0 引言
发动机增压技术可以提高发动机性能、减少废气排放。罗茨机械增压器直接由发动机曲轴以固定传动比驱动，相较于废气涡轮增压器，具有结构简单、瞬态响应快、工作性能稳定等优点，在汽车发动机上得到广泛应用，成为现代汽车发动机增压技术的重点研究方向之一[1-2]。奥迪3.0 L TFSI发动机、捷豹3.0 L V6发动机、奇瑞瑞虎1.6S搭载的SQR481FG发动机等均配置了罗茨机械增压器。
目前，罗茨机械增压器因其独特的增压优势在国外已有大量的研究和应用，且产品质量可靠，但出于技术保密而对外界封锁。相对而言，国内对罗茨机械增压器研究的深度和广度较国外都有很大差距。在罗茨机械增压器性能研究方面，刘厚根等[3]建立了罗茨增压器内泄漏模型，并试验验证了该模型的正确性。朱晓东[4]基于LabVIEW平台对1.0 L小排量机械增压器气流脉动的影响因素进行了虚拟试验，得到气流脉动规律。王晓军[5]试验研究了三叶转子罗茨机械增压器压比和流量脉动规律。刘文强等[6]对罗茨机械增压器主要噪声产生的机理及相应的控制策略进行了探讨。陈文波[7]对罗茨机械增压器的气体泄漏、消耗功率等性能进行了理论计算。国内对罗茨机械增压器的研究多以理论分析、仿真分析和单一性能试验为主，缺少自主开发的罗茨机械增压器以及全面的性能试验研究。罗茨机械增压器的实际工作性能受到多种因素的影响，只有通过试验研究才能对理论加以验证和补充，从而促进我国机械增压器技术的发展。
本文基于自主研发的机械增压器性能测试试验台，对笔者研制的具有扭叶转子、异形进排气口的ZNR2.4罗茨机械增压器样机的流量特性、泄漏损失、功率损失和噪声特性进行试验研究。
1 性能试验方案与研究方法
1.1 ZNR2.4罗茨机械增压器样机
本试验的研究对象ZNR2.4罗茨机械增压器结构如图1所示，其主要特征参数见表1。ZNR2.4罗茨机械增压器主要由壳体、前盖、两个型线相同旋向相反的160°扭转角四叶转子、正时齿轮和驱动带轮等组成。一般根据罗茨机械增压器在发动机上的布置位置选定两转子中的一个与驱动带轮连接，由发动机驱动。两个转子平行安装在壳体内，分别与一个齿轮同轴固连，由正时齿轮确保“啮合”，转子间并不接触，保持一定的间隙。在机械增压器壳体尾端开设进气口，侧面开设排气口。罗茨机械增压器的流动特性主要受进排气口形状、转子叶数、转子型线和转子扭转角的影响。传统的罗茨机械增压器一般进排气口形状简单，转子为三叶的直叶或小扭转角转子(一般在60°左右)。本试验研究的ZNR2.4罗茨机械增压器(下文简称“机械增压器”)进排气口依据CFD分析进行了合理的优化，采用新型四叶渐开线160°扭叶转子。优化后的异形进气口可降低进气口空气流速，减小进气损失。四叶160°扭转角转子可减小气流脉动，降低空气的轴向流动速率，缩短空气在增压器内的滞留时间。这些设计可以很好地改善容积效率以及热效率。
图1 ZNR2.4罗茨机械增压器基本结构
Fig.1 Basic structure of ZNR 2.4 Roots supercharger
表1 ZNR2.4罗茨机械增压器主要参数
Tab.1 Main parameters of ZNR2.4 Roots supercharger
名称数值增压器转子齿顶圆直径(mm)85.75增压器转子长度(mm)144增压器转子扭转角(°)160增压器转子节圆螺旋角(°)29.5增压器进气口直径(mm)60增压器出气口直径(mm)50增压器中心轴距(mm)58转子啮合间隙(mm)0.3～0.5
1.2 试验系统
图2 试验系统结构原理图
Fig.2 Test system structure schematic
本文机械增压器性能试验系统是基于SAE J1723-1995-08[8]搭建而成的。试验系统原理如图2所示，主要由变频调速电机、空气滤清器、进排气温度传感器、进排气压强传感器、扭矩转速传感器、节流阀、流量计、消声器和管道等构成。机械增压器由变频电机通过多楔带直接驱动，通过调节变频器电机转速来改变机械增压器的转速。在排气口安装一个背压调节阀来控制排气压力，使机械增压器达到不同的增压比。在排气管道末端加装消声器，模拟发动机及其排气系统的阻抗消声作用。电机与机械增压器之间串联扭矩转速传感器，可以直接读取和记录增压器的转速、扭矩和轴功率数据。增压器进排气口设置有压力传感器和温度传感器，读取进排气温度和进排气压力。图3是搭建的试验台实物图。
图3 机械增压器性能测试试验台
Fig.3 The performance test-bed of supercharger
所用测试仪器测量精度如下：压力测量精度±0.2%；温度测量精度±0.5℃；空气流量测量精度±0.5%；增压器出口压力最大测量误差±1 kPa，流量最大测量误差±0.5%。噪声测量采用CRY2120U实时声压分析仪，测量范围为25～130 dB。
1.3 试验方法
