汽油机涡轮增压器的特点初谈

马国山，毕金光，王银凤，许骐骏，王福生，许成（宁波威孚天力增压技术有限公司，浙江 宁波 315034）



汽油机涡轮增压器的特点初谈

马国山，毕金光，王银凤，许骐骏，王福生，许成
（宁波威孚天力增压技术有限公司，浙江 宁波 315034）

在汽油机涡轮增压器技术研究的基础上，在经历了与汽油机主机厂同步开发多款汽油机增压器后，我们对汽油机增压器的特点有了初步的认识。本文从汽油机涡轮增压器的性能、可靠性、匹配和制造等方面，并通过与柴油机涡轮增压器的比较，初步分析和总结了汽油机涡轮增压器的特点。

汽油机；涡轮增压器；特点

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.026

CLC NO.: U464.135Document Code: AArticle ID:1671-7988(2016)08-85-03

前言

涡轮增压可在保证动力性的前提下降低发动机排量，大幅度提高发动机的燃油经济性，减少二氧化碳排放，是发动机节能减排的重要战略措施和核心关键技术之一[1]。

汽油机增压由于存在着爆燃、排温高等技术困难，实际应用较柴油机要晚的多[2]。国际上，七十年代末汽油机涡轮增压得到突破，之后得到了实际应用[3]。八十年代汽油机增压技术趋于成熟，九十年代以来逐步得到了发展和普及。近年来，国内民族品牌汽油机厂家也大力开发增压型汽油机，许多厂家已完成了1～2款增压机型的产品开发，开始批量生产。现阶段汽油机新品开发中，几乎 100%采用了涡轮增压技术。

适应市场的需要，近年来，我们开展了有关汽油机涡轮增压器（以下，简称汽油机增压器）的研究，如汽油机两阀（回流阀和压力控制阀）的机理的研究，涡轮叶轮和涡轮箱等耐热材料的应用研究和汽油机与涡轮增压器的匹配研究等，为汽油机增压器的开发奠定了基础。在此基础上，我们与部分发动机厂家同步开发涡轮增压汽油机。先后开发了1.0升、1.4升、1.5升、2.0升汽油机增压器。开发期间在增压器单体方面进行了性能、噪声、包容、耐久和部分专项试验等；在发动机台架上随发动机进行了性能，200小时启停，350小时热冲击，400小时耐久等试验，进行了涡轮增压器振动噪声、轴心轨迹、回热和密封性等专项试验；在整车上随发动机进行了三高（高温、高原和高寒）试验及整车路试试验等。期间解决了许多开发中的问题，如增压器性能一致性问题，噪声问题，发动机低速扭矩衰减问题及涡轮箱变形和开裂等可靠性问题。在研究和开发过程中，形成了对汽油机增压器的特点的初步认识。

汽油机增压器的特点，一般源于汽油机的特点，而汽油机的特点又是与柴油机比较而言的，以下分5个方面，对汽油机的特点，予以叙述：

1、汽油机增压器的性能特点

1.1汽油机增压器的流量范围宽

一般汽油机的转速范围在1000r/min～6000r/min之间，而柴油机的工作转速一般在1000r/min～4000r/min之间。发动机为活塞往复式结构，空气流量基本与发动机转速成正比，因此，同样的排量下，发动机转速高，则空气流量越大。涡轮增压器是叶片机械，与发动机之间通过气动联系，汽油机增压器压气机的流量，应与发动机的流量相适应。也即汽油机增压器的压气机流量一般较柴油机的宽,见图3，压气机特性曲线比较。

1.2汽油机增压器压比不宜太高

汽油机燃料是汽油，活塞压缩的是油气混合汽，混合气靠电火花点燃。柴油机燃料是柴油，压缩的是空气，靠喷油时自燃。所以，汽油机存在爆燃问题，为此，压气机压比不宜太高，一般应在2左右，汽油机采用直喷技术下压比一般也不超过2.5。为了控制压比，汽油机涡轮增压器上装有压力控制阀，通过ECU控制增压器涡端放气阀的开启大小，来控制增压压力达到预定值。因此，汽油机增压器较柴油机增压器增加了一个压力控制阀，参见图1。

ECU通过占空比控制通向放气阀执行器的压力（P3)，占空比与控制压力的规律见图4。

1.3汽油机增压器要适应节气门调节工况

汽油机的过量空气系数一般为0.85～1.15之间，超出这个范围，汽油就无法直接点燃。柴油机在过量空气系数为1.2～2.2之间，范围比较大。汽油机通过节气门调节量（空气量或混合汽量）来调节功率的，而柴油机则通过质（喷油量）来调节功率的。如以汽油机为动力的汽车在行驶中，需突然减小功率时，即节气门突然关小，由于惯性的作用增压器压气机出口的空气继续流出，由于节气门已关小，则使压力突然增高，导致压气机喘振。为避免此情况出现，在压气机壳出口处增设一个回流阀，将气体返回到压气机进口。即汽油机增压器较柴油机增压器增加了一个回流阀，参见图1。

2、汽油机增压器的可靠性特点

汽油机压缩比一般在6～11之间，柴油机压缩比一般在17～22之间。由于汽油机压缩比较低，膨胀做功不如柴油机充分，加之燃烧时过量空气少，单位数量混合气的发热量大等原因，汽油机排温较高，一般高出柴油机200℃～300℃，最高可达950℃～1050℃，因此，汽油机增压器的热负荷较高。为满足可靠性要求，汽油机增压器的零部件的材料和设计有如下特点：

