周 月 赫明月

（河北工程大學(xué)機械與裝備工程學(xué)院 河北 邯鄲 056038）

引言

增壓技術(shù)在汽車領(lǐng)域一直備受關(guān)注，它是提高賽車功率和轉(zhuǎn)矩的重要手段之一。在FSAE 賽事中，大多數(shù)車隊的賽車以自然吸氣發(fā)動機作為動力總成。中國大學(xué)生方程式汽車大賽賽道的地理位置及低速多彎的賽道特性，很難發(fā)揮出自然吸氣發(fā)動機的性能優(yōu)勢，而渦輪增壓所帶來的渦輪遲滯[1]無法適應(yīng)FSAE 賽事。相比于渦輪增壓，機械增壓一個明顯的優(yōu)勢是可以在發(fā)動機低速時提供充足的增壓壓力[2]。本文遵循FSAE 大賽規(guī)則[3]，針對凱旋675 三缸發(fā)動機設(shè)計出了機械增壓動力總成，并分析了其性能優(yōu)勢。

1 增壓器選型

1.1 發(fā)動機主要參數(shù)

發(fā)動機基本參數(shù)如表1 所示。

表1 凱旋675 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 目標(biāo)功率、目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和目標(biāo)空氣流量

中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則要求：進氣系統(tǒng)中所有氣體都必須流過一個直徑為20 mm 的圓形截面。根據(jù)氣體動力學(xué)孔口流動規(guī)律，當(dāng)孔口上游滯止壓力不變時，在孔口流速達(dá)到音速后，無論孔口下游的壓力降到多少，孔口流量都將保持不變。大量試驗表明，對于小型四沖程發(fā)動機，當(dāng)進氣馬赫數(shù)大于0.5 Ma 之后，充氣效率Φc會加速下降[4]。當(dāng)出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速再增加，流量不會加大，此時增壓器的功率消耗會增大，發(fā)動機的功率因機械損失的增大而下降。

當(dāng)?shù)匾羲?

式中：a 為當(dāng)?shù)匾羲?，m/s；k 為絕熱指數(shù)，對于空氣，k=1.4；R 為氣體常數(shù)，對于空氣，R=287 J/（kg·K）。

熱力學(xué)溫度：

式中：T 為熱力學(xué)溫度，K；t 為攝氏溫度，℃。

進氣馬赫數(shù)：

式中：M 為進氣馬赫數(shù)，Ma；v 為氣體流動速度，m/s；a為當(dāng)?shù)匾羲伲琺/s。

根據(jù)中國大學(xué)生方程式汽車大賽賽道環(huán)境，設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃，通過公式（1）、公式（2）、公式（3）計算出進氣馬赫數(shù)達(dá)到0.5 Ma 時，氣體流動速度v=173 m/s。所以常溫常壓下，當(dāng)氣體流動速度達(dá)到173 m/s 時，φ20 mm 限流閥將出現(xiàn)氣流壅塞現(xiàn)象，此時空氣流量大約在72 g/s，發(fā)動機的最大功率受到限制。因此，將目標(biāo)空氣流量設(shè)計為72 g/s。

一般來說，一臺普通的汽油發(fā)動機每消耗0.1 kg/s的空氣能產(chǎn)生88.2 kW 的功率（這個數(shù)字高度依賴于發(fā)動機的效率，根據(jù)發(fā)動機參數(shù)不同，可能會大大提高或降低）。

增壓發(fā)動機的目標(biāo)功率與空氣流量的經(jīng)驗關(guān)系式如下：

式中：Flow 為空氣流量，kg/s；P 為增壓發(fā)動機的目標(biāo)功率，kW。

通過空氣流量反推出目標(biāo)功率為64.38 kW，根據(jù)上一代賽車的外特性數(shù)據(jù)分析，賽車最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在7 500～8 000 r/min。

發(fā)動機有效功率和有效轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式[5]如下：

式中：P 為發(fā)動機有效功率，kW；T 為發(fā)動機有效轉(zhuǎn)矩，N·m；n 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。

通過公式（5）計算出轉(zhuǎn)矩的范圍為76.85～81.98 N·m，根據(jù)上一代賽車發(fā)動機臺架標(biāo)定試驗情況，考慮發(fā)動機硬件和額定參數(shù)，為了保證發(fā)動機正常工作，硬件不發(fā)生損壞，將設(shè)計目標(biāo)適當(dāng)降低。因此，將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩設(shè)計為75 N·m，目標(biāo)功率設(shè)計為64 kW，如表2 所示。

表2 目標(biāo)參數(shù)

