汽油发动机增压器响应性开发选型的研究

赵明祥 单文强

摘要：增压器响应性影响到发动机和整车性能，是增压器设计选型的关键，通过增压器结构和整车实际使用条件分析和计算，并实际计算和测试两款相似性较高的典型动力在整车上的动力表现，展示了增压器响应性的选择方法，以期给增压发动机开发选型提供参考借鉴。

关键词：汽油发动机，增压器，响应性

Abstract：Response ability is the most important part for turbocharge design decision， because it will affect the Engine performance and Vehicle performance. Analysis the turbocharge structure and vehicle running map， According to compare between two similar Engine in simulated analysis and vehicle running dynamic performance test， except it can helpful for turbocharge charge selection in Engine development.

Key words： Gasoline Engine ， Turbocharger ， Response ability

前言

随着人们对汽车动力性，经济性和排放等要求的不断提高，加上日趋严苛的排放、油耗法规要求，提高发动机热效率，提升发动机整体性能，提升整车动力的需求已显得尤为突出。

增压技术的应用，有效地提高了发动机的平均有效进气压力，可以大幅度提高整车的比功率和燃油经济性。发动机采用排气涡轮增压后，不仅能够提高充气密度，增加功率，同时还能改善燃烧，提高经济性，减少废气中的HC、CO及颗粒物的排放，降低噪声。随着节能问题和排放法规的日益严格，发动机增压愈来愈成为其发展的重要方向，增压机已成为发动机的基本型。

近年国内增压机型逐步普及，并从单纯的追求动力最大扭矩向科学实用化的低速响应的追求呼声愈发明朗，本文以结构原理对比分析为基础，考虑实际整车运用需求，通过计算分析和以实际对比测试，展示涡轮响应在发动机开发、整车运用上的选型方法，更全面考虑实际消费者的需求，使整车动力有效性保障。

1.增压器机理及结构

增压技术通过提高发动机的进气压力， 从而提高气缸中空气的密度、 增加进气量， 可相应地增加循环供油量， 以大幅度提高发动机的动力性。相同功率的增压发动机的排量可以比自然吸气发动机减少18 % ～ 35 % ， 燃油经济性可提高 10 % 左右。

如图1增压器工作原理图，机械增压器是利用发动机本身运转排出的废气，推动涡端的涡轮高速旋转，涡轮则通过中间体转轴与压轮固定相连，高速旋转的涡轮就带动压轮同步高速旋转;高速旋转的压轮通过压轮与压壳间的间隙腔体将新鲜空气压缩后送入进气歧管，进入燃烧室燃烧做功。

增压器结构可分为：壳体、轮轴、电控三个大部分，而其中轮轴是推动做功的关键部分，其结构图如图2。

2.增压器响应性

增压器轮轴系统是旋转件，在同一发动机上，因推动其旋转的排气量相同，所以转子的惯量越小，转子系统转速增长越快，增压器加速度越大，越能更快建立良好压力输入进气，提升发动机动力。因此选择小惯量的旋转系统是提升动力响应性的关键方法。

但惯量和性能并不是简单的线性关系：转子的惯量越小，意味著压轮、涡轮、中间轴的尺寸也需要更小，较小的尺寸则对应于最高转速低，后续加速性能弱，同步的也就降低了发动机的动力性，动力性的减弱将导致排气减少，排气减少又回馈到推动涡轮的输入力减少，因此形成闭环影响之后的动力表现。

如表一 所示，为四款典型的TGDI发动机增压器的选型，转动惯量小的转子，对应发动机的性能较低（A/B为同一时期和相似平台;C/D为同一时期相同平台）

转子惯量越小，初始加速度越大，压力建立快，其增压器效率也越高，但随着时间增长，其加速度将遇到瓶颈而降低，压力的建立和增压器效率将受到挑战。

我们对最新款的A机型和B机型进行实例对比分析：整车的启动性是其动力性的关键体现，1500转为整车实际使用启动的典型关键转速，如图三为两款机型在1500这个关键特征转速下的动力性对比。（经实测，其他转速下的动力性能数据趋势基本一致）

