車(chē)用渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)研究

張衛(wèi)波，吳星

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350116)

0 引言

隨著中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)的保有量也迅速增加．不僅給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力，也對(duì)能源的有效利用提出了更高要求．能源和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為制約中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素．發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的最終目標(biāo)是高效、節(jié)能、環(huán)保，而采用渦輪增壓技術(shù)是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)提高功率、滿足排放要求的重要技術(shù)手段之一．目前，我國(guó)對(duì)渦輪增壓器的性能、匹配技術(shù)、中冷技術(shù)的研究一直在不斷完善，而且也積極對(duì)新型渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)．隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)平均有效壓力和增壓比要求的不斷提高，需要對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行充分研究，從試驗(yàn)中獲取渦輪增壓器的性能參數(shù)，以便對(duì)設(shè)計(jì)的渦輪增壓器進(jìn)行修改，從而獲得性能最佳的機(jī)型，使得渦輪增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)更好地匹配［1－3］．

為準(zhǔn)確采集渦輪增壓器的各性能參數(shù)．文獻(xiàn)［4］基于C++Builder的設(shè)計(jì)環(huán)境，開(kāi)發(fā)了一套渦輪增壓器性能試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)．文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)調(diào)用和串口通訊技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取方案，并在此基礎(chǔ)上用Visual Basic編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)．文獻(xiàn)［6］介紹了一種基于數(shù)字顯示儀表和計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器性能測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)電氣系統(tǒng)控制液壓氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)的功能．文獻(xiàn)［7］通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)性能試驗(yàn)原理的分析，設(shè)計(jì)了渦輪增壓器壓氣機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的硬件和軟件，并編寫(xiě)了各模塊的軟件程序，使壓氣機(jī)性能整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了管理、控制一體化．以上文獻(xiàn)對(duì)渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)的研究都具有十分重要的意義，但仍然存在采樣率低、模塊劃分不細(xì)、終端太多、通用性不強(qiáng)、可移植性差、圖形表現(xiàn)能力差等缺陷．

以某型號(hào)渦輪增壓器性能樣機(jī)為研究對(duì)象，搭建了基于LabVIEW的渦輪增壓器性能測(cè)試平臺(tái)．該型號(hào)樣機(jī)的轉(zhuǎn)子由本課題組基于雙測(cè)量設(shè)備逆向重構(gòu)方法設(shè)計(jì)完成，具體設(shè)計(jì)過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)［8］．利用搭建的測(cè)試平臺(tái)采集該樣機(jī)的各性能參數(shù)，并對(duì)該轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)水平進(jìn)行檢測(cè)．搭建的渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)包括硬件系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)是以NI公司的LabVIEW軟件為開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合PCI－6238數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)發(fā)了一套集數(shù)據(jù)采集、處理于一體的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及保存等功能．最后，對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了壓氣機(jī)性能試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果表明:渦輪增壓器測(cè)試臺(tái)架工作穩(wěn)定，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的采集增壓器的各項(xiàng)性能參數(shù)，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)水平符合要求．

1 渦輪增壓器測(cè)試臺(tái)架的組成及其工作原理

隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的各性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出高性能的渦輪增壓器．然而，在渦輪增壓器的研發(fā)過(guò)程中，必須通過(guò)渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)采集渦輪增壓器的相關(guān)參數(shù)，以便對(duì)設(shè)計(jì)的渦輪增壓器進(jìn)行修改，從而獲得性能最好的機(jī)型．

渦輪增壓器的試驗(yàn)類(lèi)型大概包括壓氣機(jī)性能試驗(yàn)、渦輪性能試驗(yàn)、整機(jī)性能試驗(yàn)和渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配試驗(yàn)［9］．因?yàn)閴簹鈾C(jī)性能試驗(yàn)和渦輪性能試驗(yàn)是為了測(cè)試渦輪增壓器各部件的設(shè)計(jì)水平，所以通常在設(shè)計(jì)修改時(shí)進(jìn)行;整機(jī)試驗(yàn)是用來(lái)測(cè)試壓氣機(jī)和渦輪共同工作時(shí)的工作特性;渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的試驗(yàn)主要目的是測(cè)試渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)是否良好匹配，所以要在定型之前進(jìn)行．

依據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9752．2—2005《渦輪增壓器第2部分:試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定，渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)主要包括空氣管路系統(tǒng)、風(fēng)源系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)及被測(cè)試的渦輪增壓器．

