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降低現(xiàn)代廢氣渦輪增壓器滑動軸承的摩擦功率

2020-02-27 00:25:05·  來源：汽車與新動力  
　
德國BMTS技術(shù)公司已開發(fā)出一種能使摩擦功率明顯降低的廢氣渦輪增壓器新型3D滑動軸承，它基于一種提高功率密度的三維流體力學(xué)的工作原理，在提高廢氣渦輪增壓器效
德國BMTS技術(shù)公司已開發(fā)出一種能使摩擦功率明顯降低的廢氣渦輪增壓器新型3D滑動軸承，它基于一種提高功率密度的三維流體力學(xué)的工作原理，在提高廢氣渦輪增壓器效率方面發(fā)揮了顯著的潛力。

1 渦輪增壓器摩擦功率對CO2排放的影響

按照歐盟當(dāng)前的規(guī)定，到2030年轎車的公司車隊(duì)燃油耗要比2021年的目標(biāo)降低37.5%，因此必須進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)效率，特別是產(chǎn)量大的公司。作為換氣的重要部件，廢氣渦輪增壓器起著特別重要的作用。廢氣渦輪增壓器除了應(yīng)仔細(xì)地選擇壓氣機(jī)和渦輪的尺寸之外，降低摩擦也能起到相應(yīng)的效果。作為廢氣渦輪增壓器的重要部件，軸承的匹配由于涉及到成本和設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)要求非常高的工作。充氣系統(tǒng)的摩擦類似于熱力學(xué)參數(shù)對換氣具有成比例的影響，這從第一個渦輪增壓器基本方程式中可以看出來
           
其中:
因此，在某個恒定運(yùn)行工況點(diǎn)上，在增壓壓力保持不變的情況下，通過提升機(jī)械效率（ηmech）來提高渦輪增壓器的效率（ηATL）就能降低渦輪的進(jìn)口壓力（pt3），從而因換氣平均壓力降低而直接減少了換氣損失。另外，公式3適用于計(jì)算發(fā)動機(jī)有效功率，它是輸入的能量、指示效率（ηi）和機(jī)械效率的乘積
在保持發(fā)動機(jī)功率不變的情況下，為減少CO2排放就應(yīng)降低燃油耗，這就必須提高發(fā)動機(jī)效率，因?yàn)槿剂系牡蜔嶂担℉u）是不變的。

提高廢氣渦輪增壓器的機(jī)械效率可降低渦輪進(jìn)口壓力，而渦輪進(jìn)口壓力同樣也被用作調(diào)節(jié)參數(shù)，降低渦輪進(jìn)口壓力可減少殘余廢氣份額（XRG），這就使得發(fā)動機(jī)在爆振極限運(yùn)行時(shí)可提前點(diǎn)火，使燃燒重心更靠近熱力學(xué)最佳位置（MFB 50opt），于是得到下列效果鏈：pt3↓→XRG↓→MFB 50opt→ηi↑。

2 對摩擦功率至關(guān)重要的滑動軸承設(shè)計(jì)參數(shù)

在用于轎車和商用車的廢氣渦輪增壓器中滑動支承的轉(zhuǎn)子是最重要的，主要在于其可靠性和有利的成本-效益比。用于優(yōu)化摩擦功率（PReibung）的基本參數(shù)可根據(jù)用于簡單徑向滑動軸承的簡化流量方程式（Couette/scher）導(dǎo)出
與滾動軸承和空氣軸承相比，液力軸承通常在摩擦功率水平方面存在缺點(diǎn)，因此開發(fā)目標(biāo)是要開發(fā)出一種摩擦功率明顯降低的新型滑動軸承。在上面的公式中與摩擦功率成3次方關(guān)系的摩擦半徑（R）對摩擦功率起著重要的作用，而轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計(jì)方案也對盡可能好地優(yōu)化摩擦副的幾何尺寸起著決定性的作用。在典型的廢氣渦輪增壓器運(yùn)行范圍內(nèi)，滑動軸承趨向于產(chǎn)生流體動力學(xué)自激勵——油膜旋渦的現(xiàn)象，其背景是在軸承液力楔中建立壓力。這種液力楔包含一個切向分力，主要作用在位置偏心的軸頸上（圖1）。如果沒有足夠的穩(wěn)定分力保持軸的位置，如在轉(zhuǎn)子較重情況下的重力，那么軸將在圍繞軸承中心的一個不穩(wěn)定的軌跡上加速。