对其动力性分析细节分析可见：

1）在0～0.4秒，小惯量的B机型较大惯量的A机型，其扭矩上升速度快：对应了小惯量的涡轮，将能很快提高旋转速度，压入更多新鲜空气，建立更高的进气压力，因此发动机扭矩提升速度较快

2）在0.4秒之后，小惯量的B机型较大惯量的A机型，其扭矩上升的曲线倾斜度就小了：对应了小惯量的涡轮在迅速建立一定的转速后，将会有一个瓶颈：压入更多的新鲜空气较为勉强，因此其转子转速的提升速度降低，压入新鲜空气的增速不及大惯量的增压器，反应到发动机的扭矩增长速度上就是大惯量的A机型反而开始占据优势地位

3）到了3秒之后，大惯量的A机型，不仅在扭矩提升速度上超越小惯量的B机型，同时在扭矩的绝对值上也同样超越了B机型

4）在6秒之后，B机型采用的小惯量涡轮基本已经达到其能力上线，因此扭矩无法再进一步提升;A机型采用了更大惯量的涡轮，因此其空气压缩能力较B机型更强，因此扭矩持续提升，最终扭矩较B机型大了约15%

对扭矩建立：小惯量的B机型更具有起手优势，但仅0.4秒的优势时间，对于百米加速一般约10秒左右而言，时间占比极小，其实际的加速优势保持困难，且牺牲了高转速的大扭矩输出。会被小惯量的A机型快速超越。对整车动力性：B机型具有更宽的动力区间，动力输出更加从容和平稳。对经济性和环保性：B机型因动力区间宽，同等动力输出需求下，其耗油和排放压力也更低。因此对整车开发，选型应偏向用惯量偏大的B机型。

3.整车的实际运行需求

随着我国汽车消费者的理性化及意识提升，广大消费者也意识到我们需要的动力，更应该着眼于低速扭矩，尤其增压发动机更快的低速扭矩建立，才能使得我们在整车实际工况下，发动机有更多的使用到大扭矩、高效率区间，使得使用者受益。

如图四，绿色区域为典型汽油发动机的整车在NEDC循环（评判实车动力性和经济性的标准循环）中实际运行区间图，实际运行中：

1）动力并不会使用到外特性的极限扭矩/功率，因此单一的用外特性极限扭矩输出来进行选型可体现动力性，但经济性和环保性不适宜;

2）常用工况更多在中转速和低转速，因此动力性的选择应更偏向中低负荷和中低工况，以能给实际消费者带来实效;

因此增压器响应性的选择，还要同时考虑整车的实际使用工况，才能做到实效最优。

如表二 将A发动机和B发动机搭载同一款1.6吨的某典型SUV车型，输入相同的实测边界条件，用CRUISE进行计算对比分析：

由此可见计算分析上：高惯量的A发动机在整车上较低惯量的B发动机在整车上的动力性和经济性方面都略有优势。

如表三为该两款发动机搭载该同一款整车的实测动力性和经济性结果：

实测结果与计算结果接近，两款发动机匹配整车在动力性和油耗上相当，大惯量的A机型具有一定优势。该最终结果不仅说明选型之初不能简单的以“小惯量”来衡量，也说明了即使有动力性能对比数据上的明显优势，大惯量涡轮也不能在性能上对小惯量有极其明显的超越。

结论：

1.低惯量的转子系统能提高涡轮响应性，更快的建立转速压力以提升发动机动力输出，同等条件下，应选择小惯量的涡轮;可参考1.5TD发动机典型机型的6～9 e-6kg*m;

2.低惯量转子涡轮受限于自身惯量低、压轮/涡轮工作面积小、最大性能不高的影响，中后期对动力提升的速度下降更明显;因此低惯量转子前期建立的动力输出优势可能会在中后期被超越，0.5秒以内的前期加速优势不易形成最终动力响应性的优势;

3.整车实际性能并非以最高动力（扭矩/转速）或低惯量涡轮带来的前期扭矩快速响应而直接线性作用，需要以NEDC等实际循环仿真分析和实测来作为最终效果的确认。

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作者简介：

赵明祥（1983～），男，工程师，工學学士，汽油发动机动力开发设计，zmx_abel@163.com

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