渦輪增壓器性能試驗(yàn)臺(tái)工作原理如圖1所示．由羅茨風(fēng)機(jī)提供的壓縮空氣經(jīng)空壓機(jī)進(jìn)氣閥進(jìn)入燃燒器中，并與供油系統(tǒng)所提供的燃油混合形成可燃混合氣，再經(jīng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)火燃燒，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)供油系統(tǒng)的油泵電機(jī)頻率可以獲得所需溫度和壓力的燃?xì)?，燃?xì)饨?jīng)由波紋管進(jìn)入渦輪的入口端，驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)渦輪轉(zhuǎn)子帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)端的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，新鮮空氣經(jīng)由空氣濾清器，進(jìn)入壓氣機(jī)入口，經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后的空氣通過(guò)壓氣機(jī)放氣閥排入大氣．

圖1 渦輪增壓器性能試驗(yàn)臺(tái)工作原理圖Fig．1 Turbocharger performance test bench working principle diagram

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 加熱系統(tǒng)

燃燒器的主要功能是將進(jìn)入燃燒室的空氣和霧化的燃油充分混合、燃燒，并產(chǎn)生所需溫度和壓力的燃?xì)?，所以燃燒系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求［10］:①能夠提供系統(tǒng)所需溫度和壓力的燃?xì)?②噴油量和空氣流量能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可以滿足系統(tǒng)對(duì)燃?xì)獾臏囟群土髁康淖兓?③具有良好的工作穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定地提供所需的燃?xì)?④具有足夠的可靠性，能夠保證試驗(yàn)人員的人身安全．

根據(jù)該型號(hào)渦輪增壓器壓氣機(jī)端進(jìn)口的管徑及與之相匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的相關(guān)參數(shù)如排量、缸徑等，可確定燃燒系統(tǒng)的排氣溫度、壓力和流量分別為350～750℃、0～0．3 MPa和0～1 kg·s－1．考慮到上述要求，試驗(yàn)臺(tái)采用SKBS－GSCY－20型高壓?jiǎn)喂苋紵骷捌渑涮椎娜加凸┙o系統(tǒng)．

2．2 潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)

潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)對(duì)渦輪增壓器的正常工作是非常重要的，它也決定了試驗(yàn)臺(tái)能否正常工作．該型號(hào)渦輪增壓器性能樣機(jī)的轉(zhuǎn)子采用了浮動(dòng)軸承，轉(zhuǎn)速可達(dá)60×103r·min－1以上，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，且所產(chǎn)生的熱能很容易使軸承因溫度過(guò)高而磨損，導(dǎo)致增壓器的損壞，因此一套獨(dú)立、穩(wěn)定的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)就必不可少了．

因?yàn)樵鰤浩鞯霓D(zhuǎn)子軸和浮動(dòng)軸承之間的間隙是非常小的，所以對(duì)潤(rùn)滑油的清潔度非常高的要求，且轉(zhuǎn)子一直處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，為了減少軸與軸承之間的摩擦，就必須使軸與軸承之間能夠形成足夠厚的油膜．潤(rùn)滑油要有一定壓力才能進(jìn)入軸與軸承的間隙，根據(jù)增壓器的設(shè)計(jì)要求潤(rùn)滑油壓力一般在0．3～0．4 MPa之間;潤(rùn)滑油黏度是影響潤(rùn)滑效果最重要的因素，而溫度是影響?zhàn)ざ茸畲蟮囊蛩兀话銤?rùn)滑油溫度要控制在40～75℃．因此，試驗(yàn)臺(tái)采用了一套帶有高壓過(guò)濾器(過(guò)濾精度10μm)、調(diào)壓范圍為0～0．6 MPa的雙風(fēng)冷潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)．

3 測(cè)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)采用單片機(jī)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，用匯編、VC或VB等文本語(yǔ)言從底層開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，可擴(kuò)展性差、試驗(yàn)采樣率低、模塊劃分不細(xì)、終端太多且功能分散．此外，其開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)且費(fèi)用高、測(cè)試精度低、抗干擾能力差、可移植性差、數(shù)據(jù)處理功能少、技術(shù)更新慢，不能滿足現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的要求［11］．

采用抗干擾能力強(qiáng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字顯示儀表，及可視性強(qiáng)、圖形表現(xiàn)能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單易懂、操作方便的LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，并結(jié)合PCI－6238數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)發(fā)了一套集數(shù)據(jù)采集、顯示及保存等功能于一體的測(cè)試系統(tǒng)．該測(cè)試系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示、處理以及儀器控制能力、開(kāi)發(fā)效率高、支持多種總線技術(shù)、測(cè)試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)．

