某汽油發(fā)動機渦輪增壓器結(jié)焦問題的研究

王成輝 夏志豪 潘建考

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

在發(fā)動機工作過程中，渦輪增壓器的作用是利用發(fā)動機燃燒排出的廢氣能量沖擊渦輪產(chǎn)生動能，并帶動同軸的壓輪壓縮空氣做功，從而提高進氣壓力及進氣量，使其充分與燃料混合后燃燒，發(fā)動機的功率和轉(zhuǎn)矩由此大幅提高。然而在一定條件下，渦輪增壓器會發(fā)生結(jié)焦的現(xiàn)象，不僅會對壓氣機效率產(chǎn)生影響，使發(fā)動機性能下降，還會對動平衡產(chǎn)生不利影響，引起噪聲和振動，導(dǎo)致發(fā)動機工作異常。因此增壓器結(jié)焦問題必須予以重視。本文對增壓器結(jié)焦的原因進行解析，并提出在開發(fā)前期防止和減輕增壓器結(jié)焦的技術(shù)措施，為減輕增壓器結(jié)焦狀況提供了有效的設(shè)計思路和改進手段。

1 汽油發(fā)動機增壓器結(jié)焦現(xiàn)象描述

結(jié)焦是機油中的雜質(zhì)在高溫揮發(fā)、氧化后發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，在一定溫度下長時間累積的過程。渦輪增壓器發(fā)生結(jié)焦主要表現(xiàn)在3 個方面。

1）增壓器本體結(jié)焦位置

增壓器壓端進出口產(chǎn)生大量油污，并且有明顯的結(jié)焦物質(zhì)。如圖1 所示為試驗前后增壓器壓端狀態(tài)對比圖，可以看出試驗后增壓器的壓端存在明顯結(jié)焦。

圖1 試驗前后增壓器壓端狀態(tài)對比圖

2）增壓器結(jié)焦對壓氣機效率的影響

結(jié)焦后增壓器效率變化明顯，圖2 為試驗前后增壓器效率對比圖，由圖可見結(jié)焦后增壓器效率明顯下降。

圖2 試驗前后增壓器效率對比圖

3）增壓器結(jié)焦對發(fā)動機性能和中冷前溫度的影響

結(jié)焦后發(fā)動機中冷前溫度明顯升高，功率和轉(zhuǎn)矩均出現(xiàn)衰減。圖3、圖4、圖5 為增壓器結(jié)焦物質(zhì)清洗前后發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩和中冷前溫度的變化趨勢圖，清洗完結(jié)焦物質(zhì)后發(fā)動機性能明顯提高，中冷前溫度也明顯變化。

圖3 清洗前后發(fā)動機功率的變化趨勢圖

圖4 清洗前后發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的變化趨勢圖

圖5 清洗前后中冷前溫度的變化趨勢圖

2 汽油機增壓器結(jié)焦的原因分析

2.1 結(jié)焦物質(zhì)分析

提取增壓器壓氣機出氣口結(jié)焦物進行檢測，并對比機油和汽油的占比，如表1 所示。

表1 增壓器結(jié)焦物質(zhì)分析對比 mg/kg

以上對比分析說明汽油機增壓器壓氣機入口表面形成的結(jié)焦物主要由機油結(jié)焦導(dǎo)致。

2.2 機油路徑分析

機油來源的主要路徑為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和增壓器本體，進行如下分析。

2.2.1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)分析

如圖6 所示為該汽油發(fā)動機的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，活塞中竄出的氣體通過缸孔進入曲軸箱后，經(jīng)過缸蓋與缸蓋罩結(jié)合處的開口進入了氣缸蓋罩內(nèi)，通過氣缸蓋罩進入油氣分離器進行油氣分離[1]。分離后的機油流回到油底殼里，分離后的氣體通過不同管路進入燃燒室進行燃燒。

圖6 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油攜帶量的大小主要取決于曲軸箱的漏氣量和油氣分離器的分離能力，圖7 為該發(fā)動機曲軸箱的漏氣量試驗結(jié)果，漏氣量滿足設(shè)計要求，本次主要分析油氣分離器的分離效率。

圖7 發(fā)動機曲軸箱的漏氣量試驗結(jié)果

2.2.2 增壓器本體泄漏分析

本次研究的增壓器壓端和渦端都是雙環(huán)密封，泄漏的可能性非常小。試驗前后增壓器核心部件的泄漏量對比見表2，泄漏量相差2.8%且均滿足泄漏標準要求。

表2 試驗前后增壓器核心部件的泄漏量對比

2.3 渦輪增壓器壓氣機分析

如圖8 所示為經(jīng)典的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，發(fā)動機渦輪增壓系統(tǒng)將廢氣引入渦輪，利用廢氣中的能量推動渦輪高速轉(zhuǎn)動，帶動與渦輪同軸的壓氣機壓縮新鮮空氣，經(jīng)中冷器冷卻后進入進氣歧管[2]。空氣經(jīng)過壓氣機作用后，其形態(tài)發(fā)生很大的變化，通過能量轉(zhuǎn)化，壓氣機葉輪將動能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力和速度，因此氣體壓力P、溫度T、流速c 都迅速提升[3]。

