汽油机涡轮增压器窜气量影响因素的研究

吕生亮 章成 于士博 谢广春 陈昱锦

摘 要：通过分析现存几种增压器窜气的测量方法，在此基础上建立和完善一套汽油机整机台架增压器窜气量试验方法，并在某涡轮增压汽油机上研究了涡前压力、涡后压力、中冷前压、进油温度、进油压力对窜气量的影响，分析了发动机万有特性下增压器窜气量的变化和分布规律。

关键词：涡轮增压器;窜气量;台架试验;汽油机

Abstract： Through the analysis of several existing turbocharger gas channeling measurement， on the basis of establishing and perfecting a set of gasoline engine turbocharger gas channeling test bench measure method. Studied with the pressure before turbine， pressure after turbine， the pressure before charge air cooler， inlet oil temperature， inlet oil pressure influence on gas channeling， analyzes the characteristics of engine has the changes and distribution of supercharger gas channeling.

Keywords： Turbocharger; Channeling gas; Bench test; gasoline engine

前言

2016 年国家环境保护、国家质检总局两部联合发布针对《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》。相比国五限值要求，国六a阶段CO排放限值降低30%，国六b阶段NMHC排放限值降低50% [1]。另外GB 19578-2014《乘用车燃料消耗限值》中对乘用车的油耗限值从第三阶段到第四阶段单车准入油耗6.9L/100km下降到5L/100km，降幅达到28%[2]。节能减排已经成为关系到国计民生的重大课题。

目前增压器作为关键零部件应用于车用发动机上，并且采用涡轮增压技术研发的汽油机小型化趋势越来越明显[3]。涡轮增压器可以将排气能量能用于压缩新鲜空气，使发动机输出更大的动力，对提高发动机功率[4]，降低整车排放起到非常重要的作用[5]。主要有以下优势：

（1）提高发动机升功率，使发动机尺寸小型化。

（2）更低的整车油耗和排放特性。

（3）高原环境弥补缸内进气不足，进行功率补偿。

汽油机涡轮增压器工作时转速较高，最高可达250000r/ min，最高增压压比在2.8左右，涡端入口最高承受排气温度可达980℃，同时受到各缸排气高频脉冲冲击，在高温高压高脉冲高转速的恶劣环境中工作。增压器窜气量过大会造成机油氧化、气蚀、变质，与活塞漏气量成为曲轴箱污染物的主要来源，容易造成曲轴箱污染物流量过大，导致油气分离效果不佳，机油携带量过大，发动机增压器及进气系统结焦等一系列问题。增压器窜气已经成为评价增压器开发成功与否的重要指标[6]，因此非常有必要研究增压器窜气量的相关影响因素。通过分析存在的三种增压器窜气量测量方法优缺点，完善发动机整机台架增压器窜气量试验方法，研究了发动机整机条件对增压器窜气量的影响因素，为进一步改善提高发动机整机设计匹配和优化完善发动机综合表现提供方向。

1 模型的建立

1.1 增压器窜气原理

增压器转子两侧采用密封环与转子配合共同形成密封作用。如果密封环密封效果较差，当密封环内侧油压大于环外侧气压时则容易出现增压器漏油，导致发动机烧机油;当环外侧气压大于环内侧油压，则容易导致两侧高压气体通过缝隙渗入增压器润滑油路与机油混合进入曲轴箱形成增压器窜气，如图1所示。

1.2 存在的测试方法

1.2.1 油道保压测试

在增压器静态条件下，封堵增压器润滑进、回油道，通过一侧油道向增压器润滑系统加入适当压力的压缩空气，气体会通过间隙渗漏，通过一定时间内气体压力和流量的变化计算出漏气量。但该方法无法模拟增压器实际工作状态，气体走向与增压器工作中气体走向相反，整机参考意义不高。

1.2.2 增压器单体台架

将增压器安装至增压器单体测试台架，增压器润滑采用外置供油，试验时将一定温度压力的气体从增压器涡轮机入口通入，使增压器运转，增压器若存在窜气则会与润滑油一同回流，通过回流机油内气体体积的变化测量出增压器的窜气量。该方法实现了增压器运转，窜气量气体走向与实际工作一致，但是增压器在发动机整机工作时受到高频的排气脉冲冲击驱动，同时涡轮机出口存在排气阻力，因此该方法仅具有一定增压器单品试验参考意义，但与发动机整机增压器工作状态存在较大差异。

