執行器側曲柄長度對增壓器性能影響的研究

馬少康，喬佳偉，王義夫，喬闖，梁濤（1.長城汽車股份有限公司技術中心，保定 071000；.河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

執行器側曲柄長度對增壓器性能影響的研究

馬少康1，2，喬佳偉1，2，王義夫1，2，喬闖1，2，梁濤1，2
（1.長城汽車股份有限公司技術中心，保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

基本增壓壓力和增壓器效率是衡量增壓器性能的重要參數，理論分析了執行器長度的變化對基本增壓壓力和增壓器效率的影響，隨著執行器長度的增大，基本增壓壓力降低，增壓器效率提高。通過試驗，在初始位置、增長1mm和2mm的狀態下，研究了執行器長度對性能的影響，并通過回歸方程，預測基本增壓壓力隨執行器長度的變化趨勢。結果表明：試驗與理論分析一致。回歸方程能夠表征執行器增長量與最大基本增壓壓力的相關關系，為增壓器和發動機性能的評估提供參考。

執行器長度；增壓器效率；基本增壓壓力；回歸方程

馬少康

畢業于河南工業大學，碩士研究生學歷。現任長城汽車股份有限公司工程師，主要研究方向發動機燃燒開發以及臺架標定，已發表論文11篇。

引　言

近年來，隨著排放法規的日益嚴格和資源的日趨緊張，對節能減排的要求也越來越高。由于增壓器在提高動力性的同時，能減少排放和降低油耗［1，2］，因此獲得越來越多的關注和應用。

增壓器與發動機之間的依靠廢氣實現能量轉換，因此能夠影響廢氣狀態的因素均能夠影響增壓器的性能。利用軟件模擬能夠實現增壓器對發動機性能的模流分析，縮短增壓器開發周期［3，4］。蝸殼形狀［5，6］進排氣系統［7，8］、渦前流量［9，10］均能夠影響增壓器的性能。但對于增壓器部件對增壓器性能的影響卻鮮見報道，基于此，本文通過改變增壓器執行器側曲柄長度，研究了不同長度下增壓器效率、基本增壓壓力的變化，為增壓器的性能開發與匹配提供參考。

1　理論分析

1.1基本增壓壓力的定義以及實現

基本增壓壓力指增壓發動機在各個轉速的全負荷工況下增壓控制系統不參與工作或失效時，增壓器能產生的自然增壓壓力的最大值。基本增壓壓力取決于發動機的某個轉速工況下的進氣量與增壓器的特性之間的匹配和廢氣放氣閥的開啟壓力與發動機的匹配量有關。

當發動機的負荷上升（節氣門開度增加，發動機進氣量增加），通過排氣渦輪的能量增加，使渦輪的轉速上升，帶動壓氣機轉速上升，使進氣得到增壓，同時壓氣機出口壓力又作用于廢氣放氣閥執行器的控制氣室，當控制室內的壓力達到能克服彈簧的預緊力時，廢氣執行器的推桿才會位移使廢氣門打開，將排氣通過廢氣門旁通一部分。使渦輪的轉速有所限制，當控制室內的壓力繼續上升，廢氣執行器的推桿繼續左移，使廢氣門打開更多，如圖1所示。排氣通過廢氣門旁通量增加，使渦輪的轉速下降，使壓氣機出口壓力也有所下降。則控制室內的壓力也有所下降，廢氣執行器的推桿右移。當整個系統達到平衡后，此時的壓氣機出口壓力即是基本增壓壓力。

1.2改變執行器側曲柄L2長度對P-b和的影響

以執行器為受力對象可得執行器的受力狀態如式1所示：

以廢氣旁通閥為受力對象可得力矩平衡方程2。

A為執行器膜盒面積；S為彈簧位移； k為彈簧剛度；D為廢氣旁通閥直徑；P-exh為排氣壓力，P-b為 基本增壓壓力；P-cat為排氣背壓；L1廢氣旁通閥側曲柄長度；L2為執行器側曲柄長度。P1為壓氣機出口壓力； P2為膜盒內部壓力， F預為彈簧的預緊力。

當P1=P-b時，由式1、2可整理為：

由式3可知，改變公式中的相關變量均 可以改變增壓器的基本增壓壓力。當增大執 行器側曲柄長度L2時，保持其余條件不變，在相同工況下，當達到動態平衡后，增壓器的基本增壓壓力減小，廢氣旁通閥的開度增大，通過廢氣旁通閥的氣體流量增大。隨著L2的增大，由上面的分析可知，渦前壓力降低而渦后升高。由式4可知，渦輪機的膨脹比減小。

PT為 渦前壓力，P3渦后壓力。

渦輪機效率為：

K為空氣絕熱指數，K=1.4； KT為燃氣絕熱指數，由于渦輪工質主要為燃氣，因此 K=1.34；R為空氣氣體常數，R=287 J/（kg.K）；RT為燃氣氣體常數，由于渦輪工質主 要為燃氣，因此RT= 287.4J/（kg.K），GC壓氣機實測流量，kg/s；GT渦 輪機實測流量，kg/s；TT為渦輪機進口氣體總溫，單位為K；λ為空燃比。

