某款发动机涡轮增压器选型与匹配

程勉宏 王文竹 付 强

（沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

0 引言

涡轮增压器技术是提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效手段。增压发动机在减小排量的情况下通过提升进气压力能够使相同排量的发动机动力性能提升，同时增压发动机的燃油经济性与自然吸气的发动机相比有所提升。根据整车车型动力性、经济性的目标要求，该文设计开发了节能高效的涡轮增压发动机。

1 发动机匹配目标的确定

影响增压发动机性能的设计开发内容包括控制系统的标定、进气歧管总成及排气歧管总成的走向、整车进气系统压降和排气系统背压等，但是涡轮增压器的匹配是否优良是最为关键的[1]。涡轮增压器的匹配结果直接影响燃油经济性和发动机的动力性能（功率、扭矩）。增压器的匹配内容主要包括方案匹配和性能匹配。

1.1 发动机设计目标

1.1.1 发动机设计目标参数确定

根据整车目标的确定，要求发动机有很好的低速扭矩和中速中负荷的燃油经济性[2]。具体设计开发的技术目标参数见表1。

1.1.2 确定压缩比

该款发动机为汽油发动机，发动机和涡轮增压器匹配的关键主要避免爆震的产生，所以要控制好发动机排气温度、进气压力、增压器转速范围。由于增压后排温易升高，所以增压发动机的压缩比要比自然吸气发动机的低，保证燃烧稳定性。通过对比研究最后确定为压缩比为9∶1。

1.1.3 确定中冷技术

由于增加发动机提升了进气的压力，导致进气温度的升高，为了保证燃烧的稳定性，必须采用冷却系统将进气温度降下来，同时对发动机的动力性、经济性均有提高，经过研究确定采用空对空中冷器冷却增压后的空气温度。

1.1.4 确定涡轮机的叶片大小

涡轮机的大小直接影响了整车的使用性能，影响发动机随油门提升扭矩的 响应速度，由于小涡轮质量轻，低速响应性较好，但这可能要损失高速段的动力性。通过对于匹配目标的研究确定选择小涡轮增压器进行匹配。

2 涡轮增压器匹配方案确定

2.1 涡轮增压器匹配方案选择

为了保证涡轮增压器匹配的合理性，确定了3款涡轮增压器进行匹配选择，并统一进行编号，具体方案见表2。

表2 涡轮增压器匹配方案

表2中：A代表压气机出风口横截面积；R代表涡轮轴承中心到压气机出风口横截面中心点的距离。对以上3种不同的涡轮增压器增压曲线进行分析，根据分析结果对1和3方案进行仿真模拟[3]。方案1MAP图如图1所示，图中的数据显示压气机流量在可接受的范围内工作。

方案3MAP图如图2所示，图中的数据表明压气机流量明显增大（可以获得更好的动力性）

根据上面数据对比，最终选定方案3为最终匹配方案，这种匹配是最有可能达到匹配目标值的。

2.2 涡轮增压器与发动机的模拟计算

根据开发目标对发动机耗气特性进行预估模拟计算[4]，得到发动机耗气特性与压气机特性匹配如图3所示。图中可以看出发动机耗气特性曲线在增压器的喘振和阻滞区中间的位置，即发动机运行时不会发生喘振和阻滞现象，方案3确定的涡轮增压器符合设计要求。

为了最大限度地满足此款发动机的应用技术要求，最终涡轮增压器主要参数设计见表3。

表3 涡轮增压器主要参数

3 涡轮增压器安装位置匹配

涡轮增压器在发动机上的安装位置对发动机的性能（动力性、经济性）以及可靠性有直接关系。由于整车发动机舱的空间比较紧凑，还必须保证整车总体布置的技术要求。在 具体做布置时，应考虑以下3个方面。1）考虑到增压发动机在整车发舱内的安装空间。如果空间允许，可将涡轮增压器布置在排气管上方或下方，这样有利于缩短排气分管长度。2）考虑到涡轮增压器进气系统的管路直径、管路走向、压力损失、进气温度均要符合设计技术要求，要通过CAE计算满足整车的技术要求，使进气流动顺畅。3）考虑到涡轮增压器的紧固和支撑，支撑支架的模态要满足设计技术要求，防止运转时振动过大产生共振，影响其可靠性。与发动机匹配的涡轮增压器外形图如图4所示。

根据涡轮增压器主要接口尺寸及配合位置进行发动机相关管路设计，详细管路及相关零件布置如图5所示。

4 涡轮增压器正常运行条件设定

与发动机相匹配的涡轮增压器的运行条件很关键，进气系统的流量、压气机的出口压力、出口温度、发动机的进口压力和进口温度都要考虑好。几个参数的相互匹配结果直接影响了发动机气缸内工质的流量、影响涡轮增压器的功耗、影响发动机的动力性和经济性[5]。该机型涡轮增压器运行主要参数分为以下3点。

4.1 压气机许可条件

压气机许可条件有3个。1）压气机的进气温度最低可达-30 ℃。2）压气机的进气压力最低可达53 mbar。3）压气机的出口温度最高可达160 ℃。

4.2 涡轮端许可使用条件

涡轮端许可使用条件有3个。1）涡轮进口端的涡前温度最高可达950 ℃。2）涡轮进口端的涡前绝对压力最高可达4.0 bar。3）涡轮出口端的涡后绝对压力最高可达1.6 bar。

4.3 热力环境要求

热力环境要求有4个。1）涡轮端壳体的最高温度不能高于950 ℃。2）中间体的最高温度不能高于300 ℃。3）中间体密封活塞环最高温度不能高于360 ℃。4）执行器膜片的最高温度不能高于180℃。

图1 方案1MAP图

图2 方案3MAP图

图3 发动机耗气特性与压气机特性匹配图

5 涡轮增压器与发动机匹配测试分析

发动机与确定的涡轮增压器匹配完成之后，利用确定的参数进行仿真分析，分析结果如图6中曲线2所示。然后利用标定好的数据进行试验，试验测试结果如图6中曲线3所示，由图6可见实验结果与模拟仿真结果吻合[6]，涡轮增压器与发动机匹配良好。

图4 涡轮增压器外形图

图5 涡轮增压器布置图

匹配后发动机外特性曲线如图7、图8所示，从图中看出发动机最大扭矩200 Nm/2 000～4 000 rpm；最大功率100 kW/5 500 rpm；比油耗在较宽转速范围内数值较小，燃油经济性较好。（图中：曲线1为发动机耗气特性预估模型曲线；曲线2为发动机与增压器匹配后仿真分析曲线；曲线3为实验测试曲线）。

图7 发动机外特性曲线（扭矩-功率）

图8 发动机比油耗曲线

6 结论

综上所述，对某型汽油机与涡轮增压器的匹配主要考虑：涡轮增压器方案匹配；涡轮增压器与发动机的性能匹配；涡轮增压器与整车发动机舱的布置位置匹配；涡轮增压器运行环境匹配4个方面。并对于匹配过程中需要注意的事项及重要参数给予确定。通过试验验证，此款发动机与最终确定的涡轮增压器的匹配选型满足设计目标要求，对于发动机和整车性能有很好的改善和提高。且此项工作对于后续的车用发动机与涡轮增压器匹配有一定的指导作用。