1.2.3 汽油机整机台架增压器窜气量试验方法

已知在柴油机整机上有测量增压器窜气量的试验方法[7]，但无汽油机整机增压器窜气量相关的测试应用，为进一步研究各个因素对小排量汽油机增压器窜气量的影响，本文搭建汽油机整机增压器竄气量试验台架并制定试验方法，试验测试原理如图2所示：

（1）将发动机和增压器间润滑油路断开，增压器采用外置油泵与油气分离箱为增压器供油和储油;

（2）油气分离箱内置油气分离板可以将增压器回油中的窜气和机油分离，油气分离后的增压器窜气通过管路引导至发动机曲轴箱，管路上布置流量计，测量稳定状态增压器窜气量;

（3）储油箱内布置机油油温控制装置调节机油温度，外置油泵采用变频机油泵并在管路上设置压力调节阀用于控制增压器进油压力;

这样该套系统可以实现增压器在发动机整机上真实运行，同时可以实现各研究因素的可变控制。

1.3 试验资源及试验方法

1.3.1 试验资源

试验采用汽油机整机台架增压器窜气量试验方法，需要使用台架进行发动机工况试验控制和数据采集，发动机增压器涡轮机侧排气背压（涡后压力）可通过节流阀进行手动控制，增压器相关数据布点采集如图1、图2，试验中研究机型为某小排量增压汽油机，相关参数如表1：

试验采用燃料为市售92#汽油，密度（20℃）：739.9kg/m3，辛烷值（研究法）：92.8，燃料净热值10100cal/g。

试验采用机油为SN 0W-20汽油机油，密度844.8kg/m3， 100℃运动粘度8.229mm2/s，粘度指数261，开口闪点226℃。

试验过程中，由外置油泵控制系统控制增压器进油温度和压力，同时采用INCA软件来收集发动机ECU内的参数变化。

1.3.2 试验方法

测试前先将油气分离箱内机油预热至80℃以上，开启外置机油泵调节机油压力至300～350kPa。启动发动机热机至出水温度86-90℃，然后将发动机运行至目标工况，除试验对比需求外应调节增压器供油温度及压力保持与发动机主油道机油温度压力一致，所有参数稳定5min后开始测量。除试验特殊要求外，测试项目应严格遵守GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》[8]和GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》国家规范[9]。研究因素和进行试验测试如下：

（1）发动机外特性增压器窜气量变化规律;

（2）曲轴箱压力对增压器窜气量的影响;

（3）不同排气背压对增压器窜气量的影响;

（4）不同机油温度对增压器窜气量的影响;

（5）不同机油压力对增压器窜气量的影响;

（6）发动机万有特性增压器窜气量的变化规律。

试验完成后，发动机降至1200r/min、20%负荷工况运行，增压器进油压力保持在300～350 kPa，降低油气分离箱内机油温度，待发动机机油及油气分离箱冷却至90℃以下，先停止发动机再关停增压器外置油泵。

2 试验结果与分析

2.1 发动机外特性增压器窜气量

在某小排量汽油机的外特性工况进行增压器窜气量测试，测试数据如图3所示。由图中可知，随着发动机转速上升，发动机功率和排气脉冲冲击频率升高，增压器涡轮机的涡前压力、涡后压力和压气机侧的中冷前压不断升高，密封环两侧承受气体压力升高，使气体更容易通过密封环进入增压器油道形成增压器窜气。因此随着发动机外特性转速的升高，增压器窜气量相应增大并在发动机额定功率点达到最大值。

2.2 曲轴箱压力对发动机增压器窜气量的影响

在外特性工况点将流量计出口接大气进行增压器窜气量测试并与正常连接曲轴箱进行对比，如图4所示。由图可知，当流量计出口接至大气，储油箱内稳定压力与大气压力相近，基本不受发动机转速负荷变化影响，增压器回油中的窜气实现油气分离条件稳定，主要受到增压器两侧气体压力影响。当流量计出口接至发动机曲轴箱后，相同工况点增压器窜气量变大，此时曲轴箱压力受发动机转速负荷影响，并且随转速升高逐渐变为负压，更有利于已进入润滑油路的增压器窜气与油气分离。因此，发动机在相同条件下曲轴箱压力越小，越有利于增压器窜气量形成。

2.3 不同排气背压下发动机增压器窜气量

在不同排气背压（涡后压力）条件下，选取80%负荷外特性特征点进行增压器窜气量测试并对比，如图5所示。由图可知，在相同工况点减小排气背压增压器窜气量变小，发动机排气背压减小后排气更为顺畅，泵气损失减少，增压器的涡前压力相应降低，涡轮机密封环外侧承受气体压力减小，密封环内外压差减小，气体通过密封环进入增压器油路的势能降低，增压器窜气量相对减小。因此在相同条件，发动机排气背压越低，越有利于减小增压器窜气量。

