汽油機渦輪增壓器竄氣量影響因素的研究

呂生亮 章成 于士博 謝廣春 陳昱錦

摘 要：通過分析現(xiàn)存幾種增壓器竄氣的測量方法，在此基礎(chǔ)上建立和完善一套汽油機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法，并在某渦輪增壓汽油機上研究了渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、進油溫度、進油壓力對竄氣量的影響，分析了發(fā)動機萬有特性下增壓器竄氣量的變化和分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;竄氣量;臺架試驗;汽油機

Abstract： Through the analysis of several existing turbocharger gas channeling measurement， on the basis of establishing and perfecting a set of gasoline engine turbocharger gas channeling test bench measure method. Studied with the pressure before turbine， pressure after turbine， the pressure before charge air cooler， inlet oil temperature， inlet oil pressure influence on gas channeling， analyzes the characteristics of engine has the changes and distribution of supercharger gas channeling.

Keywords： Turbocharger; Channeling gas; Bench test; gasoline engine

前言

2016 年國家環(huán)境保護、國家質(zhì)檢總局兩部聯(lián)合發(fā)布針對《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》。相比國五限值要求，國六a階段CO排放限值降低30%，國六b階段NMHC排放限值降低50% [1]。另外GB 19578-2014《乘用車燃料消耗限值》中對乘用車的油耗限值從第三階段到第四階段單車準(zhǔn)入油耗6.9L/100km下降到5L/100km，降幅達到28%[2]。節(jié)能減排已經(jīng)成為關(guān)系到國計民生的重大課題。

目前增壓器作為關(guān)鍵零部件應(yīng)用于車用發(fā)動機上，并且采用渦輪增壓技術(shù)研發(fā)的汽油機小型化趨勢越來越明顯[3]。渦輪增壓器可以將排氣能量能用于壓縮新鮮空氣，使發(fā)動機輸出更大的動力，對提高發(fā)動機功率[4]，降低整車排放起到非常重要的作用[5]。主要有以下優(yōu)勢：

（1）提高發(fā)動機升功率，使發(fā)動機尺寸小型化。

（2）更低的整車油耗和排放特性。

（3）高原環(huán)境彌補缸內(nèi)進氣不足，進行功率補償。

汽油機渦輪增壓器工作時轉(zhuǎn)速較高，最高可達250000r/ min，最高增壓壓比在2.8左右，渦端入口最高承受排氣溫度可達980℃，同時受到各缸排氣高頻脈沖沖擊，在高溫高壓高脈沖高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境中工作。增壓器竄氣量過大會造成機油氧化、氣蝕、變質(zhì)，與活塞漏氣量成為曲軸箱污染物的主要來源，容易造成曲軸箱污染物流量過大，導(dǎo)致油氣分離效果不佳，機油攜帶量過大，發(fā)動機增壓器及進氣系統(tǒng)結(jié)焦等一系列問題。增壓器竄氣已經(jīng)成為評價增壓器開發(fā)成功與否的重要指標(biāo)[6]，因此非常有必要研究增壓器竄氣量的相關(guān)影響因素。通過分析存在的三種增壓器竄氣量測量方法優(yōu)缺點，完善發(fā)動機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法，研究了發(fā)動機整機條件對增壓器竄氣量的影響因素，為進一步改善提高發(fā)動機整機設(shè)計匹配和優(yōu)化完善發(fā)動機綜合表現(xiàn)提供方向。

1 模型的建立

1.1 增壓器竄氣原理

增壓器轉(zhuǎn)子兩側(cè)采用密封環(huán)與轉(zhuǎn)子配合共同形成密封作用。如果密封環(huán)密封效果較差，當(dāng)密封環(huán)內(nèi)側(cè)油壓大于環(huán)外側(cè)氣壓時則容易出現(xiàn)增壓器漏油，導(dǎo)致發(fā)動機燒機油;當(dāng)環(huán)外側(cè)氣壓大于環(huán)內(nèi)側(cè)油壓，則容易導(dǎo)致兩側(cè)高壓氣體通過縫隙滲入增壓器潤滑油路與機油混合進入曲軸箱形成增壓器竄氣，如圖1所示。

