执行器侧曲柄长度对增压器性能影响的研究

马少康，乔佳伟，王义夫，乔闯，梁涛（1.长城汽车股份有限公司技术中心，保定 071000；.河北省汽车工程技术研究中心，保定071000）

执行器侧曲柄长度对增压器性能影响的研究

马少康1，2，乔佳伟1，2，王义夫1，2，乔闯1，2，梁涛1，2
（1.长城汽车股份有限公司技术中心，保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，保定071000）

基本增压压力和增压器效率是衡量增压器性能的重要参数，理论分析了执行器长度的变化对基本增压压力和增压器效率的影响，随着执行器长度的增大，基本增压压力降低，增压器效率提高。通过试验，在初始位置、增长1mm和2mm的状态下，研究了执行器长度对性能的影响，并通过回归方程，预测基本增压压力随执行器长度的变化趋势。结果表明：试验与理论分析一致。回归方程能够表征执行器增长量与最大基本增压压力的相关关系，为增压器和发动机性能的评估提供参考。

执行器长度；增压器效率；基本增压压力；回归方程

马少康

毕业于河南工业大学，硕士研究生学历。现任长城汽车股份有限公司工程师，主要研究方向发动机燃烧开发以及台架标定，已发表论文11篇。

引　言

近年来，随着排放法规的日益严格和资源的日趋紧张，对节能减排的要求也越来越高。由于增压器在提高动力性的同时，能减少排放和降低油耗［1，2］，因此获得越来越多的关注和应用。

增压器与发动机之间的依靠废气实现能量转换，因此能够影响废气状态的因素均能够影响增压器的性能。利用软件模拟能够实现增压器对发动机性能的模流分析，缩短增压器开发周期［3，4］。蜗壳形状［5，6］进排气系统［7，8］、涡前流量［9，10］均能够影响增压器的性能。但对于增压器部件对增压器性能的影响却鲜见报道，基于此，本文通过改变增压器执行器侧曲柄长度，研究了不同长度下增压器效率、基本增压压力的变化，为增压器的性能开发与匹配提供参考。

1　理论分析

1.1基本增压压力的定义以及实现

基本增压压力指增压发动机在各个转速的全负荷工况下增压控制系统不参与工作或失效时，增压器能产生的自然增压压力的最大值。基本增压压力取决于发动机的某个转速工况下的进气量与增压器的特性之间的匹配和废气放气阀的开启压力与发动机的匹配量有关。

当发动机的负荷上升（节气门开度增加，发动机进气量增加），通过排气涡轮的能量增加，使涡轮的转速上升，带动压气机转速上升，使进气得到增压，同时压气机出口压力又作用于废气放气阀执行器的控制气室，当控制室内的压力达到能克服弹簧的预紧力时，废气执行器的推杆才会位移使废气门打开，将排气通过废气门旁通一部分。使涡轮的转速有所限制，当控制室内的压力继续上升，废气执行器的推杆继续左移，使废气门打开更多，如图1所示。排气通过废气门旁通量增加，使涡轮的转速下降，使压气机出口压力也有所下降。则控制室内的压力也有所下降，废气执行器的推杆右移。当整个系统达到平衡后，此时的压气机出口压力即是基本增压压力。

1.2改变执行器侧曲柄L2长度对P-b和的影响

以执行器为受力对象可得执行器的受力状态如式1所示：

以废气旁通阀为受力对象可得力矩平衡方程2。

A为执行器膜盒面积；S为弹簧位移； k为弹簧刚度；D为废气旁通阀直径；P-exh为排气压力，P-b为 基本增压压力；P-cat为排气背压；L1废气旁通阀侧曲柄长度；L2为执行器侧曲柄长度。P1为压气机出口压力； P2为膜盒内部压力， F预为弹簧的预紧力。

当P1=P-b时，由式1、2可整理为：

由式3可知，改变公式中的相关变量均 可以改变增压器的基本增压压力。当增大执 行器侧曲柄长度L2时，保持其余条件不变，在相同工况下，当达到动态平衡后，增压器的基本增压压力减小，废气旁通阀的开度增大，通过废气旁通阀的气体流量增大。随着L2的增大，由上面的分析可知，涡前压力降低而涡后升高。由式4可知，涡轮机的膨胀比减小。

PT为 涡前压力，P3涡后压力。

涡轮机效率为：

K为空气绝热指数，K=1.4； KT为燃气绝热指数，由于涡轮工质主要为燃气，因此 K=1.34；R为空气气体常数，R=287 J/（kg.K）；RT为燃气气体常数，由于涡轮工质主 要为燃气，因此RT= 287.4J/（kg.K），GC压气机实测流量，kg/s；GT涡 轮机实测流量，kg/s；TT为涡轮机进口气体总温，单位为K；λ为空燃比。

