汽油機渦輪增壓器竄氣量影響因素的研究

2020-10-21 04:14:03呂生亮章成于士博謝廣春陳昱錦

汽車實用技術 2020年12期

呂生亮章成于士博謝廣春陳昱錦

摘要：通過分析現存幾種增壓器竄氣的測量方法，在此基礎上建立和完善一套汽油機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法，并在某渦輪增壓汽油機上研究了渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、進油溫度、進油壓力對竄氣量的影響，分析了發動機萬有特性下增壓器竄氣量的變化和分布規律。

關鍵詞：渦輪增壓器;竄氣量;臺架試驗;汽油機

Abstract： Through the analysis of several existing turbocharger gas channeling measurement， on the basis of establishing and perfecting a set of gasoline engine turbocharger gas channeling test bench measure method. Studied with the pressure before turbine， pressure after turbine， the pressure before charge air cooler， inlet oil temperature， inlet oil pressure influence on gas channeling， analyzes the characteristics of engine has the changes and distribution of supercharger gas channeling.

Keywords： Turbocharger; Channeling gas; Bench test; gasoline engine

前言

2016 年國家環境保護、國家質檢總局兩部聯合發布針對《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》。相比國五限值要求，國六a階段CO排放限值降低30%，國六b階段NMHC排放限值降低50% [1]。另外GB 19578-2014《乘用車燃料消耗限值》中對乘用車的油耗限值從第三階段到第四階段單車準入油耗6.9L/100km下降到5L/100km，降幅達到28%[2]。節能減排已經成為關系到國計民生的重大課題。

目前增壓器作為關鍵零部件應用于車用發動機上，并且采用渦輪增壓技術研發的汽油機小型化趨勢越來越明顯[3]。渦輪增壓器可以將排氣能量能用于壓縮新鮮空氣，使發動機輸出更大的動力，對提高發動機功率[4]，降低整車排放起到非常重要的作用[5]。主要有以下優勢：

（1）提高發動機升功率，使發動機尺寸小型化。

（2）更低的整車油耗和排放特性。

（3）高原環境彌補缸內進氣不足，進行功率補償。

汽油機渦輪增壓器工作時轉速較高，最高可達250000r/ min，最高增壓壓比在2.8左右，渦端入口最高承受排氣溫度可達980℃，同時受到各缸排氣高頻脈沖沖擊，在高溫高壓高脈沖高轉速的惡劣環境中工作。增壓器竄氣量過大會造成機油氧化、氣蝕、變質，與活塞漏氣量成為曲軸箱污染物的主要來源，容易造成曲軸箱污染物流量過大，導致油氣分離效果不佳，機油攜帶量過大，發動機增壓器及進氣系統結焦等一系列問題。增壓器竄氣已經成為評價增壓器開發成功與否的重要指標[6]，因此非常有必要研究增壓器竄氣量的相關影響因素。通過分析存在的三種增壓器竄氣量測量方法優缺點，完善發動機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法，研究了發動機整機條件對增壓器竄氣量的影響因素，為進一步改善提高發動機整機設計匹配和優化完善發動機綜合表現提供方向。

1 模型的建立

1.1 增壓器竄氣原理

增壓器轉子兩側采用密封環與轉子配合共同形成密封作用。如果密封環密封效果較差，當密封環內側油壓大于環外側氣壓時則容易出現增壓器漏油，導致發動機燒機油;當環外側氣壓大于環內側油壓，則容易導致兩側高壓氣體通過縫隙滲入增壓器潤滑油路與機油混合進入曲軸箱形成增壓器竄氣，如圖1所示。

1.2 存在的測試方法

1.2.1 油道保壓測試

在增壓器靜態條件下，封堵增壓器潤滑進、回油道，通過一側油道向增壓器潤滑系統加入適當壓力的壓縮空氣，氣體會通過間隙滲漏，通過一定時間內氣體壓力和流量的變化計算出漏氣量。但該方法無法模擬增壓器實際工作狀態，氣體走向與增壓器工作中氣體走向相反，整機參考意義不高。

1.2.2 增壓器單體臺架

將增壓器安裝至增壓器單體測試臺架，增壓器潤滑采用外置供油，試驗時將一定溫度壓力的氣體從增壓器渦輪機入口通入，使增壓器運轉，增壓器若存在竄氣則會與潤滑油一同回流，通過回流機油內氣體體積的變化測量出增壓器的竄氣量。該方法實現了增壓器運轉，竄氣量氣體走向與實際工作一致，但是增壓器在發動機整機工作時受到高頻的排氣脈沖沖擊驅動，同時渦輪機出口存在排氣阻力，因此該方法僅具有一定增壓器單品試驗參考意義，但與發動機整機增壓器工作狀態存在較大差異。

1.2.3 汽油機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法

已知在柴油機整機上有測量增壓器竄氣量的試驗方法[7]，但無汽油機整機增壓器竄氣量相關的測試應用，為進一步研究各個因素對小排量汽油機增壓器竄氣量的影響，本文搭建汽油機整機增壓器竄氣量試驗臺架并制定試驗方法，試驗測試原理如圖2所示：

