小排量增压汽油机的设计构想

钟 成

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州 545005）

相对于柴油机而言，汽油机在小排量，尤其是微型车发动机领域，有其独特的应用优势及地位，通过引入涡轮增压器，汽车制造商可以提供较小排量的汽油机。与现有的同类产品相比，这种发动机的性能持平或更高，而油耗量较低；加上车辆净质量的减轻，可减少汽车的碳排放量。根据对欧洲200种汽油车的调查，相同功率的发动机，增压发动机的排量可以比自然吸气式的排量减小18%～35%，燃油经济性可以提高10%左右。

1 汽油机增压的种类

（1）机械增压系统。这个装置安装在汽油机上并由皮带与汽油机曲轴相连接，从汽油机输出轴获得动力，来驱动增压器的转子旋转。其优点是涡轮转速和汽油机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。但消耗了部分动力，增压出来的效果并不高。

（2）气波增压系统。利用高压废气的脉冲气波，迫使空气压缩。这种系统增压性能、加速性好，但是整个装置比较笨重，不太适合安装在体积较小的微型汽车上。

（3）废气涡轮增压系统。利用汽油机排出的废气惯性冲力，来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当汽油机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大，可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量，就可以增加汽油机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩，要增大20%～30%。

2 结构设计

根据项目要求，首先确定汽油机的各项参数，如缸数、缸心距、缸径、冲程、连杆长度以及运行方式、点火系统、增压系统等。根据这些要求，进行汽油机零部件的设计工作。

2.1 热力学计算

首先用GTPOWER软件，对汽油机进行一维的热力学计算，构建如图1的GTPOWER一维模型，在对设计的新汽油机进行热力学计算时，可先对标竿机（benchmark）测试，获得如各转速下的摩擦功、扭矩等参数，并输入当前设计模型中；再根据目标车型的具体情况与项目要求，修改如进、排气歧管的大小、长短、缸径、冲程等新设计汽油机的参数，用GTPOWER对设计目标参数进行预测（如图2）。

图1 汽油机GT_Power热力学计算模型

图2 性能图

根据计算结果，对下列参数进行优化：

（1）配气相位；

（2）进排气升程曲线；

（3）进排气系统尺寸（进排气管和进排气道直径、长度、体积）；

（4）涡轮增压器特性；

（5）气道流量特性的影响；

（6）进排气系统的压力损失。

2.2 功能系统设计

（1）缸体系。考滤到微型车的结构与使用环境，缸体的基本构造，采用长裙型加冲压油底壳的传统设计方式。当前很多微型及普及型小型汽油机，都采用此方式，具有相当的可靠性。为了有利于轻量设计和提高与变速箱的结合部刚度，缸体的裙部采用龙门式；增压汽油机为了抑制活塞温度的上升过大，必须在缸体上设计机油冷却喷嘴。

选择合理的冲程与缸径比（S/B），有利于提高汽油机的稳定性和可靠性。从纯技术角度来看，存在性能、燃烧效率、净质量等方面都均衡的好，最合适的是S/B≒1.05～1.15；但从同一缸径的设计合理性和紧凑性的设计方法来看，性能、燃烧效率、净质量上不一定是最合适的，但是从优先生产合理性角度考虑，将S/B比设定在设计极限范围S/B≒0.9～1.2的范围的例子也普遍存在（如图3）。

图3 冲程缸径-缸心距比线图

关于缸体的缸间壁厚，当缸径与缸心间确定以后，也就基本确定了（根据如图4），与当前市场上的机型比较，最后确定缸心距设计合理。

图4 缸间壁厚图

为加速暖机，以达到降低尾气排放和摩擦损失的目的，对于缸体采用浅水套设计；当前浅水套已经成为缸体设计的主流（如图 5）。

图5 水套深度分布

高速转动的涡轮增压器的轴承，必须高进行强制润滑，为确保可靠性与油压的稳定，采用直接从主油道供油的方式。

（2）缸盖系。缸盖是汽油机重要的与性能关系密切的部件。气道的形状、燃烧室的容积与表面积的大小，对于汽油机的性能和排放有很大的影响。对于燃烧室的设计，在设定的压缩比情况下，其表面积的大小对汽油机的排放的较大的影响（如图 6）。