圖1 廢氣渦輪增壓器滑動軸承中軸承和軸的力和運(yùn)動示意圖

軸頸所得到的環(huán)繞軸承中心旋轉(zhuǎn)的頻率通常差不多低于流體動力學(xué)速度的一半，這種現(xiàn)象也被稱為半頻率旋轉(zhuǎn)。由于建立的壓力不足或過小導(dǎo)致了這種偏轉(zhuǎn)非常大的狀態(tài)，并且減小了潤滑油膜的厚度。在這種狀態(tài)下不僅承載能力大大降低，而且因潤滑油膜厚度減小而使摩擦功率增加，因此要盡可能避免激發(fā)油膜旋渦，為此用連續(xù)的軸承幾何形狀替代圓柱形軸承。這種多面軸承就能在中心轉(zhuǎn)子位置建立起高的徑向壓力，并將軸定位于軸承中心，因此在很大程度上就能抑制油膜旋渦的發(fā)生。

為了使廢氣渦輪增壓器能應(yīng)用這種多面軸承，必須找到高徑向剛度與良好的減振性能之間的平衡,為了達(dá)到穩(wěn)定廢氣渦輪增壓器軸承系統(tǒng)需要一種減振油膜。廢氣渦輪增壓器滑動軸承通?？煞譃?種不同的軸承類型：一種是帶有一起旋轉(zhuǎn)的襯套的全浮式軸承，另一種是帶有固定襯套的半浮動式軸承，后者的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)更小。

目前的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方案，例如采用米勒燃燒過程，因壓氣機(jī)與渦輪葉輪之間需要高的直徑比而提高了軸向推力，因此即使優(yōu)化了幾何形狀也增加了軸向軸承摩擦功率，同時(shí)繼續(xù)減小軸的直徑能降低徑向摩擦功率的份額。

現(xiàn)有的軸承系統(tǒng)將軸承功能分成軸向軸承和徑向軸承（圖2），這就導(dǎo)致了軸向推力軸承典型的摩擦半徑（Ri,軸向），由結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了其比徑向軸承的摩擦半徑（R徑向）增大了，軸向推力軸承高的摩擦功率份額提供了相應(yīng)高的優(yōu)化潛力，為此需要在降低摩擦功率與提高可靠性之間尋找到良好的折中。

3 3D滑動軸承

實(shí)現(xiàn)新型軸承型式的最初想法是將軸向軸承和徑向軸承功能組合成一種整體式構(gòu)件。為了降低軸承的摩擦功率，應(yīng)在最小的作用半徑情況下實(shí)現(xiàn)盡可能高的承載能力。

通過軸向軸承與徑向軸承空間關(guān)系的流體力學(xué)耦合就能在最小的空間內(nèi)產(chǎn)生最大的流體力學(xué)承載能力，而且應(yīng)在新的軸承設(shè)計(jì)方案中有效地抑制自發(fā)誘導(dǎo)的振動（圖2）。

圖2 傳統(tǒng)軸承和3D軸承結(jié)構(gòu)典型的壓力建立（R=摩擦半徑，F(xiàn)=軸承力）

形成3D支承標(biāo)注著持續(xù)的壓力建立以及徑向件不斷轉(zhuǎn)換成軸向件，而這種轉(zhuǎn)換不會中斷流體力學(xué)的承載能力。與相同作用面積的傳統(tǒng)軸承相比，空間軸承支承面積的軸向投影導(dǎo)致了更高的單位承載能力，因此軸承的功率密度明顯提高了約25%。

通過空間的壓力建立和力的角度附加使得轉(zhuǎn)子位置位于中心。由于3D支承的轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)很小，使得在潤滑油膜厚度相對較小的情況下能穩(wěn)定運(yùn)行，因此可考慮使用直至0W8之類的低成本發(fā)動機(jī)機(jī)油。

另外，有關(guān)摩擦功率的整個轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)也已優(yōu)化，同樣擠壓油膜的流體力學(xué)阻尼也已優(yōu)化，可以有效地限制轉(zhuǎn)子動態(tài)軸承力。