1.2 存在的測試方法

1.2.1 油道保壓測試

在增壓器靜態(tài)條件下，封堵增壓器潤滑進、回油道，通過一側(cè)油道向增壓器潤滑系統(tǒng)加入適當(dāng)壓力的壓縮空氣，氣體會通過間隙滲漏，通過一定時間內(nèi)氣體壓力和流量的變化計算出漏氣量。但該方法無法模擬增壓器實際工作狀態(tài)，氣體走向與增壓器工作中氣體走向相反，整機參考意義不高。

1.2.2 增壓器單體臺架

將增壓器安裝至增壓器單體測試臺架，增壓器潤滑采用外置供油，試驗時將一定溫度壓力的氣體從增壓器渦輪機入口通入，使增壓器運轉(zhuǎn)，增壓器若存在竄氣則會與潤滑油一同回流，通過回流機油內(nèi)氣體體積的變化測量出增壓器的竄氣量。該方法實現(xiàn)了增壓器運轉(zhuǎn)，竄氣量氣體走向與實際工作一致，但是增壓器在發(fā)動機整機工作時受到高頻的排氣脈沖沖擊驅(qū)動，同時渦輪機出口存在排氣阻力，因此該方法僅具有一定增壓器單品試驗參考意義，但與發(fā)動機整機增壓器工作狀態(tài)存在較大差異。

1.2.3 汽油機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法

已知在柴油機整機上有測量增壓器竄氣量的試驗方法[7]，但無汽油機整機增壓器竄氣量相關(guān)的測試應(yīng)用，為進一步研究各個因素對小排量汽油機增壓器竄氣量的影響，本文搭建汽油機整機增壓器竄氣量試驗臺架并制定試驗方法，試驗測試原理如圖2所示：

（1）將發(fā)動機和增壓器間潤滑油路斷開，增壓器采用外置油泵與油氣分離箱為增壓器供油和儲油;

（2）油氣分離箱內(nèi)置油氣分離板可以將增壓器回油中的竄氣和機油分離，油氣分離后的增壓器竄氣通過管路引導(dǎo)至發(fā)動機曲軸箱，管路上布置流量計，測量穩(wěn)定狀態(tài)增壓器竄氣量;

（3）儲油箱內(nèi)布置機油油溫控制裝置調(diào)節(jié)機油溫度，外置油泵采用變頻機油泵并在管路上設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥用于控制增壓器進油壓力;

這樣該套系統(tǒng)可以實現(xiàn)增壓器在發(fā)動機整機上真實運行，同時可以實現(xiàn)各研究因素的可變控制。

1.3 試驗資源及試驗方法

1.3.1 試驗資源

試驗采用汽油機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法，需要使用臺架進行發(fā)動機工況試驗控制和數(shù)據(jù)采集，發(fā)動機增壓器渦輪機側(cè)排氣背壓（渦后壓力）可通過節(jié)流閥進行手動控制，增壓器相關(guān)數(shù)據(jù)布點采集如圖1、圖2，試驗中研究機型為某小排量增壓汽油機，相關(guān)參數(shù)如表1：

試驗采用燃料為市售92#汽油，密度（20℃）：739.9kg/m3，辛烷值（研究法）：92.8，燃料凈熱值10100cal/g。

試驗采用機油為SN 0W-20汽油機油，密度844.8kg/m3， 100℃運動粘度8.229mm2/s，粘度指數(shù)261，開口閃點226℃。

試驗過程中，由外置油泵控制系統(tǒng)控制增壓器進油溫度和壓力，同時采用INCA軟件來收集發(fā)動機ECU內(nèi)的參數(shù)變化。

1.3.2 試驗方法

測試前先將油氣分離箱內(nèi)機油預(yù)熱至80℃以上，開啟外置機油泵調(diào)節(jié)機油壓力至300～350kPa。啟動發(fā)動機熱機至出水溫度86-90℃，然后將發(fā)動機運行至目標(biāo)工況，除試驗對比需求外應(yīng)調(diào)節(jié)增壓器供油溫度及壓力保持與發(fā)動機主油道機油溫度壓力一致，所有參數(shù)穩(wěn)定5min后開始測量。除試驗特殊要求外，測試項目應(yīng)嚴格遵守GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》[8]和GB/T 19055-2003《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》國家規(guī)范[9]。研究因素和進行試驗測試如下：

（1）發(fā)動機外特性增壓器竄氣量變化規(guī)律;

（2）曲軸箱壓力對增壓器竄氣量的影響;

（3）不同排氣背壓對增壓器竄氣量的影響;

（4）不同機油溫度對增壓器竄氣量的影響;

