汽油机涡轮增压器的硬件匹配

余光耀 袁观练 李高坚 王国栋

摘要：本文针对在汽油机上应用越来越广泛的涡轮增压器的匹配进行了探讨。主要介绍了涡轮增压器的主要涉及参数、压气机的匹配、涡轮机的匹配、增压器匹配所需的输入设计参数以及匹配方案合理与否的初步判断等。最终匹配出来的方案是否合理，还需通过发动机台架选型匹配与设计目标的对比来判断。

关键词：涡轮增压器;压气机;涡轮机;台架选型

中图分类号：U464.135                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0001-03

0  引言

随着人们环保意识的提高，世界各地陆续制定了日益严峻的排放与油耗法规。这也倒逼着各车企不断开发车用发动机新技术来满足法规要求。而涡轮增压技术在提升动力性、改善经济性、降低排放、降低排气噪声以及追求发动机小型化等方面有着独特的优势，使其成了当下车用发动机主流技术[1-3]。涡轮增压器能否发挥其优势，与发动机的匹配起着决定性的作用。

1  增压技术

1.1 涡轮增压技术

式（1）是计算发动机功率的简易公式，其中：

P=n·p·V/i  （1）

式中：n=转速;

p=平均有效压力;

V=气缸容积;

i=冲程。

传统的提高发动机功率的方法主要有增加气缸体积和提高发动机转速，增加气缸体积的同时也会增大摩擦，只能在一定范围内使用。而提高发动机转速则面临着对发动机的零部件设计也提出了更高的要求。提高平均有效压力P，可以使得气缸内的充气效率得到很好的提升，进而燃烧更多的燃油，提高发动机的功率。目前提高平均有效压力的方法主要有两种：①增大发动机的压缩比;②增压器增压。汽油机提高气缸压缩比幅度有限，压缩比提高了会加强爆震倾向。而增压器增压由于发动机排量减小、缸数减少、摩擦减小、油耗低等诸多优点，是提高发动机功率的主流方法。

发动机常用的增压技术有两种，机械增压与废气涡轮增压。废气涡轮增压由于在减小发动机体积与摩擦阻力、降低油耗低（通过排气能量驱动）、增压压力连续可控、高原补偿容易等优点而得到广泛应用。图1是废气涡轮增压的发动机工作过程原理图。

1.2 涡轮增压器的主要技术参数

1.2.1 压气机壳/涡轮壳的A/R比值

对于涡轮增压器来说，A/R是表征涡壳流通能力大小的关键参数。其中A表示从涡轮进气口过渡到涡轮中心的截面积（压气机壳体的出气口到压气机中心的截面积），R表示涡轮轴承中心到压气机出气口（或者是涡轮进气口）横截面中心点的距离。对压气机来说，压气机的A/R值对压气机性能的影响很小，增压器硬件匹配时基本是固定下来的。A/R值越大表示具有高流量的倾向。

对涡轮壳来说，一般大A/R比值的涡壳可以扩大流量范围而应用于优化低增压的性能。小A/R比值的涡壳则应用于高增压。A/R比值越小，则废气进入涡轮的流速越快，增加了发动机低速时的涡轮功，导致增压压力上升较快，减小涡轮增压的迟滞效应。但是小A/R比使得廢气流入涡轮时，切向角度更大，涡轮叶轮的最终流量将下降，增大背压，导致发动机高速时吸气能力下降，影响了发动机最大功率。若注重发动机低速扭矩特性和瞬态响应，则应选择小A/R比的涡壳;若更注重发动机高速段的动力输出，则应选择大A/R比的涡壳。因而需要根据发动机的设计目标来进行选择合理的A/R比。

1.2.2 压气机/涡轮的Trim

对于涡轮来说，Trim是表示压气机/涡轮叶轮的流通能力的关键参数（见图2），其定义如式2所示。

其中inducer为压气机/涡壳叶轮进口外径，exducer为压缩机/涡轮叶轮出口直径。当其他参数相同时，Tim值越大，叶轮流量越大，计算公式见式（3）。其中r2，new新的叶轮半径，r2，original为变更前的叶轮半径。对于汽油机来说，常见的压气机Trim在50～60之间，涡轮Trim在70～80之间。

2  涡轮增压器的匹配

2.1 匹配流程

图3所示的是涡轮增压器的匹配流程，从开始到机械强度校核共分为4各阶段5个步骤进行。搜集好发动机设计参数后即可进行发动机所需空气流量的计算;空气流量计算结束后选择压气机参数，确定压气机方案的Trim与A/R比，再按压气机条件修正流量，在压气机流量特性图上标出所需的数据点;选好压气机后，基于涡轮增压器的功率平衡方程计算所需的涡轮参数，再在涡轮机的流量特性曲线上标出所需的数据点。压气机和涡轮机方案选定后还需进行机械强度的校核。

2.2 压气机匹配

压气机的匹配需要根据发动机设计参数需求进行。在发动机排量确定的情况下，主要输入的目标设计参数包括外特性线上的发动机转速对应的扭矩、功率、过量空气系数、容积效率、燃油消耗率、空滤压降、排气背压、压气机前进气温度、涡轮前的排气温度，进气歧管的进气温度等。表1是压气机匹配需要输入的关键设计参数。

然后需要确定与发动机设计工况对应的增压器输出的过渡性参数特性。表1所示的是压气机根据发动机设计工况匹配出来的压气机过渡性参数信息。这些参数特性主要包括中冷温降、压前压力、压前温度、空气流量、压前密度、体积流量、进气歧管压力、压后压力、压后温度、空气流量、压后密度、进气歧管密度、压气机出口温度、压气机作功功率等，如表2所示。

最终根据匹配要求算出压气机对应外特性线上的发动机转速的增压器体积流量、质量流量、压比、压气机效率与压气机的转速等，并在压气机的Map图上画出该发动机外特性工况的效率曲线。图4是根据某款1.5L涡轮增压发动机的参数特性输入进行匹配得出的压气机MAP图。从图4中可看出匹配出来的外特性增压器效率曲线处于压气机比较高效的区域，说明该压气机的匹配是比较合理的。最终压气机的匹配效果需要匹配到发动机后，上台架实测才能得出具体数值。

2.3 涡轮机的匹配

进行涡轮机的匹配前要先确定废气常量、废气比热值、废气绝热指数数、涡轮直径以及涡轮入口直径，然后根据输入的发动机外特性转速结合涡轮效率、废气放气量等变量，根据气体方程计算出涡轮机膨胀比、流量、涡轮机做功功率、涡轮机效率、涡轮入口排气压力，涡轮入口排气温度、涡轮转速等变量值。在涡轮流量特性图上找出该发动机利用到的流量特性，如图5所示。在涡轮效率图上结合发动机工况特性找出该发动机利用的涡轮效率点，如图6所示。当涡端MAP图中外特性运行线恰好穿过等速曲线时，表示匹配合理。

3  结语

汽油机的涡轮增压器的匹配需要输入的设计参数非常多，中间需要进行多次的方案更改，一项复杂而周期长的匹配工程。压气机与涡轮机根据理论选出合理的匹配方案后，还需要上发动机台架机型实际的增压器选型匹配。台架选型匹配可能需要进行多轮多方案的优化，然后根据选型结果与设计目标进行比对后，才能匹配出最优的增压器方案。

参考文献：

[1]李佳琪，等.计及浮环变形的发动机增压器浮环轴承润滑分析[J].内燃机学报，2017，35（3）：280-287.

[2]周锦银.汽车涡轮增压器壳体材料的现状和发展[J].江苏冶金，2006（5）：1-3.

[3]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992：88.