在完成軸承組合部件形態(tài)設(shè)計(jì)和確定基本參數(shù)之后，就能確定對模擬環(huán)境的要求。模擬計(jì)算鏈由下列因素組成：參數(shù)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）模型、轉(zhuǎn)子的數(shù)字描述、雷諾方程式和能量方程式的數(shù)字方案以及物理分立特性曲線場中軸承支承反力的描述，必須確?？赡艿臄?shù)值范圍。緊接著借助于數(shù)字逐步逼近法計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動方程式，在這種情況下能考慮諸如不平衡度、軸向推力、重力等的外部激勵和外部加速度。結(jié)果得到了加速模擬，它能足夠精確地描述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。借助于試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）方法查明參數(shù)化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基本影響參數(shù)。為了標(biāo)定物理極限參數(shù)，已在熱氣體試驗(yàn)臺上進(jìn)行了轉(zhuǎn)子的動態(tài)測量。

圖3示出了傳統(tǒng)浮動式襯套滑動軸承和新開發(fā)的3D滑動軸承之間的差異。這些軸承力和轉(zhuǎn)子振幅相當(dāng)于帶有同步和亞同步激勵的浮動式襯套滑動軸承轉(zhuǎn)子的典型加速特性。采取下列重要措施的組合得到了優(yōu)化參數(shù)：3D輪廓、多面幾何形狀和固定浮動襯套。經(jīng)過比較表明，亞同步激勵被3維多面輪廓和半浮動軸承的相互配合完全抑制了，由此所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子振幅僅僅是由不平衡度而引起的。

圖3 傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器中的徑向軸承力和主軸偏轉(zhuǎn)（左）以及在3D軸承中顯著降低的情況（右）

圖4示出了轉(zhuǎn)子總成及其3D滑動軸承組合件的結(jié)構(gòu)和裝配情況。軸承襯套借助于軸承殼體機(jī)油入口中的定位銷定位，作用在軸承上的力通過定位銷傳遞到殼體中，由定位銷中心孔向3D軸承供應(yīng)機(jī)油，并成為擠壓油膜的阻尼器。3D滑動軸承襯套、轉(zhuǎn)子和密封套形成有效的滑動面。渦輪側(cè)軸頸位于轉(zhuǎn)子軸上，而壓氣機(jī)側(cè)軸頸則集成在裝配于轉(zhuǎn)子軸上的密封套上，兩者與軸承襯套之間具有規(guī)定的徑向和軸向間隙。

圖4 廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子組合件及其3D軸承的結(jié)構(gòu)

于是，一個緊湊的軸承集成在現(xiàn)有的組合件中，它涉及到提高功率密度的流體力學(xué)支承技術(shù)，并在保持結(jié)構(gòu)空間不變的情況下降低了摩擦功率，而且這種結(jié)構(gòu)型式使轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)達(dá)到了滾動軸承的水平，這種小的偏轉(zhuǎn)提供了進(jìn)一步優(yōu)化廢氣渦輪增壓器的潛力。對熱力學(xué)具有重要意義的渦輪和壓氣機(jī)葉輪與殼體之間的間隙尺寸可通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子軸的位移軌跡加以限制，因此能夠進(jìn)一步提高廢氣渦輪增壓器的總效率。此外，有效地抑制亞同步激勵能決定性地改善聲學(xué)特性。

4 渦輪增壓器滑動軸承系統(tǒng)摩擦功率的比較

圖5示出了在3種不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)的滑動軸承系統(tǒng)的計(jì)算摩擦功率。與商業(yè)上普遍使用的滑動軸承相比，3D滑動軸承的摩擦功率最多可降低30%，它相當(dāng)于工作能力相仿的滾動軸承轉(zhuǎn)子總成的數(shù)量級。除此之外，使用空氣軸承的廢氣渦輪增壓器方案能進(jìn)一步降低摩擦功率，因?yàn)榭諝獾恼扯葹?7 μPas，大約是SAE 30規(guī)格機(jī)油在100 ℃入口溫度下粘度的1/500，但是由于空氣的單位承載能力比機(jī)油小，軸承所需的結(jié)構(gòu)空間更大，而隨著結(jié)構(gòu)尺寸增大轉(zhuǎn)子的慣性矩也有所增加，這對廢氣渦輪增壓器的動態(tài)性能會產(chǎn)生不良的影響。