1）涡轮叶轮

采用K418B材料，含炭量较K418要低，提高了材料的抗蠕变能力，为满足1050℃的要求，可采用MAR-246材料。

2）涡轮箱

一般采用含镍为34%～36%的D5S铸铁，为满足1050℃的要求，可采用1.4848铸钢。在涡轮箱的设计中，应借助于CAE工程分析，避免热应力的不均匀性，减少热变形或热裂。

3）轴承体

由于汽油机排温高，发动机停机后的回热往往会导致增压器密封环失效，机油结焦等，引起增压器早期磨损或漏油，为此，汽油机增压器轴承体均设有水冷腔（见图5，对比图6）。这样，在发动机突然停机时，通过热虹吸原理，使冷却水流动，冷却轴承体，避免增压器失效[4]。

4）其它零部件

如，放气阀门组件、放气阀门套筒、涡端密封环和连接轴承体与涡轮箱的卡箍等均应选择合适汽油机的材料。

3、汽油机增压器与发动机的匹配特点

由于汽油机的特殊性，导致在与发动机的匹配中，表现出如下特点：

1）压气机与发动机的匹配

由于汽油机需求的流量范围宽，压比不能太高，因此，发动机的外特性耗气线，在压气机MAP图上，表现为压比低，且流量宽的特点，见图 7。因此，在压气机设计时，不仅要流量宽，还要尽量使其高效率区落在低压比部分。

2）涡轮端与发动机的匹配

由于汽油机排温高，增压器可利用能量相对充足，因此，涡轮可选择偏小的叶轮，轮毂可选较轻的设计方案，以减轻转子的转动惯量，有利于改善发动机的加速性。

3）增压器的噪声问题

现阶段汽油机一般应用于乘用车，对噪声问题要求一般要比柴油机苛刻。因此，常规的在柴油机增压器出现的同步噪声、次同步噪声和叶片通过频率（BPF）噪声等问题，在汽油机增压器的设计和制造上同样应予以避免，此外，汽油机增压器还有其特有的噪声问题，如反映较突出的回流阀噪声（见图8），放气阀门噪声等，也应在设计中予以关注，并最终通过整车试验予以确认。

4、汽油机增压器制造的特点

基于汽油机增压器的特点，其制造特点如下：

1）压气机叶轮一般采用铣削工艺

汽油机增压器一般应用于乘用车，汽车在市区内行驶的特点，易导致压气机叶轮低周疲劳失效，因此，近年来汽油机增压器压气机叶轮，多采用锻铝直纹铣削制造工艺。另外，采用铣削叶轮也有利于增压器的噪声控制。

2）增压器装配需新增部分线上检测工序

汽油机增压器较柴油机增压器增加了回流阀、轴承体设有水腔等，为确保该部分的可靠性，在装配线上需增设相应的检测工序。

3）放气阀标定准确度要求高

由于汽油机在正常工作中，放气阀基本为时时调节，且因汽油机为量调节，空气量的调节将影响燃油的喷射量，进而影响发动机功率，因此，汽油机对增压器放气阀调节精度比较敏感，所以，汽油机放气阀执行器的标定准确度要求高，通常应采取正向和逆向，且双点标定法。

5、小结

1）汽油机增压器与柴油机增压器比有流量范围宽，适应温度高，控制复杂且精度要求高特点，因此，汽油机增压器的设计、计算和仿真要细，制造精准要高，试验验证要足；

2）目前的汽油机增压器主要应用于乘用车，因此，增压器的噪声问题应予以充分的重视。从前期的开发情况看，回流阀噪声问题反映较突出，建议一般应外置回流阀；

3）汽油机增压器国际上有着更多的发展，如电控执行器汽油机增压器，可变几何截面汽油机增压器和多级汽油机增压系统等，均已成为应用产品。我们需以市场为导向，不断研究新技术，开发新产品。

[1]李铁东.增压汽油机增压压力控制优化研究[C].2013年APC联合学术年会论文集,2013年7月.

[2]王树青.基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价[D].湖南大学硕士学位论文,2012年2月.

[3]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].中国兵器工业第七O研究所,1997年7月.

[4]王本亮.汽油机增压器轴承体回热试验研究[J].车用发动机，2010年第6期.

A preliminary discussion on the characteristics of turbocharger for gasoline engine

Ma Guoshan,Bi Jinguang,Wang Yinfeng,Xu Qijun,Wang Fusheng,Xu Cheng
(Ningbo weifu tianli turbo technology Co.,LTD.,Zhejiang Ningbo 315034)

In the gasoline engine turbocharger technology research based,experienced with the gasoline engine host plant synchronous development a variety of gasoline engine turbocharger,the characteristics of a gasoline engine turbocharger have preliminary understanding.This paper from the gasoline engine turbocharger performance,reliability,matching and manufacturing,and through comparison with the diesel engine turbocharger,preliminary analysis and summary to the characteristics of gasoline engine turbocharger.

gasoline engine; turbocharger; characteristic

U464.135

A

1671-7988（2016）08-85-03

马国山（1959-），男，高级工程师就职于宁波威孚天力增压技术有限公司，曾在中国北方发动机研究所就职。多年来主要从事涡轮增压技术研究、开发等工作，近年来，主要从事汽油机涡轮增压器的研究、开发和应用。由作者主持开发的两款汽油机涡轮增压器目前已批量生产。