【摘 要】汽油机增压技术已有半个世纪的发展历史，增压器具有提高发动机动力性能、改善燃油经济性、降低废气排放和实现高原功率补偿的作用，随着汽车排放法规和燃油消耗法规的不断加严，汽油机增压将越来越多，因此我们将会开展很多的汽油机增压器研发设计工作。

【关键词】车用汽油机；增压器；方案设计

一、汽油机增压简介

汽油机增压的优点是提高发动机动力性能、改善燃油经济性、降低废气排放和实现高原功率补偿。改善汽车燃油经济性方面，这是因为在同等最大功率输出的条件下通过进气密度的提高可减小发动机排量，发动机排量的减小可提高汽车常用工况（中低速、中低扭矩)条件下的发动机平均有效压力，从而降低比油耗。同排量的增压发动机的最低比油耗常高于非增压发动机，但其低比油耗区较广。

汽油机增压的缺点有发动机易发生爆震现象、最高爆发压力升高、加速性变差(即增压器延迟)、排气温度升高等。汽油机增压的难点是汽油机使用转速范围宽广，增压器高低速性能很难兼顾，发动机废气能量利用和汽油燃烧完善程度受发动机爆震的限制．油耗较大程度降低有一定的困难。同时，由于汽油机排气温度高，增压器涡轮机端零件材料成本高。

二、增压汽油机与增压柴油机性能差异

汽油机在压缩过程中压缩的是可燃混和气，燃烧的是汽油，燃烧方式为预混燃烧；柴油机压缩的是纯空气，燃烧的是柴油，燃烧方式为扩散燃烧。汽油和柴油燃油种类不一样，增压汽油机与增压柴油机工作特性不一样，因此在性能上存在很大差异。

（一）汽油机增压后爆燃倾向增大。汽油机增压后，使压缩终点的压力及温度，以及燃烧室受热零件的热负荷都趋于升高，又汽油机的压缩工质是可燃混合气，在发动机没点火之前和火焰传播末端气体未到达之前易发生自燃，故增压汽油机压缩压力和温度会升高，易引起爆燃；而柴油机增压无爆燃限制，但受最高燃烧压力限制。

（二）增压汽油机比增压柴油机热负荷高。汽油机因爆燃的限制，压缩比较小，一般在ε=6～12之间，因而燃烧的膨胀比也较小，致使排气温度较高；又汽油机空燃比小，不能通过加大扫气来冷却受热零件，因此增压汽油机热负荷比柴油机高得多。涡前排气温度一般可达9000C左右，有的甚至达到10500C。而柴油机压缩比较大(一般在ε=16～18之间)、空燃比大，可通过扫气来冷却受热零件，故涡前排温较低，一般在7000C左右，持续使用最高温度一般不会超过7600C。

(三)增压汽油机的机械负荷较柴油机小。增压柴油机的增压度较大，机械负荷较大；增压汽油机增压度较低，机械负荷小。

（四）增压汽油机的转速范围比柴油机宽得多。汽油机的转速范围比柴油机宽得多，一般柴油机的运转转速在800转／分钟～4000转／分钟之间，而汽油机运转则在800转／分钟～6000转／分钟，整个速度范围内功率差别也比较大，因此汽油涡轮增压器与发动机的匹配比柴油机更困难。

（五）汽油机增压压比低。汽油机在压缩过程中压缩的是可燃混和气。增压度的提高受到爆震燃烧的限制，因此增压压比较低，一般在1.6～2.2之间，即最大相对增压压力Pc一般在60kPa～120kPa。而柴油机在压缩过程压缩的是纯空气，限制增压度的主要因素是最高燃烧压力和热负荷，不受爆燃限制，增压压力比 一般可达2～3，即最大相对增压压力Pc可达100kPa～200kPa左右，甚至更大，可实现高增压(250kPa～350kPa)、超高增压(>350kPa)。