当膨胀比减小时，涡轮机效率提高。 压气机效率为：

T1为压气机进口气体总温，单位为K；TC为压气机出口气体总温，单位为K；K为空气绝热指数，K=1.4；π为增压比。

增压器效率可用压气机效率与涡轮机 效率的乘积来表示［11］。

由式4、5、6、7可得，随着执行器长度的增大，涡轮膨胀比降低，而增压器的效率基本是由膨胀比决定［9］，因此，增压器效率随着执行器侧曲柄长度L2的增大而提高。

2　试验设备以及方法

2.1试验设备

试验在一款4缸16气门电控直喷增压汽油机上进行，发动机排量：2L，缸径×行程：82.5mm×92mm，压缩比：9.3，喷油器：6孔，油轨压力：6～20Mpa；燃油型号：京 95#。采用自主开发ECU、电涡流测功机、燃烧分析仪等，台架布置如图1所示：

搭载增压器参数如表1所示：

表1　增压器主要技术参数

2.2试验方案

通过改变执行器侧曲柄长度L2，从而改变增压器的效率和发动机的性能，增大的长度为0mm、1mm、2mm。 在各个长度下，以1000rpm为起点，500rpm为步长，进行基本增压压力测量。

2.3数据测量

试验中利用INCA进行参数控制以及数据的采集，测量时保证节气门开度为100%，增压器的占空比为0。试验过程中控制机油温度为95℃，水温为98℃，进气温度为25 ±5℃。中冷后温度采用台架模拟中冷控制，其控制标准为25+n/200rpm，n为发动机转速。

3　试验结果以及分析

3.1对基本增压压力的影响

由式3可以看到，随着L2的增大，基本增压压力降低，其变化趋势如图3所示。L2越长，基本增压压力越低，在转速为 1500rpm—4500rpm的转速范围内，三种状 态的差别较大。随着转速的增大，其差值逐 渐减小，在转速为5500rpm时，基本增压压 力的差值达到最小3kpa。

从上面分析可以得出，基本增压压力是 衡量一款增压器的增压能力的重要指标，因 此可找到L2调整长度与基本增压压力的关系，进而方便的预测基本增压压力的变化以及评估增压器的效率［9］。基于此以最大基本增压压力为目标，采用最小二乘法，令 y=f（x），将调整长度与相对应的最大基本增压压力（x1， y1），（x2， y2）…，建立可调参数与最大基本增压压力的相关关系，求得回归方程，如式2所示：

其相关系数R2为0.97，可知回归方程有效。

3.2对增压器效率的影响

由图4可以看到，在三种状态下，增压器效率整体上随着转速的上升而下降。在转速为1000rpm—3500rpm的区间内，L2对增压器效率基本没有影响，其增压器效率基本一致。在3500rpm—5500rpm范围内，增压器效率随着执行器侧曲柄长度长度的增长而增加。

由图5可以看到，随着L2增长，膨胀比下降。而由式5、6可知，涡轮机的效率增大，增压器的效率随之增大。

4　结论

通过本次试验可以得到以下结论：

1） 通过理论分析，随着增压器执行器的增长，基础增压压力下降，涡轮膨胀比降低，增压器效率提高；试验结果与理论分析有较好的一致性；

2）线性回归方程能够很好的表征执行器增长量与基本增压压力的相关关系，能够预测基本增压压力和增压器效率的变化趋势。

［1］朱坚. 燃烧系统结构参数对柴油机性能影响 的试验研究［D］.2005.

［2］纪民举. 车用漩涡增压器与发动机匹配特性 研究［D］.2008.

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［4］余冰. 发动机涡轮增压系统匹配及动态特性 的仿真分析［D］. 2010.

［5］纪民举，李 超，刘振全. 车用涡旋增压器与 发动机匹配的理论研究［J］. 压缩机技术2008（3）：14-18.

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［11］涡轮增压器第1部分：一般技术条件［S］. Gb：2009.

［12］孙富强，白伟，李佳等.增压直喷汽油发动机基本增压压力优化的研究［J］. 小型内燃机与摩托车2014（3）： 30-34.

［13］廉乐明. 工程热力学［M］. 北京： 中国建 筑工业出版社.

专家推荐

张建东：

本文理论分析了发动机增压器执行器侧曲柄长度的变化对基本增压压力和增压器效率的影响，并进行了验证试验，试验结果和理论分析相吻合，给出了在选择增压器时的对曲柄长度的选择的依据，为增压器和发动机性能的评估提供参考。文章思路较为清晰，语言流畅，可读性较好。对试验结果的分析对比较为合理，可以作为设计人员的参考。

Experiment Study on Turbocharger Performance with Different Length of Actuator

MA Shao-kang1.2， QIAO Jia-wei1.2， WANG Yi-fu1.2， QIAO Chuang1.2， LIANG Tao1.2
（ 1.Technical Center ，Great Wall Motor Co.，Ltd.， Baoding 071000， China； 2.Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center， Baoding 071000， China ）

Basic boost pressure and supercharge efficiency have a important effect on the performance. The influence of them by actuator length changed was studied. Basic boost pressure reduced and supercharge efficiency improved with the increasing of actuator length. Three conditions of actuator was taken into the experiments： original position、1mm and 2mm increased. Regression equation was used to express the trend of basic boost pressure with actuator length changed. The result show that experiment have a better match with theory analysed. regression equation is able to express the relationship between added length and basic boost pressure， provide a reference to evaluate the performance of supercharge.

Actuator length； turbocharger efficiency； basic boot pressure； regression equation

TK411

A

1005-2550（2015）05-0051-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.010

2015-04-16