面向整车加速性能的发动机增压器选型研究

2021-06-18马崇银石光南

小型内燃机与车辆技术 2021年2期

马崇银石光南

（柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司广西柳州 545005）

引言

发动机应用增压器能够提高动力性、改善燃油经济性、降低废气排放和实现高原功率补偿。改善汽车燃油经济性的原因是因为在同等最大功率输出的条件下，通过进气密度的提高，可减小发动机排量。发动机排量减小，可提高发动机常用工况（中低速、中低转矩）下的平均有效压力，从而降低比油耗。同排量增压发动机的最低比油耗常高于非增压发动机，但其低比油耗区较广。增压技术可以在保证发动机动力输出的前提下有效地减小发动机的尺寸，为车型的匹配提供更多选择。所以，越来越多的发动机新项目都是增压项目[1]。

而对于车型而言，手动挡汽车结构简单，性能可靠，制造和维护成本低廉，且传动效率高。另外，由于是纯机械控制，换挡反应快，且可以更直接地表现驾驶员的意愿，因此更富驾驶乐趣。相对来说，手动挡车型比自动挡车型更省油。因此，手动挡车型一直有着不可替代的地位。在现代城市交通中，自动挡给驾驶员带来了方便和省心。生活在快节奏的大城市里，道路复杂、车辆拥挤都困扰着驾驶员。所以，学习简单、操作方便的自动挡车型更加符合大众的选择，已逐步成为驾驶员的新宠。

搭载不同增压器的发动机匹配不同车型，在整车进行加速过程中，发动机运行的工况不同。手动挡车型更容易运行在低转速区域，大部分驾驶员习惯在低转速区换挡，所以低转速转矩越大，加速性能越好。自动挡车型在深踩油门时，ECU 和TCU 系统响应用户踏板期望，转速很容易飙升，在中高转速区域运行，如果中高转速转矩大，则加速性能会越好。

在进行发动机开发，特别是在增压器选型阶段，如果能够清楚地知道该发动机项目后续的应用计划，就可以有针对性地、更合理地选择增压器方案，提升整车后续的加速性能。

1 选型研究

1.1 研究目的

增压发动机因高功率以及低油耗，是近年来发展最迅速、应用最广泛的发动机类型。手动挡车型和自动挡车型在应用增压发动机时，在加速过程中，对发动机不同转速的性能要求有所差别。为此，本文研究面向不同的车型应用时，在发动机研发初期，进行增压器选型时，应选用不同方案的增压器。

1.2 增压器工作参数

本文的研究对象是废气涡轮增压与不同车型的选型研究。废气涡轮增压是车用发动机广泛采用的增压方式，增压器至要由涡轮机和压气机构成。

涡轮机为径流式，主要由进气涡壳、喷嘴环、工作轮、出气道组成。涡轮机的主要工作参数有涡轮效率ηT、膨胀比πT、气体流量qmT和涡轮转速n 等。涡轮机发出的功率PT的计算公式[2]如下：

式中：HT为1 kg 废气所具有的能量，J/kg。

公式（1）中各参数的关系构成了涡轮机的特性曲线，当增压器在变工况下工作时，随着膨胀比不断增加到达某个临界点时，涡轮机的气体流量停止上升，这种现象叫阻塞现象。

压气机为离心式，主要由压气机涡壳、扩压器、工作轮和进气道组成。压气机的主要工作参数有增压压比和压气机效率，增压压比、压气机流量和气体质量流量之间的关系称为压气机的特性曲线。压气机在运行过程中，压气机的压比和效率会随着气体流量先增大后减小，当压气机气体流量降低到某个值时，压气机内的空气出现剧烈脉动，同时出现粗暴的喘息声，这种现象称之为喘振。把每个转速下的喘振点拟合成一条曲线，称之为喘振边界。在发动机研发初期的增压器选型时，压气机的质量流量特性曲线具有十分重要的指导作用[3]。