圖8 經(jīng)典的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)示意圖

增壓器結(jié)焦跟溫度高低有很大的關(guān)系，發(fā)動機運行在大負荷工況，溫度越高，持續(xù)時間越長，結(jié)焦情況越發(fā)嚴重。增壓器結(jié)焦后效率明顯降低，壓氣機性能同步降低，為了保證發(fā)動機燃燒所需的進氣量，增壓器做功增加，壓端溫度進一步提升，導(dǎo)致結(jié)焦問題惡性循環(huán)。因此結(jié)焦程度跟增壓器的效率及性能強相關(guān)。

3 防止和減輕增壓器結(jié)焦的措施

如上原因分析，引起汽油機增壓器結(jié)焦的主要因素有曲通系統(tǒng)的機油攜帶量和增壓器壓端溫度等。曲通系統(tǒng)的機油攜帶量主要跟油氣分離器的分離效率相關(guān)，增壓器壓端溫度主要跟增壓器匹配發(fā)動機的效率及性能相關(guān)。因此提高油氣分離器的分離效率和增壓器性能匹配優(yōu)化是本次研究減輕增壓器結(jié)焦的主要方向。

3.1 曲通系統(tǒng)機油攜帶量的控制措施

3.1.1 油氣分離器分離效率的優(yōu)化

油氣分離效率跟油氣分離器本體有很大關(guān)系，本次研究對象為迷宮+PRV 結(jié)構(gòu)的油氣分離器，油氣分離器的爆炸圖如圖9 所示，由粗分離模塊、精分離模塊、回油腔、閥和壓力控制閥組成。粗分離由3 處擋板及沉積腔構(gòu)成，通過將油氣加速，使大油滴碰撞擋板并在沉積腔內(nèi)流速變慢而沉積回流到回油道內(nèi)，從而實現(xiàn)大直徑油滴的分離功能；精分離模塊由4 多孔板、5 毛氈、6 撞擊板構(gòu)成，通過毛氈、撞擊板的分離作用將油氣中的中、小粒子直徑油滴分離出來；回油腔將精分離模塊分離出來的油滴匯集并儲存到回油腔內(nèi)，在發(fā)動機小負荷或停機工況下回油閥打開，將回油腔內(nèi)儲存的機油排到回油通路內(nèi)。

圖9 油氣分離器爆炸示意圖

在保持原有結(jié)構(gòu)不變，對油氣分離器的粗分離、精分離模塊進行優(yōu)化：

1）在下殼體7 上增加擋板并提高凸臺高度，優(yōu)化粗分離結(jié)構(gòu)，加強粗分離效率，使更多的大油滴碰撞沉積，從而提高粗分離效率；

2）在撞擊板6 上增加溝槽和倒角，優(yōu)化精分離結(jié)構(gòu)，加強中小粒子直徑油滴的碰撞并被攔截，從而提高精分離效率；

3）在下殼體7 上粗分離后增加1 個回油孔，如圖10a 所示；精分離后增加1 個回油孔，如圖10b 所示；使沉積下來的油滴更順暢地回流到回油道內(nèi)。

圖10 下殼體增加回油孔的結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 油氣分離器優(yōu)化前后的對比驗證

1）分離效率仿真分析對比

對優(yōu)化后的模型進行分離效率仿真分析，通過分析0.6～5 μm 油滴直徑的流動路徑，以撞壁即分離為準則，在油氣分離器設(shè)計階段預(yù)估發(fā)動機全壽命內(nèi)的最大流量，即油氣分離器額定流量80 L/min 的條件下，對油氣分離器總成進行分離效率仿真分析，分析結(jié)果見表3，可以看出優(yōu)化后油氣分離器的分離效率明顯提高。

表3 優(yōu)化前后分離效率仿真分析對比

2）優(yōu)化前后試驗驗證對比

在保持發(fā)動機工作邊界一致的前提下，對優(yōu)化前后的油氣分離器進行機油攜帶量對比試驗，試驗結(jié)果見表4。通過試驗結(jié)果對比，優(yōu)化后油氣分離器機油攜帶量明顯降低。