3．1 測(cè)試系統(tǒng)的硬件選擇

根據(jù)試驗(yàn)的測(cè)試要求，試驗(yàn)臺(tái)所需采集的參數(shù)類(lèi)型有壓力參數(shù)、溫度參數(shù)、流量參數(shù)以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速．壓力參數(shù)有:壓氣機(jī)進(jìn)、出口壓力，渦輪進(jìn)出、口壓力，潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力;溫度參數(shù)包括:壓氣機(jī)進(jìn)、出口溫度，渦輪進(jìn)出、口溫度，潤(rùn)滑油進(jìn)、出口溫度;流量參數(shù):壓氣機(jī)進(jìn)口流量，渦輪進(jìn)口流量．

1)因?yàn)橛嘘P(guān)壓力的參數(shù)都直接與渦輪增壓器的性能相關(guān)，所以要求的測(cè)試精度都非常高，而且信號(hào)的傳輸距離也較遠(yuǎn)．故在渦輪端進(jìn)、出口及壓氣機(jī)端出口都選用了YTY－150型帶本地顯示的遠(yuǎn)傳壓力表，其量程分別為0．6、0．4和0．4 MPa．本地顯示的精度為1級(jí)，遠(yuǎn)傳的精度為0．25%．壓氣機(jī)端進(jìn)口壓力的測(cè)量，采用絕對(duì)遠(yuǎn)傳壓力表測(cè)量．潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力由潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)自帶的壓力表測(cè)量．

2)渦輪增壓器渦輪端進(jìn)、出口氣體的溫度很高，最高可達(dá)800～1 100℃，測(cè)量精度要求不低于0．5%;而壓氣機(jī)端進(jìn)、出口氣體的溫度較低，大概在20～150℃，測(cè)量精度要求不低于0．3%．根據(jù)以上要求，渦輪端進(jìn)、出口都選用WRS型鉑－鉑銠熱電偶，其量程為0～1 100℃，誤差為±1℃;壓氣機(jī)端進(jìn)、出口則選用WZP型Pt100鉑熱電阻，其量程為0～200℃，最高精度可達(dá)0．2%．以上溫度傳感器都由24 V直流電源供電，并輸出4～20 mA電流．潤(rùn)滑油進(jìn)、出口溫度則由潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)上自帶的溫度計(jì)測(cè)量．

3)質(zhì)量流量計(jì)是采用感熱式測(cè)量，通過(guò)分體分子帶走的分子質(zhì)量多少?gòu)亩鴣?lái)測(cè)量流量，因?yàn)槭怯酶袩崾綔y(cè)量，所以不會(huì)因?yàn)闅怏w溫度、壓力的變化從而影響到測(cè)量的結(jié)果［12］．試驗(yàn)臺(tái)壓氣機(jī)端進(jìn)口流量采用TN－850－F06QT1S1CT型渦街流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，而渦輪端進(jìn)口流量則采用TV－VZ－F65TT－S0CB型流量計(jì)測(cè)量，流量測(cè)試過(guò)程中應(yīng)附加管道溫度及壓力補(bǔ)償，通過(guò)二次儀表輸出所需的質(zhì)量流量．

4)由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)均在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的工況下測(cè)得，轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度對(duì)所測(cè)增壓器性能影響較大，因此對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量要求有較高的精度和靈敏度［13］．采用SMS12磁敏轉(zhuǎn)速傳感器，其非接觸式測(cè)量范圍為0～999 999 r·min－1，配套二次儀表SKY06－235－2，其中轉(zhuǎn)速表與計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口通訊，并遵循Modbus協(xié)議，其精度滿足設(shè)計(jì)要求．

5)數(shù)據(jù)采集卡則采用了NI公司M系列16位多功能帶隔離數(shù)據(jù)采集卡PCI－6238，其主要性能參數(shù)①National Instruments Corporation．NI6238/6239 User Manual．2006．是:具有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O及計(jì)時(shí)器/定時(shí)器功能，8個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道，最大更新率500 kbit·s－1，250 kHz的最大采樣率，電流輸入范圍DC±20 mA．

3．2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)主要目的是使其能夠自動(dòng)準(zhǔn)確的完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及保存等功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化．