圖5 根據(jù)加速模擬對各種不同軸承系統(tǒng)摩擦功率的比較

5 渦輪增壓器性能和冷起動特性

按照公式2，廢氣渦輪增壓器的總效率是3種效率的乘積。各種措施和物理結(jié)果除了對機(jī)械效率有影響之外，也影響到渦輪機(jī)的效率，因此為了評價(jià)所試驗(yàn)的滑動軸承系統(tǒng)的摩擦功率，廢氣渦輪增壓器是以相同的空氣動力學(xué)配置作為基礎(chǔ)。圖6示出了在熱氣體試驗(yàn)臺上查明的2種滑動軸承系統(tǒng)在渦輪壓比2.0時(shí)渦輪效率的比較，它表明在低和中等質(zhì)量流量范圍內(nèi)采用3D滑動軸承后廢氣渦輪增壓器的效率可提高約2%。

此外，-25 ℃冷起動試驗(yàn)表明，3D軸承甚至在這樣的邊界條件下使廢氣渦輪增壓器呈現(xiàn)出較小的起動力矩和自發(fā)的加速響應(yīng)特性，而且軸承零件沒有產(chǎn)生可測量出來的磨損。

6 通過降低渦輪增壓器摩擦功率降低CO2排放的潛力

由此可推斷出一個具有代表性的運(yùn)行工況點(diǎn)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min和平均有效壓力為1.5 MPa(圖6)?，F(xiàn)在將這個運(yùn)行工況點(diǎn)轉(zhuǎn)換到一款緊湊型SUV車（表1）上,得到表1的運(yùn)行參數(shù)，即發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 750 r/min和平均有效壓力位2.149 MPa。

圖6 第二代軸承系統(tǒng)與3D軸承之間渦輪效率的比較

表1 緊湊型SUV車技術(shù)數(shù)據(jù)


 
圖7示出了在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 750 r/min的負(fù)荷截面上的比燃油耗，其中全套發(fā)動機(jī)外圍設(shè)備和廢氣渦輪增壓器的主要尺寸保持不變，僅僅在發(fā)動機(jī)工作過程計(jì)算中考慮到了3維滑動軸承的效果，而燃油耗曲線已被標(biāo)準(zhǔn)化到使用標(biāo)準(zhǔn)軸承的平均壓力2.15 MPa時(shí)的燃油耗，在該運(yùn)行的典型工況點(diǎn)燃油耗降低了約0.5%，因此就這種車輛等級在WLTP行駛循環(huán)中的CO2排放約195 g/km而言，使用3D滑動軸承CO2排放就能降低約1 g/km。

圖7 第二代軸承系統(tǒng)與3D軸承之間比燃油耗的比較

7 結(jié)論和展望

BMTS技術(shù)公司開發(fā)的新型軸承技術(shù)開辟了顯著提高廢氣渦輪增壓器效率的潛力，它能有助于滿足當(dāng)前廢氣排放法規(guī)的要求。除了有效地推動了開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步之外，3D滑動軸承還為達(dá)到出色的渦輪增壓器性能附加提供了顯著的潛力。除了降低摩擦功率之外，還減小了轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)，這可用于提高轉(zhuǎn)子的熱力學(xué)效率，因此可控制地減小轉(zhuǎn)子與殼體之間的間隙尺寸。這種結(jié)構(gòu)型式可消除亞同步不穩(wěn)定性和激勵，從而顯著改善聲學(xué)特性。這種滑動軸承系統(tǒng)適合于使用低粘度機(jī)油，因此C級車無需特殊的優(yōu)化就能在WLTP行駛循環(huán)中獲得約0.5%的節(jié)油效果。

未來這種滑動軸承原理還能轉(zhuǎn)化到更高的承載能力等級，并應(yīng)用于重要的商用車領(lǐng)域及BMTS技術(shù)公司的電氣化廢氣渦輪增壓器上，從而更可靠地運(yùn)行，更有效地利用能量。
 
 
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