2.4 不同机油温度下发动机增压器窜气量

在不同增压器进油温度条件下，选取80%负荷外特性特征点进行增压器窜气量测试并对比，如图6所示。由图可知，在相同工况点不同机油温度下的增压器窜气量有差异。相同工况点窜气量大小：机油温度110℃>机油温度90℃>机油温度60℃。根据机油粘度与温度关系，随着温度升高，机油粘度降低[10]，流动性和可侵入性更强，高温高压气体更容易通过密封环进入机油形成增压器窜气;相反的，机油温度越低，机油的粘度会越高，流动性和可侵入性降低，机油可视为对气体密封环的密封性进行补充，外界气体更不容易进入增压器润滑油路，另外机油温度升高，相同温差条件下粘度变化减小，对应工况点的增压器窜气量变化也减小。因此在相同条件下，机油温度越低越有利于减小增压器窜气量。

2.5 不同机油压力下发动机增压器窜气量

在不同增压器进油压力条件下，选取80%负荷外特性特征点进行增压器窜气量测试并对比，如图7所示。由图可知，相同工况点进油压力为250kPa的增压器窜气量数值大于进油压力为350kPa的增压器窜气量，当增压器润滑油路内机油压力升高时，密封环内外侧压力差减小，气体不容易通过气体密封化进入增压器内部润滑油道形成窜气;相反的，进油压力越小增压器窜气量越大。因此在相同条件下，更高的增压器进油压力有利于减小增压器窜气量。

2.6 发动机万有特性增压器窜气量

在某小排量汽油机上进行万有特性的增压器窜气量测试，如图8所示。从图可知该小排量增压汽油机的增压器窜气量呈现以下规律：

8  发动机万有特性增压器窜气量MAP图

低负荷由于发动机需要的进气量相对较少，增压器并未介入工作，为发动机减少泵气损失，曲轴箱内废气直接流向进气歧管，缸内燃烧排气直接通过增压器废气旁通阀泄压，因此基本无增压器窜气量。随着发动机转速和负荷升高，增压器逐步介入，增压器涡前压力、中冷前压建立并且升高，发动机吸入缸内的空气量逐渐增大，进气歧管负压作用使曲軸箱压力逐步减小，因此增压器窜气量逐渐变大。但当发动机转速负荷继续增大到一定程度，热负荷增大，机油温度升高，发动机机油压力由低压转入高压模式，另外因为增压压力升高和节气门开度增大，进气歧管压力由负压转为正压，为避免气体倒灌入曲轴箱，曲轴箱气体改变流通路径流向空滤后，该情况导致曲轴箱内压力突然升高，因为机油压力及曲轴箱压力的双重突变作用，增压器窜气量出现一个阶跃性降低，在万有特性中形成沟壑。随发动机转速负荷继续升高，曲轴箱压力持续降低，增压器两侧压力、机油温度在发动机额定点附近达到最大值，增压器窜气量也跟随性的升高，到额定点附近达到最大窜气量。

由以上可知，发动机万有特性增压器窜气量分布规律是由增压器涡前压力、涡后压力、中冷前压、机油温度、机油压力和曲轴箱压力共同影响的结果。

3 结论

（1）某汽油机外特性随发动机转速升高，增压器窜气量相应增大并在发动机额定功率点达到最大值。

（2）涡前压力、涡后压力、中冷前压、曲轴箱压力、机油温度、机油压力对增压器窜气量有明显影响。

（3）涡前压力、涡后压力、中冷前压、机油温度越低，曲轴箱压力、机油压力越高，越有利于减小增压器窜气。

（4）发动机万有特性增压器窜气量随转速负荷的增加，增压器窜气量跟随性升高，过程中同时受到曲轴箱压力、机油压力阶跃性变化的影响出现阶跃性降低，随后继续升高并在发动机额定点附件达到最大窜气量。增压器窜气量万有特性分布是由涡前压力、涡后压力、中冷前压、机油温度、机油压力和曲轴箱压力共同影响的结果。

参考文献

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[2] 王雪，李飞，苏天晨等.乘用车企业平均燃油消耗量及新能源积分评价方法解读[J].汽车实用技术，2017，（6）：168-170.

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[9] GB/T 19055-2003《汽车发动機可靠性试验方法》[S].北京：中国标准出版社，2003.

[10] 李正好，柴洪磊.机油粘度对机油泵性能影响的研究[J].汽车实用技术，2018，（14）：57-58.