1.3 可供选择的增压器方案

合适的增压器方案对增压发动机至关重要。合适的压气机，可以提供燃烧所需的适量空气，并满足：

1）在低速、额定转速和最大转矩时有不错的效率；

2）在高海拔时有充足的余量；

3）有合适的喘振边界。

合适的涡轮机，可以驱动压气机，并尽可能降低基础增压压力，减小排气背压，有利于提高外特性以及降低油耗。优良的增压器方案是合适的压气机+合适的涡轮机。

1.3.1 方案

本文研究的方案如表1 所示。

表1 方案

方案1 和方案2 采用不同A/R 的涡轮机，相同A/R 的压气机。

图1 为选用的压气机质量流量特性曲线。

图1 压气机质量流量特性曲线

由图1 可知，该压气机在低速时有不错的转矩，有合适的余量并且运行在喘振边界之下。

1.3.2 性能对比

选型阶段，每个方案的增压器都需要搭载在发动机上进行性能测试，根据性能表现，来判定方案的优劣。图2 是2 个方案的增压器在某1.5TGDI 发动机项目增压器选型时的外特性。

图2 中，2 种不同的增压器在发动机上表现出来的外特性有很大差异。在2 000 r/min 以下的转速，方案2 的转矩比方案1 大。方案2 选用较小的涡轮壳，因为喘振风险大，选用较小叶轮的压气机；而方案1在2 000～4 500 r/min 区域有更大的转矩输出，此方案选用较大的涡轮壳，降低涡轮壳在高速端带来的排气阻力，选用叶轮更大的压气机，满足高速时效率更高的要求。

图2 不同增压器方案外特性对比

2 车型应用研究

2.1 换挡策略

换挡策略是根据车辆实际运行情况、道路情况和驾驶意图，按照设定的目标（如经济性、动力性）最佳的原则，确定当前车辆的最佳挡位，并通过换挡执行机构按照这一挡位进行合理的挡位变换。不同车型具备不同的换挡规律，实际运行过程中，在车辆的加速过程中，发动机转速会处于不同的区域，运行的工况有很大区别。

2.2 手动挡车型

手动变速器(MT)也称手动挡，即用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合装置，改变传动比，从而达到变速的目的。根据驾驶员意图手动进行换挡，换挡时刻由驾驶员决定，不受油门开度和车速控制。某MT 车型搭载245T 发动机的加速工况图如图3 所示。

图3 某MT 车型+245T 发动机加速工况图

从图3 可以看出，加速过程中，有部分时间发动机运行在中低转速的外特性区域。

2.3 自动挡车型

自动挡车型的换挡策略主要有单参数换挡策略、2 参数换挡策略和3 参数换挡策略。单参数换挡策略将车速作为唯一的控制参数，当车速达到规定值时才进行换挡操作；2 参数换挡策略将车速和油门开度作为控制参数，只有当油门开度和车速达到设定值时才进行换挡操作，否则将保持原挡位不变；3参数换挡策略在2 参数换挡策略的基础上加入车辆加速度作为控制参数，相对于2 参数换挡策略，更能满足实际车辆运行的动态变化情况[4]。图4 和图5分别是基于2 参数控制策略的某CVT 车型搭载280T 发动机和某DCT 车型搭载320T 发动机的加速工况图。

图4 某CVT 车型+280T 发动机加速工况图

图5 某DCT 车型+320T 发动机加速工况图

图4 中的CVT 加速过程和图5 中的DCT 加速过程说明，自动挡车型的换挡策略基于驾驶意图，加速时，自动挡车型通过提供更高的功率来提升加速性，会迅速提升发动机的转速，过程中的部分时间运行在中高转速的外特性区域。

3 车型应用与增压器的匹配

车型应用与增压器的匹配，应考虑实际运行过程中，不同车型在不同换挡策略下，汽车加速过程的发动机转速[5]。若该车型在加速过程中发动机转速处于低转速范围，则增压器必须能够提供很好的低速外特性，利于加速；若该车型在加速过程中发动机转速多处于中高转速范围，则增压器必须能够满足中高转速下提供更大的转矩满以足车辆的加速需求。