輕便軸承對增壓器機械效率及發(fā)動機加速性能的影響

李偉，李國祥，白書戰(zhàn)，桑梧海，孫金輝，劉瑩，張曉林,3，韓霏,3

1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.康躍科技股份有限公司，山東 壽光 262718；3.機械工業(yè)內(nèi)燃機增壓系統(tǒng)重點實驗室，山東 壽光 262718

0 引言

近年來，隨著對發(fā)動機低速扭矩特性要求的不斷提高，改善機械效率及加速性能成為增壓器的研究重點。周光猛等[1]研究發(fā)現(xiàn)輔助增壓、輕便渦輪技術(shù)、新的潤滑方式和軸承技術(shù)是改善渦輪增壓發(fā)動機低速扭矩特性及加速性能的有效措施。江光訊等[2]認為廢氣旁通型渦輪增壓器和可變截面渦輪增壓器是改善發(fā)動機低速扭矩特性及加速性能的實用措施。王銀鳳等[3-4]對增壓器軸承系統(tǒng)機械效率測試研究發(fā)現(xiàn)：隨著增壓器轉(zhuǎn)速上升，軸承系統(tǒng)摩擦耗功逐漸增大；采用全輪盤渦輪可以減小轉(zhuǎn)子軸向力，獲得更高的機械效率；通過軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，可以降低機械摩擦損失，提高機械效率。周成堯等[5]研究發(fā)現(xiàn)，增壓器采用輕便軸承系統(tǒng)，可以減少摩擦耗功，有利于提升發(fā)動機低速扭矩。和法貴等[6]研究發(fā)現(xiàn)，通過止推軸承優(yōu)化設(shè)計，可以減少摩擦耗功、提升機械效率。劉大誠等[7]研發(fā)發(fā)現(xiàn)，采用球軸承技術(shù)，可以改善增壓器瞬態(tài)加速性能。夏英子等[8]研究發(fā)現(xiàn)，減小壓氣機葉輪直徑可以提升發(fā)動機低速扭矩及加速性能。李慶斌等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在壓氣機殼和渦輪殼表面制備涂層，能夠提升壓氣機和渦輪機效率，從而改善發(fā)動機低速扭矩和經(jīng)濟性。韓冀寧等[10]研究發(fā)現(xiàn)，電動復(fù)合增壓系統(tǒng)(electric compound supercharging system,ETC)可以提升發(fā)動機低速時的增壓壓力，低速時油耗能夠降低3 g/(kW·h)，有利于提升加速性能。王琦瑋等[11]研究發(fā)現(xiàn)，適當增加增壓器彈簧剛度可以縮短發(fā)動機響應(yīng)時間并增大扭矩，增大彈簧預(yù)緊力能夠延長發(fā)動機的響應(yīng)時間,但提高了發(fā)動機扭矩，合理的系統(tǒng)阻尼有利于發(fā)動機在瞬態(tài)過程中的快速穩(wěn)定。姚春德[12-13]、張釗[14]等研究發(fā)現(xiàn)，電動增壓器是改善發(fā)動機低速扭矩及加速性能的可行方案。楊建軍等[15]研究發(fā)現(xiàn)，電動增壓器可以改善公交車用柴油機低速煙度及低速扭矩。羅程[16]等在某重卡用發(fā)動機上試驗研究發(fā)現(xiàn)，增壓器使用輕便軸承系統(tǒng)后，發(fā)動機最低油耗轉(zhuǎn)速由1300 r/min降低到1100 r/min，而且油耗降低了3 g/(kW·h)。Katrasnik等[17]研究發(fā)現(xiàn)，電輔助增壓器能夠明顯改善增壓器的動態(tài)響應(yīng)特性。Deligant等[18]設(shè)計了一種測量渦輪增壓器機械效率的試驗方法，采用軸向磁力裝置，改變推力軸承載荷，分析其對摩擦損失的影響；研究發(fā)現(xiàn)推力軸承對整體摩擦損失貢獻大，并且摩擦損失貢獻隨增壓器轉(zhuǎn)速增加而增大。Lee等[19]研究發(fā)現(xiàn)，渦輪轉(zhuǎn)子是機械損失的主要因素，嚴重影響增壓器的效率和性能；摩擦損失主要是由浮動軸承造成，摩擦損失與增壓器轉(zhuǎn)速呈拋物線函數(shù)關(guān)系。坂上[20]針對浮動軸承和推力軸承的摩擦損失分別建立數(shù)學模型，仿真計算顯示浮動軸承的摩擦功大于推力軸承。Perge等[21]認為軸承摩擦損失主要影響增壓器的低速性能，研究了推力軸承的特性及其對總摩擦損失的貢獻。Jin等[22]設(shè)計了一款測量裝置測試乘用車用渦輪增壓器低速時的機械效率，研究發(fā)現(xiàn)當增壓器轉(zhuǎn)速增加時，摩擦功率損失呈指數(shù)增加。陸剛[23]研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料和纖維強化樹脂能代替耐熱合金和鋁合金,可達到輕便軸承系統(tǒng)的目的；陶瓷材料質(zhì)量輕、耐熱性好、密度小,使用陶瓷材料制造的渦輪能耐高溫、轉(zhuǎn)動慣量小、易于加速,可以提高發(fā)動機的加速性能。趙俊生等[24]通過降低渦輪質(zhì)量設(shè)計實現(xiàn)輕便軸承系統(tǒng)，渦輪質(zhì)量減少6.9%，不僅節(jié)省了材料,同時增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配進一步趨于合理,有助于提高增壓器軸承系統(tǒng)的機械效率和可靠性。軸承系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量是影響機械效率的關(guān)鍵因素，本文中研究輕便軸承系統(tǒng)對機械效率及發(fā)動機加速性能的影響。