數(shù)據(jù)采集顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)將各輸入通道的傳感器信號(hào)采集進(jìn)入工控機(jī)并顯示到LabVIEW的前面板上，主要包括選擇通道、信號(hào)輸入范圍、采樣模式、采樣頻率及各通道采樣數(shù)等的設(shè)置．本系統(tǒng)采用較為方便的DAQ助手來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程，系統(tǒng)的顯示界面如圖2所示．?dāng)?shù)據(jù)采集、保存模塊能夠?qū)崿F(xiàn):1)在系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)用于存放采集參數(shù)的文檔或Excel表格;2)設(shè)定采樣率、采樣時(shí)間、采樣方式等系統(tǒng)參數(shù);3)創(chuàng)建模擬輸入通道DAQ助手，并設(shè)定文檔或Excel的一些參數(shù)，如性能參數(shù)的名稱(chēng)及單位等;4)將采集到的性能參數(shù)經(jīng)過(guò)處理之后保存在文檔或者Excel表格當(dāng)中，以供之后的數(shù)據(jù)分析處理．其程序框圖如圖3所示．圖中以壓氣機(jī)出口溫度為例，揭示了整個(gè)系統(tǒng)的采集、保存過(guò)程，如要采集全部的性能參數(shù)，只需在DAQ助手中增加相應(yīng)的通道即可．

圖2 系統(tǒng)顯示界面圖Fig．2 System display interface diagram

圖3 數(shù)據(jù)采集、保存模塊程序框圖Fig．3 The module of data acquisition、save program block diagram

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)錄取增壓器各性能參數(shù)，繪制壓氣機(jī)的流量－壓比特性曲線和流量－效率特性曲線，從而檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)的工作穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性并檢測(cè)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)水平．

增壓器在試驗(yàn)臺(tái)上安裝好后，首先啟動(dòng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)好油壓，使其空轉(zhuǎn)3～5 min，同時(shí)開(kāi)啟Lab-VIEW打開(kāi)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)節(jié)好閥門(mén)開(kāi)度，待油壓穩(wěn)定后開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，并通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其在低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行冷吹試驗(yàn)．確定所有系統(tǒng)都正常工作后，調(diào)節(jié)渦輪空氣流量和壓力，加熱點(diǎn)火．點(diǎn)火成功后，保持該轉(zhuǎn)速不變，由大到小調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而改變壓氣機(jī)進(jìn)口流量．在不同流量下，測(cè)試系統(tǒng)將自動(dòng)采集壓氣機(jī)的流量、壓比、效率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，直到增壓器發(fā)生輕微的振動(dòng)為止．改變?cè)鰤浩鞯霓D(zhuǎn)速，重復(fù)上述步驟．通過(guò)以上操作步驟，渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)將自動(dòng)采集、保存繪制壓氣機(jī)壓比－流量特性曲線及效率－流量特性曲線所需的參數(shù)，經(jīng)Matlab軟件的數(shù)據(jù)可視化功能處理后，繪制成如圖4和圖5所示的特性曲線．

圖4 壓氣機(jī)壓比－流量圖Fig．4 Compressor flow rate － pressure ratio diagram

圖5 壓氣機(jī)效率－流量圖Fig．5 Compressor flow rate － efficiency diagram

從圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為90 379 r·min－1時(shí)，壓比和效率都隨著流量的增大先增大到某一峰值，而后減?。偨Y(jié)上述兩幅圖中各曲線，可得出以下結(jié)論:1)當(dāng)轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，隨著流量的減少，起初壓氣機(jī)壓比和效率均增大．但達(dá)到某一峰值后，壓比緩慢下降，而效率急劇下降．2)當(dāng)轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，隨著流量減少到某一值，壓氣機(jī)開(kāi)始進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)．將這種不穩(wěn)定現(xiàn)象稱(chēng)為壓氣機(jī)的“喘振”．3)當(dāng)轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，隨著流量增加到某一值，壓比和效率都急劇下降．即流量的增加受到了某種限制，將這種限制現(xiàn)象稱(chēng)為壓氣機(jī)的“阻塞”．4)壓氣機(jī)的壓比隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加．

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出基于雙測(cè)量設(shè)備逆向設(shè)計(jì)方法重構(gòu)出來(lái)的增壓器轉(zhuǎn)子符合設(shè)計(jì)要求．

2)渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)工作正常，與目前大多數(shù)的測(cè)試臺(tái)架相比，減少了手動(dòng)控制、人工讀數(shù)和記錄產(chǎn)生的人為誤差，節(jié)省了大量人力，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性．

3)設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)單，對(duì)試驗(yàn)操作者技術(shù)要求低，能準(zhǔn)確采集增壓器各性能參數(shù)．

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