（5）不同機油壓力對增壓器竄氣量的影響;

（6）發(fā)動機萬有特性增壓器竄氣量的變化規(guī)律。

試驗完成后，發(fā)動機降至1200r/min、20%負荷工況運行，增壓器進油壓力保持在300～350 kPa，降低油氣分離箱內(nèi)機油溫度，待發(fā)動機機油及油氣分離箱冷卻至90℃以下，先停止發(fā)動機再關(guān)停增壓器外置油泵。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動機外特性增壓器竄氣量

在某小排量汽油機的外特性工況進行增壓器竄氣量測試，測試數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖中可知，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，發(fā)動機功率和排氣脈沖沖擊頻率升高，增壓器渦輪機的渦前壓力、渦后壓力和壓氣機側(cè)的中冷前壓不斷升高，密封環(huán)兩側(cè)承受氣體壓力升高，使氣體更容易通過密封環(huán)進入增壓器油道形成增壓器竄氣。因此隨著發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)速的升高，增壓器竄氣量相應(yīng)增大并在發(fā)動機額定功率點達到最大值。

2.2 曲軸箱壓力對發(fā)動機增壓器竄氣量的影響

在外特性工況點將流量計出口接大氣進行增壓器竄氣量測試并與正常連接曲軸箱進行對比，如圖4所示。由圖可知，當(dāng)流量計出口接至大氣，儲油箱內(nèi)穩(wěn)定壓力與大氣壓力相近，基本不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷變化影響，增壓器回油中的竄氣實現(xiàn)油氣分離條件穩(wěn)定，主要受到增壓器兩側(cè)氣體壓力影響。當(dāng)流量計出口接至發(fā)動機曲軸箱后，相同工況點增壓器竄氣量變大，此時曲軸箱壓力受發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷影響，并且隨轉(zhuǎn)速升高逐漸變?yōu)樨搲海欣谝堰M入潤滑油路的增壓器竄氣與油氣分離。因此，發(fā)動機在相同條件下曲軸箱壓力越小，越有利于增壓器竄氣量形成。

2.3 不同排氣背壓下發(fā)動機增壓器竄氣量

在不同排氣背壓（渦后壓力）條件下，選取80%負荷外特性特征點進行增壓器竄氣量測試并對比，如圖5所示。由圖可知，在相同工況點減小排氣背壓增壓器竄氣量變小，發(fā)動機排氣背壓減小后排氣更為順暢，泵氣損失減少，增壓器的渦前壓力相應(yīng)降低，渦輪機密封環(huán)外側(cè)承受氣體壓力減小，密封環(huán)內(nèi)外壓差減小，氣體通過密封環(huán)進入增壓器油路的勢能降低，增壓器竄氣量相對減小。因此在相同條件，發(fā)動機排氣背壓越低，越有利于減小增壓器竄氣量。

2.4 不同機油溫度下發(fā)動機增壓器竄氣量

在不同增壓器進油溫度條件下，選取80%負荷外特性特征點進行增壓器竄氣量測試并對比，如圖6所示。由圖可知，在相同工況點不同機油溫度下的增壓器竄氣量有差異。相同工況點竄氣量大?。簷C油溫度110℃>機油溫度90℃>機油溫度60℃。根據(jù)機油粘度與溫度關(guān)系，隨著溫度升高，機油粘度降低[10]，流動性和可侵入性更強，高溫高壓氣體更容易通過密封環(huán)進入機油形成增壓器竄氣;相反的，機油溫度越低，機油的粘度會越高，流動性和可侵入性降低，機油可視為對氣體密封環(huán)的密封性進行補充，外界氣體更不容易進入增壓器潤滑油路，另外機油溫度升高，相同溫差條件下粘度變化減小，對應(yīng)工況點的增壓器竄氣量變化也減小。因此在相同條件下，機油溫度越低越有利于減小增壓器竄氣量。

2.5 不同機油壓力下發(fā)動機增壓器竄氣量

在不同增壓器進油壓力條件下，選取80%負荷外特性特征點進行增壓器竄氣量測試并對比，如圖7所示。由圖可知，相同工況點進油壓力為250kPa的增壓器竄氣量數(shù)值大于進油壓力為350kPa的增壓器竄氣量，當(dāng)增壓器潤滑油路內(nèi)機油壓力升高時，密封環(huán)內(nèi)外側(cè)壓力差減小，氣體不容易通過氣體密封化進入增壓器內(nèi)部潤滑油道形成竄氣;相反的，進油壓力越小增壓器竄氣量越大。因此在相同條件下，更高的增壓器進油壓力有利于減小增壓器竄氣量。