1.3 目標(biāo)增壓壓力和增壓比

增壓度和增壓比是衡量增壓進氣的重要指標(biāo)，增壓度φ 是增壓后與增壓前的發(fā)動機有效功率之比；增壓比πc是壓氣機出口壓力與進口壓力之比[6]。表3 所示為根據(jù)2 個指標(biāo)對增壓方式所進行的分類[7]。

表3 按增壓度、增壓比的增壓方式分類

達(dá)到目標(biāo)功率和進氣流量時所需要的進氣歧管絕對壓力可用如下公式計算：

式中：MAP 為進氣歧管絕對壓力，MPa；wa為空氣流量，kg/s；R為空氣的氣體常數(shù)，R=287 J/（kg·K）；Tm為進氣歧管溫度，℃；n 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；Vd為發(fā)動機排量，mL；VE為容積效率。

自然吸氣發(fā)動機的容積效率小于1，增壓發(fā)動機容積效率通常大于1。根據(jù)上一代賽車數(shù)據(jù)，設(shè)定容積效率VE=1?？諝饬髁縲a=72 g/s=0.072 kg/s，進氣歧管溫度Tm=50 ℃，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=8 000 r/min。通過公式（6）計算出進氣歧管絕對壓力MAP=0.148 MPa。

增壓壓力，即壓氣機出口壓力pb可用如下公式進行計算：式中：pb為壓氣機出口壓力，MPa；MAP 為進氣歧管絕對壓力，MAP=0.148 MPa；Δp1為壓氣機到氣缸的壓力損失，Δp1=2 kPa=0.002 MPa。

通過公式（7）計算出壓氣機出口壓力pb=0.15 MPa，即增壓壓力為0.15 MPa。因此，目標(biāo)增壓壓力設(shè)計為0.15 MPa。

增壓比的計算公式為：

式中：pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101 kPa；Δp0為限流閥到壓氣機的壓力損失，取1 kPa。

通過公式（8）計算出增壓比πc=1.5。因此，將目標(biāo)增壓比設(shè)計為1.5。

1.4 機械增壓器選型

1.4.1 從增壓器結(jié)構(gòu)及工作原理初選類型

目前，機械增壓器分為3 類：羅茨式、雙螺桿式、離心式。

1）羅茨式。羅茨式增壓器是通過一對平行轉(zhuǎn)子高速回轉(zhuǎn)，在基元容積與排氣口連通的瞬間氣體回流實現(xiàn)壓力升高[8]的等容壓縮機械。因回流會造成較大的沖擊[9]，產(chǎn)生強烈的氣體波動現(xiàn)象，同時轉(zhuǎn)子的質(zhì)量較大，沒有內(nèi)壓縮，會導(dǎo)致能量損失嚴(yán)重，只適用于增壓壓力小、轉(zhuǎn)速低的場合。

2）雙螺桿式。雙螺桿式增壓器是通過一對平行的陰陽轉(zhuǎn)子相互嚙合，轉(zhuǎn)動時工作容積越來越小，從而實現(xiàn)氣體的內(nèi)壓縮[10]，然后將壓縮后的氣體排出，適用于中低轉(zhuǎn)速場合。這種增壓器用軸承代替了齒輪固定轉(zhuǎn)子，但是該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致增壓器的體積過大，質(zhì)量較大，不便于安裝在FSAE 賽車上。

3）離心式。離心式增壓器類似于渦輪增壓器，不同的是離心式增壓器直接由曲軸帶動，完全避免了因轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致的渦輪遲滯現(xiàn)象，并且離心式增壓器的體積小、質(zhì)量小、工作效率高，損失功率小，適用于中高轉(zhuǎn)速場合。

根據(jù)上賽季賽車數(shù)據(jù)分析，羅茨式增壓器與賽車發(fā)動機匹配效果較差，只滿足了低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩輸出，中高轉(zhuǎn)速時功率損失較大，導(dǎo)致賽車在中后段出現(xiàn)加速性能差，尾速低等現(xiàn)象。因此，本賽車選用離心式機械增壓器。

1.4.2 從增壓器性能選擇型號

ROTREX 機械增壓器是全世界機械增壓器領(lǐng)域的一個重要品牌產(chǎn)品。與其他品牌的離心式增壓器相比，ROTREX 的最大特點是摒棄了傳統(tǒng)的內(nèi)部齒輪傳動，轉(zhuǎn)而采用了行星輪結(jié)構(gòu)的摩擦牽引傳動，同時振動小，噪聲低，緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸有利于在FSAE賽車上靈活布置。

ROTREX C15 系列增壓器中C15-16、C15-20、C15-60 的技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 增壓器技術(shù)參數(shù)表

