增壓器壓氣機(jī)葉輪直徑對發(fā)動機(jī)低速轉(zhuǎn)矩的影響研究

夏英子 李曉娟 趙福成 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機(jī)有限公司）

引言

隨著乘用車油耗和排放限值的日益嚴(yán)格，越來越多的整車企業(yè)投入更多的精力開發(fā)排量小、強(qiáng)化程度更高的發(fā)動機(jī)以滿足各種日益嚴(yán)格的法規(guī)限值，目前國內(nèi)外乘用車廣泛采用增壓發(fā)動機(jī)。按照增壓器的形式可將發(fā)動機(jī)分為渦輪增壓、機(jī)械增壓和電子增壓發(fā)動機(jī)[1]，現(xiàn)在渦輪增壓發(fā)動機(jī)已成為主流產(chǎn)品。為了使車輛的加速性有較高的提升，使客戶感知車輛提速明顯，各主機(jī)廠發(fā)動機(jī)設(shè)計開發(fā)階段均會深入研究渦輪增壓發(fā)動機(jī)如何提升低速轉(zhuǎn)矩，在保證發(fā)動機(jī)排量不變的情況下使低速轉(zhuǎn)矩更高和達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速更低，本文針對增壓器壓氣機(jī)的葉輪直徑對發(fā)動機(jī)低速轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行了分析研究。

1 發(fā)動機(jī)選擇

本次研究選用了一款渦輪增壓發(fā)動機(jī)，詳細(xì)參數(shù)見表1所示。發(fā)動機(jī)為全新發(fā)動機(jī)，進(jìn)行專項增壓器驗證，試驗前對影響性能的相關(guān)零部件進(jìn)行了檢測，全部滿足設(shè)計要求，主要檢測項包括：發(fā)動機(jī)壓縮比、氣道滾流比、活塞燃燒室容積、氣缸蓋燃燒室容積和氣缸壓縮壓力等，在進(jìn)行增壓器驗證前對性能進(jìn)行了詳細(xì)確認(rèn)，滿足試驗條件后開始增壓器對比試驗驗證[2]。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)表

2 增壓器匹配與介紹

2.1 增壓器的匹配

按照發(fā)動機(jī)開發(fā)流程，發(fā)動機(jī)開發(fā)初期需先制定性能開發(fā)目標(biāo)，包括外特性轉(zhuǎn)矩和額定功率，然后根據(jù)性能目標(biāo)匹配一款合適的增壓器，增壓器的匹配需保證發(fā)動機(jī)能夠達(dá)到性能開發(fā)目標(biāo)且有一定的安全余量，以保證高原地區(qū)動力達(dá)標(biāo)且增壓器不超速損壞。增壓器的匹配不單單包括增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配；還包括增壓器渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的匹配；渦輪和渦殼的匹配；壓輪和壓殼的匹配。增壓器結(jié)構(gòu)細(xì)微的變化都有可能對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩有明顯的影響[3]，本文主要對增壓器壓氣機(jī)葉輪直徑對發(fā)動機(jī)低速轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行研究。

2.2 增壓器介紹

本機(jī)型采用的增壓器外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，本研究通過對圖2中壓氣機(jī)葉輪直徑由原來的51 mm縮小至49 mm，從仿真和試驗驗證兩方面對更改前后的增壓器和發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行了對比分析。

圖1 增壓器外觀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 增壓器壓氣機(jī)葉輪示意圖

2.3 仿真分析結(jié)果

壓氣機(jī)端原始葉輪直徑和縮減后增壓器map對比如圖3所示，從圖3可以看出，葉輪直徑由51 mm減小至49 mm后，低速效率提高3%～4%。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速提升，效率提高。效率越高，說明同樣廢氣能量下轉(zhuǎn)化效率更高，同時可以看出高速尚有裕度。

圖3 增壓器map對比圖

壓端效率與流量如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，葉輪直徑由51 mm減小至49 mm后壓氣機(jī)低速效率略有提升，壓氣機(jī)相對減小。

渦端流量和效率如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，葉輪直徑由51 mm減小至49 mm后渦端流量與上次差異不大，在偏差范圍內(nèi)，由于壓端減小，渦端效率稍有提高。

2.4 試驗結(jié)果

為保證試驗精度和結(jié)果可靠，將2種方案增壓器在同一發(fā)動機(jī)，同一臺架進(jìn)行，更換增壓器，試驗結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出壓端葉輪直徑為49 mm的增壓器在1 400 r/min以下轉(zhuǎn)矩明顯提升，1 400 r/min以上轉(zhuǎn)矩基本相同，整個外特性占空比變大，說明增壓器裕度加大。

圖5 壓端流量對比圖

圖6 渦端流量對比圖

圖7 渦端效率對比圖

圖8 發(fā)動機(jī)外特性對比

圖9 增壓器占空比對比

圖10 低速轉(zhuǎn)矩對比

從圖9和圖10中可以看出，壓氣機(jī)葉輪直徑減小為49 mm后發(fā)動機(jī)1 000 r/min轉(zhuǎn)矩提升31 N·m，1 250 r/min下轉(zhuǎn)矩提升26 N·m，1 400 r/min下轉(zhuǎn)矩提升5 N·m，1 500 r/min下轉(zhuǎn)矩提升8 N·m，同時1 400 r/min下增壓器占空比由0增大至4.8%，1 500 r/min下增壓器占空比由0%提升至8%，說明這兩個轉(zhuǎn)速下增壓器廢氣旁通閥開度變大，廢氣能量更足，部分廢氣通過廢氣旁通閥短路，從側(cè)面證明葉輪減小后低速下增壓器效率有所提升。（注：因1 400 r/min為此發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩起始點，通常情況下更關(guān)注達(dá)到目標(biāo)之后增壓器余量，而不關(guān)注發(fā)動機(jī)可實現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩）。

3 結(jié)論

1）針對本款增壓器直噴發(fā)動機(jī)，通過縮減增壓器壓氣機(jī)葉輪直徑可提升發(fā)動機(jī)低速轉(zhuǎn)矩，同時可保證其他轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)性能不變；

2）針對發(fā)動機(jī)低速扭矩，更改增壓器壓氣機(jī)葉輪直徑后渦端流量基本不變，渦端效率將發(fā)生明顯變化，整個發(fā)動機(jī)map都受到影響，增壓器匹配涉及多方面，需要總體權(quán)衡。