當膨脹比減小時，渦輪機效率提高。 壓氣機效率為：

T1為壓氣機進口氣體總溫，單位為K；TC為壓氣機出口氣體總溫，單位為K；K為空氣絕熱指數，K=1.4；π為增壓比。

增壓器效率可用壓氣機效率與渦輪機 效率的乘積來表示［11］。

由式4、5、6、7可得，隨著執行器長度的增大，渦輪膨脹比降低，而增壓器的效率基本是由膨脹比決定［9］，因此，增壓器效率隨著執行器側曲柄長度L2的增大而提高。

2　試驗設備以及方法

2.1試驗設備

試驗在一款4缸16氣門電控直噴增壓汽油機上進行，發動機排量：2L，缸徑×行程：82.5mm×92mm，壓縮比：9.3，噴油器：6孔，油軌壓力：6～20Mpa；燃油型號：京 95#。采用自主開發ECU、電渦流測功機、燃燒分析儀等，臺架布置如圖1所示：

搭載增壓器參數如表1所示：

表1　增壓器主要技術參數

2.2試驗方案

通過改變執行器側曲柄長度L2，從而改變增壓器的效率和發動機的性能，增大的長度為0mm、1mm、2mm。 在各個長度下，以1000rpm為起點，500rpm為步長，進行基本增壓壓力測量。

2.3數據測量

試驗中利用INCA進行參數控制以及數據的采集，測量時保證節氣門開度為100%，增壓器的占空比為0。試驗過程中控制機油溫度為95℃，水溫為98℃，進氣溫度為25 ±5℃。中冷后溫度采用臺架模擬中冷控制，其控制標準為25+n/200rpm，n為發動機轉速。

3　試驗結果以及分析

3.1對基本增壓壓力的影響

由式3可以看到，隨著L2的增大，基本增壓壓力降低，其變化趨勢如圖3所示。L2越長，基本增壓壓力越低，在轉速為 1500rpm—4500rpm的轉速范圍內，三種狀 態的差別較大。隨著轉速的增大，其差值逐 漸減小，在轉速為5500rpm時，基本增壓壓 力的差值達到最小3kpa。

從上面分析可以得出，基本增壓壓力是 衡量一款增壓器的增壓能力的重要指標，因 此可找到L2調整長度與基本增壓壓力的關系，進而方便的預測基本增壓壓力的變化以及評估增壓器的效率［9］。基于此以最大基本增壓壓力為目標，采用最小二乘法，令 y=f（x），將調整長度與相對應的最大基本增壓壓力（x1， y1），（x2， y2）…，建立可調參數與最大基本增壓壓力的相關關系，求得回歸方程，如式2所示：

其相關系數R2為0.97，可知回歸方程有效。

3.2對增壓器效率的影響

由圖4可以看到，在三種狀態下，增壓器效率整體上隨著轉速的上升而下降。在轉速為1000rpm—3500rpm的區間內，L2對增壓器效率基本沒有影響，其增壓器效率基本一致。在3500rpm—5500rpm范圍內，增壓器效率隨著執行器側曲柄長度長度的增長而增加。

由圖5可以看到，隨著L2增長，膨脹比下降。而由式5、6可知，渦輪機的效率增大，增壓器的效率隨之增大。

4　結論

通過本次試驗可以得到以下結論：

1） 通過理論分析，隨著增壓器執行器的增長，基礎增壓壓力下降，渦輪膨脹比降低，增壓器效率提高；試驗結果與理論分析有較好的一致性；

2）線性回歸方程能夠很好的表征執行器增長量與基本增壓壓力的相關關系，能夠預測基本增壓壓力和增壓器效率的變化趨勢。

［1］朱堅. 燃燒系統結構參數對柴油機性能影響 的試驗研究［D］.2005.

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［13］廉樂明. 工程熱力學［M］. 北京： 中國建 筑工業出版社.

專家推薦

張建東：

本文理論分析了發動機增壓器執行器側曲柄長度的變化對基本增壓壓力和增壓器效率的影響，并進行了驗證試驗，試驗結果和理論分析相吻合，給出了在選擇增壓器時的對曲柄長度的選擇的依據，為增壓器和發動機性能的評估提供參考。文章思路較為清晰，語言流暢，可讀性較好。對試驗結果的分析對比較為合理，可以作為設計人員的參考。

Experiment Study on Turbocharger Performance with Different Length of Actuator

MA Shao-kang1.2， QIAO Jia-wei1.2， WANG Yi-fu1.2， QIAO Chuang1.2， LIANG Tao1.2
（ 1.Technical Center ，Great Wall Motor Co.，Ltd.， Baoding 071000， China； 2.Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center， Baoding 071000， China ）

Basic boost pressure and supercharge efficiency have a important effect on the performance. The influence of them by actuator length changed was studied. Basic boost pressure reduced and supercharge efficiency improved with the increasing of actuator length. Three conditions of actuator was taken into the experiments： original position、1mm and 2mm increased. Regression equation was used to express the trend of basic boost pressure with actuator length changed. The result show that experiment have a better match with theory analysed. regression equation is able to express the relationship between added length and basic boost pressure， provide a reference to evaluate the performance of supercharge.

Actuator length； turbocharger efficiency； basic boot pressure； regression equation

TK411

A

1005-2550（2015）05-0051-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.010

2015-04-16