涡轮增压技术论文(完整版)

Max Lei 2012-05 波斯文化荣誉出品 1 美国汽车工程师学会

摘要 涡轮增压直喷共轨发动机相比其他自然吸气的发动机有较多的益处，不仅在功率和扭矩输出性能上具有较大的提升，同时，在燃油消耗率和排放方面也有很大的改善。这些技术也会让发动机在较稀薄的空燃比下运转成为可能，因而可以减小有害颗粒物的排放并实现通过更高的EGR流量。 在本篇著作中，为了改善输出功率和扭矩，一台搭载货车平台的两缸自然吸气的直喷共轨发动机配备了涡轮增压器，结果配备这种发动机的整车能承载较大的负重。带涡轮增压器的发动机和自然吸气的发动机本体构造和硬件配置保持不变。固定搭配，废气阀控制增压器使用时通常配有中冷器 在采用了带废气阀控制的增压器后，可以使自然吸气发动机的比功率 提升20KW/lit,最大比扭矩提升60.5Nm/lit,，燃油消耗率和排放同样得到改善，同时，最大爆发压力和涡轮进口温度报纸在系统限值内。通过减小压缩比，额定功率可提高超过80%，扭矩提升接近110%。在这个NA发动机上配备VGT的增压器及减小压缩比，可使额定功率和扭矩很好的提升大约140%和130%，在燃油经济性、排放、噪声方面获得较高的利益。 在发展中国家，应用到装载车或乘用车单缸或两缸发动机，这些是典型的自然吸气，并且通常不能达到排放规范，因此，涡轮增压技术对其改善动力性和满足排放法规的要求有着重要里程碑的意义。

引言 为满足欧四或更高的排放法规要求，在直喷柴油机的优化设计上，涡轮增压技术是达到高的升功率其中一个很重要的手段。对于输出的升功率小于50kw/lit,可能会用到废气旁通阀。带废气阀的增压器对于提高额定功率、最大扭矩及排放提供了有效的成本措施。随着进气流量的调整匹配涡轮和压气轮的截面也是至关重要的。较大的压气机气缸在高速时有较多的空气流量，但是在低速负荷点有反作用。大点的涡轮壳体直径由于较低的泵气损失从而改善了高速时的进气流量和燃油消耗率。

带涡轮增压技术的两缸直喷小型柴油机——在改善动力、低速扭矩及燃油消耗率的经验 2011-24-0133 出版2011.9.11 翻译：雷 波 Max Lei Max Lei 2012-05

波斯文化荣誉出品 2 可变截面涡轮增压器使发动机升功率达到50Kw/lit或更大，基于以上提到的灵活的增压控制系统，能够使发动机低速时的增压压力和空气流量显著提高，因此使低速扭矩得到提升和燃油供给更省油。在高速时，叶片充分打开以形成较大的流通面积，减小了发动机排气背压和拥有更加经济的燃油消耗率。前期的研究表明，运用VGT技术，使得发动机在低速时的扭矩和燃油消耗率有了可观的改善和卓越的表现。 在这份研究论文中，一台0.909升排量的自然吸气共轨直喷柴油机，目前已批产并为搭载载货货车而挑选合适的增压器。运用带有废气阀的增压器能够帮助同样的发动机获得功率的提升，应用于更强的载荷、载客能力的车上。在VGT的帮助下，在小型乘用车上的功率和低速扭矩提升到所需的水平。因此，小型两缸发动机的优势，包括较高的燃油经济性，低成本和重量，沿用到不同的汽车平台。普通发动机的成本优势也可以实现。

自然吸气发动机本体 本体是两缸自然吸气、排量0.9L的高压共轨直喷发动机，采用双顶置凸轮轴，每缸四气门布置，如图一所示: Max Lei 2012-05

波斯文化荣誉出品 3 发动机基本性能目标如表一所示：

平衡块的加入主要用于平衡主要的力，并且通过正时齿轮驱动，节省了成本并且改善了稳健性。前罩盖已模块化，并且由十三个零部件组合而成的，包括水泵、油泵、机油滤清器、张紧器、发电机支架以节省空间和重量。 发动机的技术参数如表二所示： 发动机类型 2缸直喷柴油发动机

吸气方式 自然吸气，每缸四气门， 带有液压间隙调节器的双顶置凸轮轴 缸径*行程(mm) 83*84 工作容积（cc） 909 压缩比 18.5 喷油系统 第二代博世共轨系统 最大喷射压力 1450bar 喷射类型 博世第二代，电磁阀控制，7孔 喷油泵类型 博世PF51

博世的PF51燃油泵通过单体活塞建立燃油压力，活塞由平衡轴来驱动，博世第二代共轨系统，最大喷射压力可达到1450bar,喷油器由电磁阀控制，每循环最大能达到5次喷射。 在匹配增压器的过程中，发动机本体构造保持不变。附加机油冷却器用于吸收额外的热量，鉴于目标排放法规，也需要加上EGR 冷却器。

试验方案和条件 试验在一个较高的动力试验台架上完成，需要拥有最大扭矩达到255Nm和最大功率达到120kw的能力，并具备倒拖能力。试验台架的运转由接口软件控制，排烟用烟度计测量，排放分析仪用来测量排放物和空气流量。也需要获取缸压数据和分析的设备。台架的进气条件在压力为1000mbar,温度为250℃及40%的相对湿度。台架搭建的原理图如表二所示： Max Lei 2012-05 波斯文化荣誉出品 4 表二 台架搭建 发动机的边界条件如表三： 参数 最大限制