图6 燃烧室容积

在增压汽油机工作时，空气被高比例压缩后，会产很高的压缩生成热量，从而使空气膨胀，空气的密度降低，而同时也会使汽油机温度过高，极易造成汽油机的损坏。为了得到较高的容积效率，在空气注入汽缸之前，对高温空气进行冷却。这就需要加装一个中冷器，将高温高压空气分散到中冷器众多细小的管道里，而管道外有常温空气高速流过，从而达到降温目的（可以将气体温度从150℃降到50℃左右）。中冷器位于汽油机和涡轮增压器之间。

3 增压汽油机带来技术的问题

涡轮增压技术能使在同等功率、扭矩下，减小发动机的工作容积，同时也为汽油机带来了工作压力大、温度高、强度相对降低等问题。

3.1 缸盖系的可靠性

（1）缸盖本体的耐热性。与自然吸气机型相比，增压机型的热负荷增大，作为对应热偏差和燃烧室内壁龟裂的对策，有必要提高热强度；

（2）排气门和气门座圈的耐热性。此处最易产生致命问题，所以要在提高气门座圈材料等级的同时，优化燃烧室与排气道路附近的冷却水道路，强化水套的冷却性。

（3）活塞漏气系的可靠性（机油携带量）。燃烧压力和漏气量成正比，在设计缸盖罩的油气分离装置必须采用加强措施，如有必要，这应采取控制机油携带量的措施。

3.2 气缸垫密封的可靠性

可靠的缸垫密封性能，可保证发动机在高的燃烧压力下，正常稳定的工作。其中两缸之间的密封，是较薄弱的地方，必须保证其密封的可靠性，否则很容易使发动机损坏。

图7 气缸垫有效密封宽度

3.3 曲轴系的可靠性

（1）曲轴及连杆的可靠性。相同排量的增压汽油机，与自然吸气发动机相比，其爆发压力、扭矩都要大很多，因此必须加强曲轴的力学性能；要分析曲轴的机械强度、刚度及轴承材料的可靠性；需确认连杆屈服强度。

（2）轴瓦可靠性。由于增压汽油机的爆发压力增大，连杆瓦的面压是最易出问题的，所以确认曲柄销径的合理性和耐烧结可靠性极为重要。

3.4 活塞和活塞环的耐高温性

（1）必须强化活塞的耐热性；

（2）必须制定减少活塞环漏气量的对策。

3.5 发动机功率输出传递系的可靠性

由开增压汽油机的扭矩及功率，与自然吸气机型相比要大许多，如果用相同排量汽油机的离合器，磨擦片有打滑的风险；如果空间允许，可加大飞轮的直径，加大摩擦片的面积；如空间不允许，则只能增大离合器的压紧力，强化飞轮的防滑安全性，增大离合器扭矩的传递容量。

4 结束语

市场需要低CO2排放的汽油机。达到低CO2的好方法，是通过提高汽油发动机的比扭矩水平，这可使工作容积较小发动机，替代较大工作容积的汽油机，实现小排量化；采用汽油机小排量化方法，不仅可以减少泵气损失和机械磨擦损失，而且还可获得改善指示效率方面的收益。

本文以增压技术来获得汽油机高的比扭矩水平，与自燃吸气机型相比，可获得明显的燃油经济性。

[1]朱仙鼎.中国内燃机工程师手册[M].北京：科学技术出版社，2000.

[2]Lake T，Stokes J，Murphy R.小排量化直喷式汽油机涡轮增压概念[J].国外内燃机，2006，(2)：47-54.