2  喘振

隨著車載渦輪增壓器向著高轉(zhuǎn)速、小尺寸和高壓比的技術(shù)趨勢發(fā)展，壓氣機(jī)工作的流量范圍和壓比區(qū)間都越來越寬，如果渦輪增壓器的動(dòng)力匹配標(biāo)定不合理，那么車輛使用過程中就很可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。當(dāng)渦輪增壓器發(fā)生喘振時(shí)，壓氣機(jī)的流量和壓力都會(huì)出現(xiàn)顯著的波動(dòng)，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片將承受更大的交變載荷，轉(zhuǎn)子軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)載荷也會(huì)明顯變大，并伴隨異常的振動(dòng)噪聲問題。這不僅影響到增壓器密封系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的正常工作，還直接影響到增壓器系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低整車的NVH性能和車輛駕乘的舒適性，嚴(yán)重情況下可能造成渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的故障損傷。

目前，汽車行業(yè)對渦輪增壓器的喘振現(xiàn)象，還沒有統(tǒng)一明確的定義和識別標(biāo)準(zhǔn)，通常是根據(jù)實(shí)際測試過程中壓氣機(jī)流量、壓力、溫度、振動(dòng)和噪聲等狀態(tài)參數(shù)的變化情況，結(jié)合具體的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對不同的喘振問題進(jìn)行分類和判別。常見的喘振類型包括輕度喘振、典型喘振、混合喘振和深度喘振等。

2.1 喘振機(jī)理

渦輪增壓器喘振問題通常是發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)下，壓氣機(jī)的氣體流量減小到一定程度時(shí)，進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓管入口處的氣體流動(dòng)形式發(fā)生顯著變化，葉片的來流攻角增大，在葉輪葉片背面的邊界氣流出現(xiàn)不穩(wěn)定的分離，分離出的紊流或渦流迅速地?cái)U(kuò)展到壓氣機(jī)通道的其它區(qū)域，引起氣流的循環(huán)振蕩或強(qiáng)烈脈動(dòng)，并且出現(xiàn)氣流的倒流現(xiàn)象或者氣體回流的趨勢，導(dǎo)致壓氣機(jī)流量、壓力或溫度等特征參數(shù)的明顯波動(dòng)，增壓器效率急劇地下降，同時(shí)伴隨著渦輪增壓器或發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異常的振動(dòng)噪聲問題。

如果假設(shè)壓氣機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)具有一維的不可壓縮性，在壓氣機(jī)出口后端容積內(nèi)是等熵絕熱的可壓縮過程，壓氣機(jī)內(nèi)部是溫度變化均勻的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，以及增壓器轉(zhuǎn)速的波動(dòng)變化較小等前提條件下，渦輪增壓器發(fā)生深度喘振現(xiàn)象的振蕩主頻率 fH 可通過赫姆霍茲聲腔共振公式(1)進(jìn)行近似地估算。對于搭載中小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車而言，深度喘振的頻率通常在幾十赫茲以內(nèi)。而對于搭載大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的商用車或船舶輪機(jī)，喘振頻率會(huì)降低至幾赫茲以內(nèi)。需要注意的是，由于喘振現(xiàn)象的非線性特點(diǎn)，喘振頻率也存在著不確定性的演變與發(fā)展。

式中，c為聲速，Ac為壓氣機(jī)管路的等效截面積，Lc為壓氣機(jī)管路的等效長度，Vp為壓氣機(jī)出口與發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門之間的可壓縮空間容積。

2.2 喘振的措施方案

對于增壓器喘振問題的“源頭”控制，包括了“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”和“匹配標(biāo)定”的兩個(gè)方面。

其中，喘振問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案通常是采用改進(jìn)優(yōu)化壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)特征（比如，采用較小的葉片進(jìn)氣口、后彎的葉輪、增加流量的消音槽、優(yōu)化壓氣機(jī)葉片的Trim值、可調(diào)的入口導(dǎo)葉、可變截面的導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)、渦旋進(jìn)氣的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等），以擴(kuò)大壓氣機(jī)的工作流量范圍，或者采用低慣量的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以及采用主動(dòng)噴氣的主動(dòng)控制方案等。

而基于整車的增壓系統(tǒng)匹配標(biāo)定優(yōu)化，通常是整車項(xiàng)目NVH性能開發(fā)的中后期階段最為經(jīng)濟(jì)和有效的解決措施。比如，為了防止壓氣機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于某些不確定的因素進(jìn)入喘振狀態(tài)，通常在整車的增壓系統(tǒng)標(biāo)定過程中，根據(jù)動(dòng)力總成臺架的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和同類型增壓器的匹配經(jīng)驗(yàn)，劃定出一條“防喘線”。一般而言，“防喘線”上的壓氣機(jī)工作流量比相應(yīng)轉(zhuǎn)速的喘振流量大5~15%。增壓器工作區(qū)離喘振線越近，就越容易發(fā)生喘振，因此在整車的增壓器標(biāo)定匹配之中，應(yīng)該盡可能地使增壓器工作區(qū)遠(yuǎn)離喘振線，從而避免在各種整車工況下發(fā)生喘振問題。通常，車載四缸汽油機(jī)的渦輪增壓器匹配喘振余量推薦為10%以上，搭載三缸或更少發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)的整車匹配標(biāo)定喘振余量建議推薦為20%左右。