1 軸承系統(tǒng)對比分析

以某四缸柴油發(fā)動機用增壓器為研究對象，該款增壓器葉輪出口直徑為56.5 mm，渦輪進口直徑為52.7 mm。軸承系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件包含渦輪轉(zhuǎn)子、止推套、軸封、葉輪和鎖緊螺母，通過鎖緊螺母施加合適力矩緊固旋轉(zhuǎn)部件。原軸承系統(tǒng)(以下簡稱原軸系)及輕便軸承系統(tǒng)(以下簡稱輕便軸系)的葉輪和渦輪毛坯相同，通過減小轉(zhuǎn)子軸徑等輕量化設(shè)計方法降低其質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量。原軸系及輕便軸系主要參數(shù)對比如表1所示。由表1可知，與原軸系相比，輕便軸系旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量降低9%、轉(zhuǎn)動慣量降低14.5%。

表1 原軸系及輕便軸系主要參數(shù)對比

2 測試方法

2.1 機械效率

增壓器渦輪功一部分用于驅(qū)動壓氣機做功，另一部分用于克服軸承系統(tǒng)摩擦損失。軸承系統(tǒng)摩擦損失可用潤滑油帶走的熱量來計算。

軸承摩擦損失功率

Pmech=Cp,oilqmoil(Toil,out-Toil,in)，

式中：Cp,oil為潤滑油定壓比熱容，J/(kg·K)；qmoil為潤滑油質(zhì)量流量，kg/s；Toil,out為潤滑油回油溫度，K；Toil,in為潤滑油進油溫度，K。

壓氣機功率

Pc=Cp,cmc(T2-T1)，

式中：Cp,c為壓氣機定壓比熱容，J/(kg·K)；mc為壓氣機質(zhì)量流量，kg/s；T2為壓氣機出口溫度，K；T1為壓氣機進口溫度，K。

軸承系統(tǒng)機械效率

式中：Pt為渦輪功率，W。

機械效率測試在機械工業(yè)內(nèi)燃機增壓系統(tǒng)重點實驗室進行。原軸系及輕便軸系采用相同壓氣機殼和渦輪殼，葉輪及渦輪采用同一批次毛坯加工，減少鑄造及加工偏差；測試在同一天完成，減少環(huán)境影響；測試工程師為同一人，減少過程操作影響；采用同一套傳感器，傳感器的位置保持不變。潤滑油進油及回油溫度測量位置分別在增壓器中間殼進油口以下5 mm及距離中間殼回油口50 mm處，潤滑油進油及回油溫度測量位置如圖1所示。利用燃燒室排出的廢氣驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動同軸的壓氣機旋轉(zhuǎn)，試驗過程通過燃燒室系統(tǒng)控制廢氣溫度為(600±10)℃，保持測試邊界一致性。潤滑油溫度、壓力控制及測量的準確程度直接關(guān)系到機械效率的準確性，采用相同的潤滑油溫度及壓力控制系統(tǒng)，控制潤滑油進油溫度為(70±2)℃，潤滑油壓力為(350±5)kPa。為驗證軸系調(diào)整對不同增壓器轉(zhuǎn)速的影響，選擇轉(zhuǎn)速分別為60 000、80 000、100 000、140 000 r/min進行測試,60 000 r/min和80 000 r/min對應(yīng)增壓器低轉(zhuǎn)速，100 000 r/min對應(yīng)中轉(zhuǎn)速，140 000 r/min對應(yīng)高轉(zhuǎn)速，增壓器主要參數(shù)、測量設(shè)備精度如表2所示。

a)進油溫度測量位置 b)回油溫度測量位置圖1 潤滑油進油及回油溫度測量位置

表2 增壓器主要參數(shù)、測量設(shè)備及測量精度

2.2 發(fā)動機加速性能

在某四缸電控共軌柴油發(fā)動機上進行加速性能試驗，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

試驗在250 kW電力測功機發(fā)動機臺架上進行，發(fā)動機主要性能參數(shù)及試驗用主要儀表精度見表4。

表4 發(fā)動機主要性能參數(shù)及測量設(shè)備和精度

為保證試驗的可對比性，在同一天由同一測試工程師進行試驗，減少環(huán)境及操作誤差。加速性能試驗開始前，發(fā)動機首先在450 N·m、1500 r/min工況運行1 h進行熱車。

