū)遷移，汽油機(jī)專用可變渦輪的導(dǎo)向葉片幾何形狀應(yīng)與其開啟位置時(shí)的運(yùn)行條件相匹配。為了說明兩者之間的差異，圖5示出了汽油機(jī)和柴油機(jī)專用的導(dǎo)向葉片幾何形狀及其在渦輪壓比π=3情況下在導(dǎo)向噴嘴環(huán)中所獲得的馬赫數(shù)分布的比較。需要關(guān)注的是，在葉片開啟位置范圍內(nèi)流動(dòng)速度較小的時(shí)候流動(dòng)角度的變化以及所需要提高的最大流量參數(shù)。出于該原因，首先要縮短專用導(dǎo)向葉片的弦長，以便可以擴(kuò)大葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何范圍，此外進(jìn)口棱角以及進(jìn)氣側(cè)和壓力側(cè)的輪廓要與開啟的導(dǎo)向葉片位置相匹配，以便在上述運(yùn)行范圍內(nèi)達(dá)到最佳的工作效率。

圖5 專門為柴油機(jī)和汽油機(jī)設(shè)計(jì)的導(dǎo)向葉片幾何形狀及其所獲得的馬赫數(shù)分布的比較

5 可變渦輪技術(shù)的機(jī)械學(xué)和驗(yàn)證

圖6所示的Vraax渦輪增壓器的可變噴嘴環(huán)由導(dǎo)向葉片環(huán)、蓋板、調(diào)節(jié)環(huán)、調(diào)節(jié)桿和導(dǎo)向葉片組成。調(diào)節(jié)桿由燒結(jié)材料制成的導(dǎo)向銷進(jìn)行徑向支承，而調(diào)節(jié)環(huán)則是直接支承在導(dǎo)向葉片環(huán)上的，因而接觸部位的磨損非常小，并具有良好的聲學(xué)特性，同時(shí)其增壓壓力的滯后期較短。為了可靠地實(shí)現(xiàn)上文所述的功能，借助于有限元法(FEM)優(yōu)化VGT設(shè)計(jì)，再通過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和燃燒室試驗(yàn)予以確認(rèn)。

圖6 Vraas渦輪增壓器可變噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)的零件分解圖

對于發(fā)動(dòng)機(jī)控制和標(biāo)定過程而言，滯后特性是較為重要的，因?yàn)槠溆绊懙皆鰤簤毫Φ恼{(diào)節(jié)。在該背景條件下，導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)使其可在每個(gè)位置都能在極短時(shí)間內(nèi)被按時(shí)開啟，以此由于增壓壓力滯后較小，從而改善了調(diào)節(jié)特性，同時(shí)由于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而使得噪聲和磨損都很小。圖7示出了各種不同Vraax可變渦輪增壓器樣機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上測得的增壓壓力滯后現(xiàn)象及其與當(dāng)前量產(chǎn)柴油機(jī)VGT的比較。在IAVF發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司統(tǒng)計(jì)的分布帶中，前者在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)具有較短的增壓壓力滯后期。

圖7 在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上測得的Vraas可變渦輪增壓器樣機(jī)的增壓壓力滯后及其與量產(chǎn)柴油機(jī)VGT的比較

為了評估可變噴嘴環(huán)內(nèi)部接觸部位的磨損狀況，應(yīng)用了基于放射性同位素方法的在線測量系統(tǒng)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以觀測到燒結(jié)導(dǎo)向銷和調(diào)節(jié)環(huán)等相對重要部位的運(yùn)轉(zhuǎn)表面與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)有關(guān)的磨損狀況，而且可根據(jù)測定的磨損量評估其磨損速度。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中曾施加各種不同的負(fù)荷譜，除了靜態(tài)負(fù)荷狀況之外，還采集和分析了動(dòng)態(tài)負(fù)荷狀況，已根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面優(yōu)化，并再輔以進(jìn)一步的耐久性分析，最終獲得了非?？煽康脑O(shè)計(jì)方案。

6 最佳增壓

實(shí)際行駛排放(RDE)法規(guī)限定的更為嚴(yán)厲的廢氣排放要求也提高了對汽油機(jī)專用渦輪增壓器的要求：因未來將取消掃氣空氣，獲取較低的角動(dòng)量將變得更為困難，與之相反，額定功率范圍內(nèi)又不得不降低排氣背壓。這兩種目標(biāo)設(shè)定能夠采用可變導(dǎo)向葉片與米勒-阿特金森循環(huán)相結(jié)合，使其達(dá)到最佳效果。

在開發(fā)新型Vraax可變渦輪增壓器時(shí)非常重視可靠性和可調(diào)節(jié)性，尤其是效率特性。采用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)，還可借助于計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)進(jìn)行優(yōu)化。Vraax可變渦輪技術(shù)使良好的熱力學(xué)與較高的可靠性相結(jié)合，這可在其機(jī)械性能領(lǐng)域得以反饋，尤其改善了增壓壓力滯后現(xiàn)象和磨損狀況。Vraax增壓壓力滯后狀況與競爭產(chǎn)品的對比，可在IAVF發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司統(tǒng)計(jì)的分布帶中顯示出非常良好的結(jié)果。

德國大陸公司在熱力學(xué)要求方面針對用戶提出的要求對渦輪進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化，并專門針對汽油機(jī)的效率提升而繼續(xù)開展研發(fā)進(jìn)程。