（六）增压汽油机的过量空气系数(空燃比)较柴油机小，但空气流量范围大。增压汽油机受爆燃限制，过量空气系数不能偏高，一般范围在0.85～1.1之间，明显低于柴油机，柴油机一般在1.6～1.8以上。同时，为满足发动机高排放要求，降低NOx、CO和HC排放，增压汽油机需采用三元催化转换器，需采用电控技术精确控制空燃比在理论空燃比附近，这是因为三元催化转换器同时降低三种排气污染物的效果只有在汽油机化学当量燃烧，也就是过量空气系数为1时才能实现。NOx的还原需要H2、CO和HC等作为还原剂，当空气过量时，这些还原剂首先和氧反应：当空气不足时，CO和HC则不能被完全氧化。另外，增压汽油机转速范围宽，进气量由节气门控制，从怠速到额定功率，空气流量变化的范围大，而柴油机则变化小。

三、汽油机增压器方案设计及与柴油机比较

（一）结构设计上

1）总体结构上，增压汽油机与柴油机相似，均由压气机、涡轮机、芯部总成和控制机构组成(图1)。不过，由于增压汽油机较柴油机压比低、流量小，也为了改善发动机低速性能和提高增压器效率、加速性，增压器芯部总成选择转动惯量小的轴系结构和轮系结构。

另外，由于汽油机排温高，涡轮调节机构因排温高易出现变形、卡死等现象，故汽油机上一般不会采用可变几何截面涡轮增压器。另外，两级增压器也应用的较少。

2）采用增压技术的汽油发动机在其工作时，当加速踏板后突然松开，涡轮增压器的压气机出口到节气门之间会突然形成一个近似封闭的容积，而压气机中的叶轮由于旋转惯性的作用，仍然将压缩空气向封闭的容积输入，造成压气机出口压力上升，空气流量减少极易造成涡轮增压器喘振。另外，增压器叶轮也会受到一个与其旋转方向相反的作用力，叶轮载荷会突然增加，对增压器不利。故为了防止增压器在特定工况下的喘振，有效防止增压器过载和保护增压器，故汽油机增压器上需设计泄压阀(也称循环阀)，泄压阀有机械泄压阀和电控泄压阀两种。同时，增压器压气机蜗壳上也需设计空气回流装置。

3）汽油机涡前排温高，增压器需采用水冷式轴承体。增压汽油机涡前排温比增压柴油机一般高2000C左右，最高可达10500C，在发动机高负荷突然停车等状态，涡轮端密封环处温度最高温度可达4000C，而一般要求涡轮端密封环处最高温度不超过2000C，也为了防止润滑油结焦等。需在轴承体涡轮端增加冷却水腔以降低该处温度，即设计成水冷轴承体。

4）汽油机增压后爆震倾向加剧，在引起爆震的诸多因素中，增压压力的影响最大，因此，必须对增压压力进行控制，直接采用废气旁通技术控制增压压力出现的主要问题点为：现有增压压力控制是机械的线性控制，不能根据发动机设计点对涡轮增压压力进行精确控制，只能满足部分工况点的扭矩需求。降低动力性、经济性指标，影响涡轮增压技术在汽油发动机上的推广。

在废气旁通技术基础上采用一种PWM阀的方法，这种方法根据发动机ECU的标定数据得到非线性的占空比信号。再用占空比信号控制PWM阀，由PWM阀控制进入执行器的增压压力，使得放气阀门的开度可根据工况点的实际需求进行调节，从而控制涡轮增压器的转速，得到所需的增压压力，以达到涡轮增压器与发动机的良好匹配，满足了汽油机的动力性能和经济性能。