從表4 可以看出，3 款增壓器的傳動效率均高達(dá)97%，并且空氣流量和增壓比都滿足目標(biāo)值的需求。

根據(jù)FSAE 大賽規(guī)則要求以及發(fā)動機排量、功率范圍、空氣流量和增壓壓力的需求，將增壓器型號確定在C15-16、C15-20、C15-60 3 款以內(nèi)。

增壓器MAP 圖是反映增壓器工作范圍和工作效率的一個重要依據(jù)，由空氣流量、增壓比、增壓器轉(zhuǎn)速、喘振線、阻塞線、效率區(qū)間組成。

壓氣機工作點位于喘振線右邊時，工作穩(wěn)定；位于喘振線左邊時，工作不穩(wěn)定。喘振的原因是流量過小時，流道內(nèi)氣流與壁面分離。喘振時，流經(jīng)壓氣機的氣流出現(xiàn)強烈的振動，在進口處出現(xiàn)氣體逆流現(xiàn)象。強烈喘振極易引起葉片或軸承損壞，因此不允許壓氣機在喘振工況下運轉(zhuǎn)。

阻塞是指在某一轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量很大時，進氣流速增加；壓氣機流量隨增壓比變化到臨界條件時，進氣流速等于音速，產(chǎn)生堵塞，流量達(dá)最大值。

增壓器與發(fā)動機匹配時，應(yīng)盡可能使增壓器處于高效率區(qū)間且在適當(dāng)?shù)倪\行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

通過分析C15-16、C15-20、C15-60 3 款增壓器MAP 圖可知：

1）當(dāng)空氣流量都為72 g/s、增壓壓力都為0.15 MPa時，3 款增壓器的工作效率見表5。

表5 工作效率對比

從表5 可以看出，C15-20 的工作效率最高。

2）在限流閥處進氣馬赫數(shù)未達(dá)到0.5 Ma，增壓器轉(zhuǎn)速和增壓比相同時，C15-20 的空氣流量比C15-16 大，比C15-60 小，表明C15-20 的空氣流量適中，在滿足目標(biāo)空氣流量需求的同時，可降低油耗，有利于燃油經(jīng)濟性的提高。

3）當(dāng)增壓器處于高效率區(qū)間時，3 款增壓器的空氣流量分布區(qū)間、增壓壓力分布區(qū)間、增壓器轉(zhuǎn)速分布區(qū)間如表6 所示。

表6 高效率區(qū)間增壓器性能參數(shù)

從表6 可以看出，C15-20、C15-60 的空氣流量和增壓壓力分布范圍比C15-16 廣；而C15-20 的轉(zhuǎn)速區(qū)間最大，高效率區(qū)間最廣，能更好地與發(fā)動機匹配；C15-20 在高效率區(qū)間的最低轉(zhuǎn)速最低，有利于賽車在低轉(zhuǎn)速時瞬時壓力的提高，可提高賽車的瞬時響應(yīng)性。同時，C15-20 針對75 m 直線加速有較好的起步和加速工況。

增壓器的功率消耗越多，發(fā)動機損失的動力越多。

圖1、圖2、圖3 分別為3 款增壓器的功率消耗曲線圖。

圖1 C15-16 增壓器功率消耗曲線圖

圖2 C15-20 增壓器功率消耗曲線圖

圖3 C15-60 增壓器功率消耗曲線圖

對比圖1、圖2、圖3 所示的3 款增壓器的功率消耗曲線可以得出：在空氣流量小于0.08 kg/s，增壓壓力pb為0.15 MPa 時，C15-60 的功率消耗最大，C15-16 與C15-20 的功率消耗幾乎相同。

綜上所述，C15-20 機械增壓器的性能更加符合FSAE 比賽特點及發(fā)動機工作狀況，因此初步確定增壓器型號為C15-20。

2 GT-power 仿真分析

2.1 使用GT-power 搭建機械增壓發(fā)動機一維模型

利用GT-power 軟件建立機械增壓發(fā)動機一維仿真模型如圖4 所示。

圖4 機械增壓發(fā)動機一維仿真模型

該模型的特點是：

1）新增限流閥、機械增壓器、PID 控制等模塊；

2）將進排氣系統(tǒng)離散，分為進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)模塊；

3）考慮到進氣溫度對缸內(nèi)燃燒狀況以及發(fā)動機動力性的影響[11]，利用多個帶熱傳遞的管建立中冷器模塊。

PID 控制模塊包含一個連續(xù)的比例-積分-微分（PID）控制器，通過PID 控制模塊，使進氣管內(nèi)壓力保持在目標(biāo)值。

實車上采用電子機械一體式調(diào)壓閥，由ECU 進行精確控制[12]，通過開閉調(diào)壓閥控制進氣箱內(nèi)氣體壓力[13]，從而使進氣壓力接近目標(biāo)壓力，避免因進氣壓力過大導(dǎo)致進氣溫度升高而使發(fā)動機產(chǎn)生爆震，同時保證進氣系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.2 匹配結(jié)果分析及仿真研究