2.2.1 發(fā)動機帶載加速試驗

熱車結(jié)束后，將扭矩降低到50 N·m、轉(zhuǎn)速調(diào)整為700 r/min工況，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)15 min，控制發(fā)動機進水溫度為(45±3)℃，潤滑油進油溫度為(80±3)℃，潤滑油壓力為(260±6)kPa，發(fā)動機各指標符合要求后，采用程控轉(zhuǎn)速/油門模式，油門直接到100%，扭矩穩(wěn)定1 min，連續(xù)測量3次。系統(tǒng)每20 ms自動采集一次數(shù)據(jù)，記錄到達額定工況的時間。

2.2.2 發(fā)動機自由加速試驗

發(fā)動機熱車結(jié)束后，降低到怠速工況，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)15 min，控制發(fā)動機進水溫度為(40±3)℃，潤滑油進油溫度為(75±3)℃，潤滑油壓力為(200±6)kPa，發(fā)動機各指標符合要求后，采用程控轉(zhuǎn)速/油門模式，油門直接到100%，扭矩穩(wěn)定1 min，連續(xù)測量3次。系統(tǒng)每20 ms自動采集一次數(shù)據(jù)，記錄到達額定工況的時間。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 機械效率

渦輪增壓器不同轉(zhuǎn)速下原軸系和輕便軸系機械效率對比如圖2所示。

圖2 渦輪增壓器不同轉(zhuǎn)速下原軸系和輕便軸系機械效率對比

由圖2可知：轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時，輕便軸系的增壓器的機械效率比原軸系高6.29%～8.08%，80 000 r/min時高2.73%～3.63%，100 000 r/min時高0.28%～1.91%，140 000 r/min時基本持平。60 000 r/min和80 000 r/min是輕便軸系機械效率改善最明顯的轉(zhuǎn)速。

渦輪增壓器不同轉(zhuǎn)速下原軸系和輕便軸系摩擦功占比(摩擦功/渦輪功)分析如圖3所示。

圖3 渦輪增壓器不同轉(zhuǎn)速下原軸系和輕便軸系摩擦功占比分析

由圖3可知：輕便軸系在增壓器轉(zhuǎn)速為60 000 r/min和80 000 r/min時，摩擦功占比為11%～35%，摩擦功占比較大，可見輕便軸系機械效率改善明顯；140 000 r/min時摩擦功占比為6%～11%，摩擦功占比較小，輕便軸系與原軸系機械效率基本持平，不再有優(yōu)勢。這是由于渦輪功相同時，輕便軸系摩擦功較小，可以輸出更多的壓氣機功，機械效率高。

渦輪增壓器不同轉(zhuǎn)速下原軸系和輕便軸系潤滑油質(zhì)量流量對比如圖4所示。

圖4 渦輪增壓器不同轉(zhuǎn)速下原軸系和輕便軸系潤滑油質(zhì)量流量對比

由圖4可知，潤滑油質(zhì)量流量隨增壓器轉(zhuǎn)速增加而增大，轉(zhuǎn)速、潤滑油壓力及溫度相同時，潤滑油質(zhì)量流量基本不變；原軸系140 000 r/min時潤滑油最大質(zhì)量流量為16.4 g/s，輕便軸系為10.5 g/s；與原軸系相比，輕便軸系在增壓器轉(zhuǎn)速為60 000～140 000 r/min時潤滑油質(zhì)量流量減少37.44%～46.75%。

3.2 發(fā)動機加速性能

3.2.1 發(fā)動機帶載加速試驗

原軸系和輕便軸系發(fā)動機帶載加速試驗對比如表5所示。由表5可知，原軸系3次帶載自由加速試驗平均時間為4.53 s,輕便軸系為4.18 s,輕便軸系加速時間減少7.7%。

表5 原軸系和輕便軸系發(fā)動機帶載加速試驗 s

3.2.2 發(fā)動機自由加速試驗

原軸系和輕便軸系發(fā)動機帶載自由加速試驗對比如表6所示。由表6可知，原軸系3次自由加速試驗平均時間為5.05 s,輕便軸系為4.46 s,輕便軸系加速時間減少11.7%。

表6 原軸系和輕便軸系發(fā)動機自由加速試驗 s

4 結(jié)論

1)增壓器轉(zhuǎn)速為60 000～80 000 r/min時，輕便軸系機械效率提高了2.73%～8.08%，有利于提升發(fā)動機低速扭矩。

2)增壓器轉(zhuǎn)速為60 000～140 000 r/min時，輕便軸系潤滑油質(zhì)量流量減少37.44%～46.75%，提升了增壓器密封性能。

3)由扭矩為50 N·m、轉(zhuǎn)速為700 r/min工況到額定工況的發(fā)動機帶載加速試驗，輕便軸系加速時間減少7.7%；由怠速到額定工況的發(fā)動機自由加速試驗，輕便軸系加速時間減少11.7%；有利于改善發(fā)動機的瞬態(tài)排放。

輕便軸承系統(tǒng)可有效改善渦輪增壓器低轉(zhuǎn)速機械效率、發(fā)動機低速扭矩及加速性能，是渦輪增壓器的發(fā)展方向。