（1）將發動機和增壓器間潤滑油路斷開，增壓器采用外置油泵與油氣分離箱為增壓器供油和儲油;

（2）油氣分離箱內置油氣分離板可以將增壓器回油中的竄氣和機油分離，油氣分離后的增壓器竄氣通過管路引導至發動機曲軸箱，管路上布置流量計，測量穩定狀態增壓器竄氣量;

（3）儲油箱內布置機油油溫控制裝置調節機油溫度，外置油泵采用變頻機油泵并在管路上設置壓力調節閥用于控制增壓器進油壓力;

這樣該套系統可以實現增壓器在發動機整機上真實運行，同時可以實現各研究因素的可變控制。

1.3 試驗資源及試驗方法

1.3.1 試驗資源

試驗采用汽油機整機臺架增壓器竄氣量試驗方法，需要使用臺架進行發動機工況試驗控制和數據采集，發動機增壓器渦輪機側排氣背壓（渦后壓力）可通過節流閥進行手動控制，增壓器相關數據布點采集如圖1、圖2，試驗中研究機型為某小排量增壓汽油機，相關參數如表1：

試驗采用燃料為市售92#汽油，密度（20℃）：739.9kg/m3，辛烷值（研究法）：92.8，燃料凈熱值10100cal/g。

試驗采用機油為SN 0W-20汽油機油，密度844.8kg/m3， 100℃運動粘度8.229mm2/s，粘度指數261，開口閃點226℃。

試驗過程中，由外置油泵控制系統控制增壓器進油溫度和壓力，同時采用INCA軟件來收集發動機ECU內的參數變化。

1.3.2 試驗方法

測試前先將油氣分離箱內機油預熱至80℃以上，開啟外置機油泵調節機油壓力至300～350kPa。啟動發動機熱機至出水溫度86-90℃，然后將發動機運行至目標工況，除試驗對比需求外應調節增壓器供油溫度及壓力保持與發動機主油道機油溫度壓力一致，所有參數穩定5min后開始測量。除試驗特殊要求外，測試項目應嚴格遵守GB/T 18297-2001《汽車發動機性能試驗方法》[8]和GB/T 19055-2003《汽車發動機可靠性試驗方法》國家規范[9]。研究因素和進行試驗測試如下：

（1）發動機外特性增壓器竄氣量變化規律;

（2）曲軸箱壓力對增壓器竄氣量的影響;

（3）不同排氣背壓對增壓器竄氣量的影響;

（4）不同機油溫度對增壓器竄氣量的影響;

（5）不同機油壓力對增壓器竄氣量的影響;

（6）發動機萬有特性增壓器竄氣量的變化規律。

試驗完成后，發動機降至1200r/min、20%負荷工況運行，增壓器進油壓力保持在300～350 kPa，降低油氣分離箱內機油溫度，待發動機機油及油氣分離箱冷卻至90℃以下，先停止發動機再關停增壓器外置油泵。

2 試驗結果與分析

2.1 發動機外特性增壓器竄氣量

在某小排量汽油機的外特性工況進行增壓器竄氣量測試，測試數據如圖3所示。由圖中可知，隨著發動機轉速上升，發動機功率和排氣脈沖沖擊頻率升高，增壓器渦輪機的渦前壓力、渦后壓力和壓氣機側的中冷前壓不斷升高，密封環兩側承受氣體壓力升高，使氣體更容易通過密封環進入增壓器油道形成增壓器竄氣。因此隨著發動機外特性轉速的升高，增壓器竄氣量相應增大并在發動機額定功率點達到最大值。

2.2 曲軸箱壓力對發動機增壓器竄氣量的影響

在外特性工況點將流量計出口接大氣進行增壓器竄氣量測試并與正常連接曲軸箱進行對比，如圖4所示。由圖可知，當流量計出口接至大氣，儲油箱內穩定壓力與大氣壓力相近，基本不受發動機轉速負荷變化影響，增壓器回油中的竄氣實現油氣分離條件穩定，主要受到增壓器兩側氣體壓力影響。當流量計出口接至發動機曲軸箱后，相同工況點增壓器竄氣量變大，此時曲軸箱壓力受發動機轉速負荷影響，并且隨轉速升高逐漸變為負壓，更有利于已進入潤滑油路的增壓器竄氣與油氣分離。因此，發動機在相同條件下曲軸箱壓力越小，越有利于增壓器竄氣量形成。

2.3 不同排氣背壓下發動機增壓器竄氣量

在不同排氣背壓（渦后壓力）條件下，選取80%負荷外特性特征點進行增壓器竄氣量測試并對比，如圖5所示。由圖可知，在相同工況點減小排氣背壓增壓器竄氣量變小，發動機排氣背壓減小后排氣更為順暢，泵氣損失減少，增壓器的渦前壓力相應降低，渦輪機密封環外側承受氣體壓力減小，密封環內外壓差減小，氣體通過密封環進入增壓器油路的勢能降低，增壓器竄氣量相對減小。因此在相同條件，發動機排氣背壓越低，越有利于減小增壓器竄氣量。