2.2.1 發(fā)動機外特性仿真結(jié)果分析

利用控制變量法，只通過改變增壓器的特性參數(shù)來進行仿真分析。

圖5、圖6 分別為凱旋675 發(fā)動機匹配C15-20增壓器的轉(zhuǎn)矩、功率曲線圖。

圖5 凱旋675 發(fā)動機匹配C15-20 增壓器轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖6 凱旋675 發(fā)動機匹配C15-20 增壓器功率曲線圖

從圖5 可以看出，因為諧振效應(yīng)[14]影響，C15-20與發(fā)動機匹配時，在6 000～7 000 r/min，轉(zhuǎn)矩峰值急劇下降，必須優(yōu)化進氣系統(tǒng)。

優(yōu)化進氣系統(tǒng)后，凱旋675 發(fā)動機匹配C15-20增壓器的轉(zhuǎn)矩、功率曲線圖分別如圖7、圖8 所示。

圖7 C15-20 與發(fā)動機匹配優(yōu)化進氣系統(tǒng)后的轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖8 C15-20 與發(fā)動機匹配優(yōu)化進氣系統(tǒng)后的功率曲線圖

從圖7、圖8 可以很明顯地看出，優(yōu)化進氣系統(tǒng)后，轉(zhuǎn)矩和功率都有所提高，并且在6 000～7 000 r/min 未出現(xiàn)因諧振效應(yīng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩下降的現(xiàn)象。

仿真結(jié)果如表7 所示。

表7 發(fā)動機動力參數(shù)仿真結(jié)果

與上一代賽車相比，本賽車在中高轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩更高，賽車在高速工況下的加速性能更好，因此確定采用ROTREX C15-20 增壓器與發(fā)動機匹配。

2.2.2 增壓器運行工況仿真結(jié)果分析

圖9 為增壓器與發(fā)動機聯(lián)合運行工況圖，圖10為增壓器運行工況MAP 圖。

圖9 增壓器與發(fā)動機聯(lián)合運行工況圖

圖10 增壓器運行工況MAP 圖

從圖9、圖10 可以看出，增壓器大部分工況運行效率處于50%以上，增壓器運行工況與高效率區(qū)間重合；在3 000 r/min 以上，增壓器運行效率均達(dá)到70%。說明中高轉(zhuǎn)速時，增壓壓力以及空氣流量滿足目標(biāo)值需求，增壓器與發(fā)動機匹配良好。

圖11 為增壓器功率消耗圖。

圖11 增壓器功率消耗圖

從圖11 可以得出，增壓器的最大功率消耗在2.3 kW 左右，發(fā)動機功率損失小。

因為限流閥限制了空氣流量，對增壓器產(chǎn)生了一定影響，所以增壓器的效率會有所下降。

仿真結(jié)果顯示，增壓器全工況均未處于喘振與阻塞區(qū)域，增壓器一直沿高效率低功耗區(qū)域運行，增壓器與發(fā)動機匹配良好。

3 結(jié)論

本文通過理論計算和數(shù)據(jù)對比的方法對增壓器進行選型匹配，并利用GT-power 進行仿真分析，通過仿真結(jié)果研究增壓器各運行工況是否與發(fā)動機匹配良好。

研究結(jié)果如下：

1）對羅茨式、雙螺桿式、離心式3 種不同結(jié)構(gòu)的機械增壓器進行了對比分析，并對臺架標(biāo)定試驗情況以及上一代賽車的實車數(shù)據(jù)進行了研究。結(jié)果表明，離心式機械增壓器更適合中國大學(xué)生方程式賽車發(fā)動機。

2）對ROTREX C 系列3 款不同型號的離心式機械增壓器進行了數(shù)據(jù)對比分析。結(jié)果表明，C15-20增壓器工作范圍廣，最適合與發(fā)動機匹配。

3）擬合ROTREX C15-20 離心式機械增壓器特性曲線圖，建立了一維仿真模型，分析了發(fā)動機外特性曲線及增壓器工作效率、功率消耗圖。仿真結(jié)果表明，增壓器一直處于高效率區(qū)間，功率消耗低，與發(fā)動機匹配良好。

4）進氣限流閥對增壓器以及發(fā)動機產(chǎn)生了很大影響，當(dāng)達(dá)到流量峰值時，增壓器進出口壓力差極大，容易使增壓器發(fā)生喘振，從而損壞增壓器。在匹配時，應(yīng)注意避免增壓器處于喘振區(qū)和阻塞區(qū)，同時控制增壓壓力和增壓器最大轉(zhuǎn)速不超過允許值。