表4 機油攜帶量試驗結(jié)果

可以看出優(yōu)化后的油氣分離器分離效率明顯提高，曲通系統(tǒng)機油攜帶量相對減少，從而減輕增壓器結(jié)焦。

3.2 渦輪增壓器性能匹配優(yōu)化

3.2.1 增壓器葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

壓氣機效率越高，在同一增壓壓力時空氣溫度越低，從而所得到的增壓空氣密度就越高，增壓效果也越好[4]。根據(jù)增壓器結(jié)焦主要出現(xiàn)在高速大負荷區(qū)域工況，針對性地提高高速高負荷區(qū)域渦輪增壓器的效率，對壓氣機葉輪進行改進。影響壓氣機性能的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，例如壓氣機的進口直徑、葉輪形狀、葉片進出口角、葉高等[5]。通過對壓氣機不同的葉片進出口角進行研究，選擇葉片進出口角作為優(yōu)化參數(shù)，將葉片進出口角進行一定改進，改進前后的葉輪變化如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化前后增壓器葉輪結(jié)構(gòu)對比

3.2.2 優(yōu)化設(shè)計的壓氣機性能計算

對優(yōu)化后的壓氣機進行性能計算，獲得在不同轉(zhuǎn)速時的效率及壓比隨流量的變化值，并結(jié)合發(fā)動機的運行曲線，將這些性能參數(shù)繪制成壓氣機流量特性曲線，優(yōu)化前后的壓氣機聯(lián)合運行曲線對比如圖12 所示。

圖12 優(yōu)化前后的壓氣機聯(lián)合運行線對比

從增壓器壓比上看，優(yōu)化后的葉輪在各轉(zhuǎn)速下能達到的最高壓比均高于原狀態(tài)葉輪，更容易達到發(fā)動機預(yù)定的壓比，滿足增壓需求。從效率上看，發(fā)動機運行在高速大負荷區(qū)域，高效率覆蓋的范圍更大，高速大負荷區(qū)域的壓氣機效率更高。因此在同一壓比下，空氣經(jīng)增壓后達到的溫度更低，增壓效果比采用原葉輪的壓氣機更好。從喘振上看，優(yōu)化后計算壓氣機喘振裕度為15%，滿足要求。

綜上所述，優(yōu)化葉輪后的發(fā)動機在高速高負荷區(qū)域時擁有更寬廣的效率，從而達到更好的增壓效果，降低增壓后的空氣溫度。

3.2.3 葉輪優(yōu)化后發(fā)動機性能試驗

選取一臺性能正常的發(fā)動機，在保持發(fā)動機工作邊界一致的前提下，對匹配2 種葉輪狀態(tài)增壓器下的發(fā)動機進行外特性試驗，工況為1 000，1 250，1 500，2 000，……，4 500，5 000，5 500 r/min。

1）發(fā)動機轉(zhuǎn)矩

對比2 種增壓器狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩，低速轉(zhuǎn)矩基本保持一致，高速轉(zhuǎn)矩略微提升，滿足性能要求，如圖13 所示。

圖13 優(yōu)化前后發(fā)動機轉(zhuǎn)矩對比

2）發(fā)動機功率

對比2 種增壓器狀態(tài)下的功率，低速功率基本保持一致，高速功率略微提升，滿足性能要求，如圖14 所示。

圖14 優(yōu)化前后發(fā)動機功率對比

3）發(fā)動機中冷前溫度

對比2 種增壓器狀態(tài)下的發(fā)動機中冷前溫度，在發(fā)動機高速區(qū)域，優(yōu)化后的增壓器對發(fā)動機中冷前溫度有明顯的改善（4 000～5 500 r/min 工況），如圖15 所示。

圖15 優(yōu)化前后發(fā)動機中冷前溫度對比

由此可見，優(yōu)化葉輪后的渦輪增壓器本體性能和搭載在發(fā)動機上的性能及中冷前溫度都有改善，使增壓器壓端溫度降低，從而減輕增壓器結(jié)焦。跟蹤優(yōu)化后渦輪增壓器搭載發(fā)動機進行耐久驗證，耐久后結(jié)焦情況明顯減輕，耐久試驗過程中性能無明顯衰減，耐久后性能復(fù)試滿足技術(shù)標準要求。

4 結(jié)論

耐久試驗過程中增壓器結(jié)焦主要是由于機油在高溫環(huán)境下?lián)]發(fā)、氧化，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)并長時間積累所致。本文從減小曲通系統(tǒng)機油攜帶量和降低增壓器壓端溫度2 大要素著手減輕增壓器結(jié)焦的風(fēng)險，運用的主要措施有：

1）提高油氣分離器分離效率。優(yōu)化粗分離和精分離模塊結(jié)構(gòu)，通過仿真分析及曲通系統(tǒng)試驗進行優(yōu)化前后的對比驗證，提高油氣分離效率，減少機油攜帶量，降低結(jié)焦風(fēng)險。

2）提高增壓器在高速大負荷區(qū)域的效率。優(yōu)化增壓器壓輪葉片形狀，通過壓氣機性能計算及發(fā)動機性能試驗進行優(yōu)化前后的對比驗證，降低增壓器壓端溫度，從而減輕增壓器結(jié)焦。