2.4 不同機油溫度下發動機增壓器竄氣量

在不同增壓器進油溫度條件下，選取80%負荷外特性特征點進行增壓器竄氣量測試并對比，如圖6所示。由圖可知，在相同工況點不同機油溫度下的增壓器竄氣量有差異。相同工況點竄氣量大小：機油溫度110℃>機油溫度90℃>機油溫度60℃。根據機油粘度與溫度關系，隨著溫度升高，機油粘度降低[10]，流動性和可侵入性更強，高溫高壓氣體更容易通過密封環進入機油形成增壓器竄氣;相反的，機油溫度越低，機油的粘度會越高，流動性和可侵入性降低，機油可視為對氣體密封環的密封性進行補充，外界氣體更不容易進入增壓器潤滑油路，另外機油溫度升高，相同溫差條件下粘度變化減小，對應工況點的增壓器竄氣量變化也減小。因此在相同條件下，機油溫度越低越有利于減小增壓器竄氣量。

2.5 不同機油壓力下發動機增壓器竄氣量

在不同增壓器進油壓力條件下，選取80%負荷外特性特征點進行增壓器竄氣量測試并對比，如圖7所示。由圖可知，相同工況點進油壓力為250kPa的增壓器竄氣量數值大于進油壓力為350kPa的增壓器竄氣量，當增壓器潤滑油路內機油壓力升高時，密封環內外側壓力差減小，氣體不容易通過氣體密封化進入增壓器內部潤滑油道形成竄氣;相反的，進油壓力越小增壓器竄氣量越大。因此在相同條件下，更高的增壓器進油壓力有利于減小增壓器竄氣量。

2.6 發動機萬有特性增壓器竄氣量

在某小排量汽油機上進行萬有特性的增壓器竄氣量測試，如圖8所示。從圖可知該小排量增壓汽油機的增壓器竄氣量呈現以下規律：

8? 發動機萬有特性增壓器竄氣量MAP圖

低負荷由于發動機需要的進氣量相對較少，增壓器并未介入工作，為發動機減少泵氣損失，曲軸箱內廢氣直接流向進氣歧管，缸內燃燒排氣直接通過增壓器廢氣旁通閥泄壓，因此基本無增壓器竄氣量。隨著發動機轉速和負荷升高，增壓器逐步介入，增壓器渦前壓力、中冷前壓建立并且升高，發動機吸入缸內的空氣量逐漸增大，進氣歧管負壓作用使曲軸箱壓力逐步減小，因此增壓器竄氣量逐漸變大。但當發動機轉速負荷繼續增大到一定程度，熱負荷增大，機油溫度升高，發動機機油壓力由低壓轉入高壓模式，另外因為增壓壓力升高和節氣門開度增大，進氣歧管壓力由負壓轉為正壓，為避免氣體倒灌入曲軸箱，曲軸箱氣體改變流通路徑流向空濾后，該情況導致曲軸箱內壓力突然升高，因為機油壓力及曲軸箱壓力的雙重突變作用，增壓器竄氣量出現一個階躍性降低，在萬有特性中形成溝壑。隨發動機轉速負荷繼續升高，曲軸箱壓力持續降低，增壓器兩側壓力、機油溫度在發動機額定點附近達到最大值，增壓器竄氣量也跟隨性的升高，到額定點附近達到最大竄氣量。

由以上可知，發動機萬有特性增壓器竄氣量分布規律是由增壓器渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、機油溫度、機油壓力和曲軸箱壓力共同影響的結果。

3 結論

（1）某汽油機外特性隨發動機轉速升高，增壓器竄氣量相應增大并在發動機額定功率點達到最大值。

（2）渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、曲軸箱壓力、機油溫度、機油壓力對增壓器竄氣量有明顯影響。

（3）渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、機油溫度越低，曲軸箱壓力、機油壓力越高，越有利于減小增壓器竄氣。

（4）發動機萬有特性增壓器竄氣量隨轉速負荷的增加，增壓器竄氣量跟隨性升高，過程中同時受到曲軸箱壓力、機油壓力階躍性變化的影響出現階躍性降低，隨后繼續升高并在發動機額定點附件達到最大竄氣量。增壓器竄氣量萬有特性分布是由渦前壓力、渦后壓力、中冷前壓、機油溫度、機油壓力和曲軸箱壓力共同影響的結果。

參考文獻

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[2] 王雪，李飛，蘇天晨等.乘用車企業平均燃油消耗量及新能源積分評價方法解讀[J].汽車實用技術，2017，（6）：168-170.

[3] 陳紅.汽油機廢氣渦輪增壓技術的研究及發展前景[J].內燃機， 2008，（1）：1-3.

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[5] 王樹青.基于渦輪增壓技術的車用汽油機性能提升及試驗評價[D].湖南大學，2012.