最大爆发压力（bar） 160 涡前进气温度(℃) 780 油温(℃) 120 中冷后温度(℃) 55 排烟（FSN） 2.5

应用废气阀增压器后功率提升的方法 自然吸气发动机运转过程中的最大爆发压力远低于系统的160bar，因此通过增加进气密度可将潜在的功率输出提升是很明显的。带有废气阀固定叶轮增压器对于无需增加额外成本和复杂性并提升功率是一个很可观的选择。

增压器构造对发动机性能的影响 为满足发动机进气流量要求去匹配发动机的几何构造是一项至关重要的工作。从增压器理论来讲，在高速时，较大的涡轮壳体直径是有利，因为它能释放较高的空气流量和较好的燃油消耗率。因此，两台不同的涡轮壳体直径和相同压缩直接的增压器进行试验，增压器的外形构造在表四中给出：

空气调节系统 缸压测量 发动机 测功机 接口软件 烟度计 排放分析仪 Max Lei 2012-05

波斯文化荣誉出品 5 增压器 涡轮壳体直径 TC1 小一点

TC2 比TC1大12% 对于相同的燃料消耗率，喷射正时开启和喷射压力，性能对比如图三所示： Max Lei 2012-05

波斯文化荣誉出品 6 在转速超过2400rpm时，由于废气能量的充分利用和更低的泵气损失，TC2相比TC1多出3%进气流量。因此，扭矩提升1%，而且在中、高负荷的排烟改善3~5%。由于较低的排气背压，燃油消耗率改善了1%，并且TC2涡前温度降低了超过10℃，在低转速下（小于2000rpm）,TC1的进气流量比TC2的要多1%，主要因为小点的涡轮壳体截面积可以加快排气流速，并且驱动涡轮叶轮高速旋转。在低速时和TC2一样，扭矩、排烟、燃油消耗率及涡前进气温度的不利后果是可以忽略的。 两台增压器的压气机表绘图如四，如预期，一样设定放气阀弹簧的刚度同样的增压压力，在高速时TC2进气流量更大，在低速时，小涡轮壳直径的TC1由于前面提到的原因释放出更高的增压压力。两台增压器落在相同的效率区域内。鉴于这些因素，在高速时要提供所需的进气流量通常选择TC2。

图四 TC1和TC2的压缩表绘图 对比自然吸气发动机的性能，如图5，显示出增压器的影响，在低速时由于控制增压和中冷，空气流量增加超过80%。在发动机高转速范围内，空气流量的增加对于排气能量的充分利用有着尤其重要的意义。 Max Lei 2012-05

波斯文化荣誉出品 7 图5 自然吸气和带增压器的发动机工况 在3600rpm时，增加燃油消耗率可使扭矩提升86%，并且峰值扭矩提升82%，自然吸气发动机的最大扭矩通常在2200rpm，超过这个转速排烟就是限制了燃油消耗。通过合理选择增压器和设定放气阀开启压力，在增压发动机上的峰值扭矩区域将延至3000rpm。因为增压器，整个发动机的转速范围内空气流量增加在80%~120%。调节增压压力以便增压发动机相比自然吸气发动机能在更高的过量空气比下工作。在增压器运转时，运转可靠和较好的燃油均匀性是较低排烟和燃油消耗率的主要原因，在增压器运转时，燃油消耗率主要改善了2~7%，并且排烟减小至60%。 Max Lei 2012-05 波斯文化荣誉出品 8 自然吸气和增压发动机在相同的负荷点运转时，缸压和放热率方面的对比如图6所示。放热率测量按照海伍德提出来的基本原理来计算。

压力设备消除了杂音使得放热曲线平滑。在2200rpm和6.5barBMEP相同的工作点的对比。两种方案保持相同的喷口直径。

图6 由于更多的压缩空气的量，导致过量空气系数约74%多，带增压器的发动机的缸压更出13%。然而，由于增压器运转中更好的预混合和短暂的点火延迟，压力是逐渐上升的。放热曲线显示相同的喷油正时，在自然吸气发动机上点火延迟更长。导致大部分都在混合燃烧阶段和较微弱的混合控制燃烧阶段，燃烧在高Max Lei 2012-05 波斯文化荣誉出品 9 峰期发生并剧烈，在增压器运转过程中，由于更高的进气压力点火延迟更短，并且在低点逐渐放热。在放热曲线图上测的了喷射开始到燃烧开始的自然吸气和增压器发动机点火延迟周期，如表5：

在增压发动机上，更短的滞燃期和更缓慢的热量释放有效降低了NOX排放，同时由于有效地改善了空气是碳烟也有所降低。碳烟-NOX点从原始位置的变换如图6.碳烟来源于通过事先计算好衰退原则排烟数量。

喷油排布影响的评价 喷嘴结构和流量参数显示受喷射孔尺寸、雾化，穿透力和混合的影响。喷嘴孔位置，他们相对间距和孔直径，还有湍流率通过喷油器影响扭矩、燃油消耗率和排烟。将评价这些参数的影响。

喷嘴孔的直径和数量的影响 在试验中给出喷油器的构造如表6，喷油器A的基本孔直径是0.127mm。每只喷油器每单位之间的总流量保持相同。