2.6 發(fā)動機萬有特性增壓器竄氣量

在某小排量汽油機上進行萬有特性的增壓器竄氣量測試，如圖8所示。從圖可知該小排量增壓汽油機的增壓器竄氣量呈現(xiàn)以下規(guī)律：

8? 發(fā)動機萬有特性增壓器竄氣量MAP圖

低負荷由于發(fā)動機需要的進氣量相對較少，增壓器并未介入工作，為發(fā)動機減少泵氣損失，曲軸箱內(nèi)廢氣直接流向進氣歧管，缸內(nèi)燃燒排氣直接通過增壓器廢氣旁通閥泄壓，因此基本無增壓器竄氣量。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷升高，增壓器逐步介入，增壓器渦前壓力、中冷前壓建立并且升高，發(fā)動機吸入缸內(nèi)的空氣量逐漸增大，進氣歧管負壓作用使曲軸箱壓力逐步減小，因此增壓器竄氣量逐漸變大。但當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷繼續(xù)增大到一定程度，熱負荷增大，機油溫度升高，發(fā)動機機油壓力由低壓轉(zhuǎn)入高壓模式，另外因為增壓壓力升高和節(jié)氣門開度增大，進氣歧管壓力由負壓轉(zhuǎn)為正壓，為避免氣體倒灌入曲軸箱，曲軸箱氣體改變流通路徑流向空濾后，該情況導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)壓力突然升高，因為機油壓力及曲軸箱壓力的雙重突變作用，增壓器竄氣量出現(xiàn)一個階躍性降低，在萬有特性中形成溝壑。隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷繼續(xù)升高，曲軸箱壓力持續(xù)降低，增壓器兩側(cè)壓力、機油溫度在發(fā)動機額定點附近達到最大值，增壓器竄氣量也跟隨性的升高，到額定點附近達到最大竄氣量。

由以上可知，發(fā)動機萬有特性增壓器竄氣量分布規(guī)律是由增壓器渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、機油溫度、機油壓力和曲軸箱壓力共同影響的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）某汽油機外特性隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，增壓器竄氣量相應(yīng)增大并在發(fā)動機額定功率點達到最大值。

（2）渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、曲軸箱壓力、機油溫度、機油壓力對增壓器竄氣量有明顯影響。

（3）渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、機油溫度越低，曲軸箱壓力、機油壓力越高，越有利于減小增壓器竄氣。

（4）發(fā)動機萬有特性增壓器竄氣量隨轉(zhuǎn)速負荷的增加，增壓器竄氣量跟隨性升高，過程中同時受到曲軸箱壓力、機油壓力階躍性變化的影響出現(xiàn)階躍性降低，隨后繼續(xù)升高并在發(fā)動機額定點附件達到最大竄氣量。增壓器竄氣量萬有特性分布是由渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、機油溫度、機油壓力和曲軸箱壓力共同影響的結(jié)果。

參考文獻

[1] 劉少飛，周萬全.輕型汽油車國六排放法規(guī)解讀[J].時代汽車，2017， （12）：5-7.

[2] 王雪，李飛，蘇天晨等.乘用車企業(yè)平均燃油消耗量及新能源積分評價方法解讀[J].汽車實用技術(shù)，2017，（6）：168-170.

[3] 陳紅.汽油機廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究及發(fā)展前景[J].內(nèi)燃機， 2008，（1）：1-3.

[4] 廖云.472QZ型汽油機用渦輪增壓器設(shè)計與匹配研究[D].中南大學(xué)，2012.

[5] 王樹青.基于渦輪增壓技術(shù)的車用汽油機性能提升及試驗評價[D].湖南大學(xué)，2012.

[6] 蘆成英.可變截面渦輪增壓器（VGT）流場分析[D].大連建通大學(xué)， 2012.

[7] 李繼德.某柴油機渦輪增壓器竄氣量的研究[J].汽車與新動力， 2018，（5）：85-88.

[8] GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[9] GB/T 19055-2003《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[10] 李正好，柴洪磊.機油粘度對機油泵性能影響的研究[J].汽車實用技術(shù)，2018，（14）：57-58.