采用PWM阀控制更加灵活、更加精确，该阀可将单纯的执行器线性控制升级为多工况复合控制，能使增压后的空气和大气中的空气在阀中按比例混合。得到所需的压力，从而更好控制放气阀的不同开度。在发动机各工况点逐点标定，ECU依据增压压力值、压缩气体温度、节气门工作位置、发动机转速、发动机歧管排气温度、发动机排气总管氧含量等参数通过控制模型计算得到对PWM阀进行控制的占空比信号MAP图，实现增压压力的精确控制，避免因增压压力过高引起发动机爆震。提高汽油机的动力性能和经济性能。

5）为使发动机结构设计更紧凑、整车布局更为合理，提高发动机零部件集成程度，减少因联接处废气流撞击而造成的能量损失、提高废气利用效率和减少噪声，更好满足发动机性能、布置要求，增压器涡轮箱可设计成一体化涡轮箱。同时，设计成体化涡轮箱，可减少发动机零部件装配程序和工作量，提高工作效率，降低生产成本。不过也存在一些不足之处，如增压器磨损、涡轮蹭壳会致使涡轮箱失效、不能利用，一体化涡轮箱成本较分体涡轮箱贵得多，故增压器维修成本会较分体涡轮箱增压器增高。

（二）性能设计上

1)压气机

为满足压气机低压比和宽流量范围的要求，汽油机增压器压气机可考虑使用较少的叶片数和较大的后弯角。汽油机增压器压气机流量范围宽、压比低，较高压比压气机，低压比压气机可使用较少的叶片，不过这会降低叶轮的机械强度，使得压气机最高效率区移动，会对扩压器失速区的喘振流动产生负面影响。另外，压气机叶轮叶片后弯能稳定流量、扩大流量范围。对于相同出口直径的压气机叶轮，叶轮叶片后弯时压气机效率高、压比低，故汽油机压气机叶轮可采用个大的后弯角，但是过大的后弯角和倾斜度会增加叶轮的机械应力和重量，故设计时需综合考虑。

2)涡轮叶轮设计

涡轮叶轮的设计既要满足空气动力学性能的要求以保证涡轮达到良好的性能，同时又要保证叶轮叶片具有足够的强度和刚度，这是由涡轮工作条件极端严酷、恶劣所决定的。

3)材料选型上

汽油机排温高，涡轮增压器涡前排气温度一般可达9000C左右．有的甚至达到10500C,因此要求增压器涡轮端零件既要耐高温，又要热变形小，即要求涡轮端零件不仅需要具有较高的高温持久强度极限、良好的抗疲劳和抗蠕变的性能，还需具有良好的铸造性能和高温下组织的稳定性。

4)匹配计算上

车用增压汽油机要求在部分负荷和部分转速工况下具有良好的扭矩特性及动态响应特性，故汽油机涡轮增压器匹配点一般选择在部分发动机工况。而柴油机为满足低速扭矩要求，同时高速时增压器不超速即放气阀放掉一部分废气，增压器匹配点一般选在发动机最大扭矩点。

四、汽油机增压器匹配

根据以上分析，我们在做汽油机增压器匹配时，需注意：

a.汽油机易爆燃，增压压比不能过高。最好控制在1.6～2.2之间，涡前排气温度建议控制在9500C以内。

b.汽油机增压器易喘振，建议预留15％以上的喘振裕度。

c.增压器不超速。汽油机压比低、转速低，但还是需注意增压器不超速，将增压器转速控制在560m／S线速度以内。

五、结束语

a.车用汽油机增压与柴油机增压区别大，汽油机增压爆燃倾向增大，增压汽油机比增压柴油机热负荷高，增压汽油机压比低、流量范围宽。

b.增压器总体结构上，汽油机与柴油机相似，但为保护增压器、防止增压器过载和喘振，汽油机增压器上需设计泄压阀。汽油机涡前排温高，为保证涡轮端密封环等零件的可靠性，增压器需采用水冷式轴承体

c.汽油机增压器涡前排温高，涡轮端涡轮叶轮、涡轮箱等零件需采用能耐更高排温，热变形更小的材料。

d.汽油机增压器匹配需注意发动机爆燃、增压器排温高和喘振等问题。