试验通过调节增压器转速、排气压力等参数，对机械增压器特性进行研究。选取了3 000，3 500，4 000，4 500，5 000，5 500，6 000 r/min 7个转速分别测试。测试环境大气压pe=101.325 Pa，环境温度Te=305 K。在测试时，先调节变频电机的转速，使机械增压器转速固定在某一指定值，调节背压调节器的开度使增压比为1.0。保持该增压比直到排气温度稳定不变。监测并记录各工况下的增压器各个性能参数。然后逐渐减小背压调节器开度使机械增压器增压比逐步增大并且分别稳定在1.20、1.25、1.30、1.40、1.45、1.50、1.60、1.70。在每个压比处测量性能参数。
由于目前国内尚未建立罗茨机械增压器噪声测量的相关标准，而罗茨机械增压器在原理上与罗茨风机相同，在结构上与罗茨风机接近,因此为了噪声研究的客观性，本次试验研究噪声测量参照国家标准GB/T 2888—2008[9]中对测量方法和测量环境的要求。图4所示为噪声测点分布，机械增压器安装在试验台上，距离地面高度1 m。测点C1、C2、C3距离增压器表面1 m，分布在图示3个方向上。测量场地选择在停车坪，周围20 m内除地面以外基本无其他反射条件。试验开始前和结束后，分别测量背景噪声。
图4 噪声测点分布图
Fig.4 Distribution of noise measurement points
2 试验结果与分析
2.1 机械增压器流量特性分析
本次试验未对机械增压器做强制冷却，其内压缩功接近于等熵绝热压缩[10]，因此可应用绝热效率ηθ来评价机械增压器的效率，计算式为[11]
(1)
ε=po/pi
(2)
式中,ε为增压比；k为绝热指数，k=1.4;pi、po分别为机械增压器进排气口绝对压力，kPa；Ti、To分别为进排气口温度，K。
机械增压器流量由排气口的涡街流量计测得，实际流量Qs是将排气流量Qo换算到进气状态下的数值，即
Qs=εQoTi/To
(3)
图5为依据试验数据绘制的机械增压器质量流量特性图。图中虚线为转速曲线，粗实线为等效率曲线。由图5可以看出，机械增压器在转速3 000～6 000 r/min、压比1.2～1.4的范围内，绝热效率在0.6以上，最高绝热效率大于0.65，而最高压比可达1.7。机械增压器处于大流量高转速时，绝热效率变低。转速曲线竖直分布，呈现出很明显的线性增压效果，与理论结果吻合很好。
图5 ZNR2.4罗茨机械增压器质量流量特性
Fig.5 Mass flow characteristics of ZNR2.4 Roots supercharger
为了便于分析,引入温升比τ，定义为
τ=To/Ti
(4)
式(1)可写为
(5)
可以看出压比恒定的情况下，温升比增大将会导致绝热效率降低。由于试验环境进气温度基本稳定，因此导致绝热效率降低的主要原因是机械增压器排气温度的升高。图6为本次研究的罗茨机械增压器工作示意图，罗茨机械增压器是一种容积式泵，对气体没有内压缩，通过转子将气体从进气口不断推到排气口实现增压。图中阴影部分控制体内气压与入口气压都是pi，区域Ⅰ为控制体和排气口刚开始连通，此时排气口高压气体会回流进气压较低的控制体内，这种回流冲击会产生一定的热量，导致回流冲击损失。区域Ⅱ和Ⅲ由于转子-转子间隙、转子-壳体间隙的存在，会导致高压气体向低压侧泄漏，泄漏气流与转子或壳体壁面摩擦产生热量，导致泄漏损失。吸气和排气过程中也不可避免地会产生气体与固体结构之间的摩擦，产生进排气损失。此外，高速运转的增压器轴承、齿轮等零件产生的热量也会传递给压缩气体，产生加热损失。上述损失消耗的功转化为热量，其中相当一部分热量被气体吸收，且随着转速的增加，这些损失也会相应增加。因此，罗茨机械增压器在发动机上应用时并非转速越高越好，而是需要综合权衡，在合适的转速区域与发动机匹配。
图6 罗茨机械增压器工作原理示意图
Fig.6 Schematic diagram of the Roots supercharger working principle
2.2 机械增压器容积效率分析
罗茨机械增压器工作过程中会同时存在内泄漏损失和外泄漏损失。内泄漏损失是在进排气压差的作用下，排气腔的部分气体通过转子间隙回流到进气腔；而外泄漏损失是在增压器机壳内外压差的作用下，气体通过轴端间隙从增压器的排气腔往外面泄漏。如图7所示，为了减小内泄漏，本次试验所使用的罗茨机械增压器采用了转子表面喷涂聚四氟乙烯的设计，在机械增压器工作工程中，转子表面富有弹性且具有自润滑特性的涂层会随温度、压力等工况变化来减小转子与转子、转子与壳体的间隙，对内泄漏起到很好的降低效果。转子轴端采取唇形密封圈和密封垫片施行接触型轴端密封，外泄漏损失相对很小，可忽略不计[11]。因此机械增压器泄漏损失主要是内泄漏损失，可以使用容积效率ηV表征其内泄漏情况。
(a)无表面涂层 (b)有表面涂层
图7 表面喷涂聚四氟乙烯的转子
Fig.7 The rotor with surface coating of polytetra fluoro ethylene
依据性能试验所得数据，得到机械增压器的容积效率曲线，如图8所示。由图8可以看出，机械增压器处于特定转速时，容积效率总体上随着压比的增大不断减小。转速越高，容积效率曲线越平缓，在4 500 r/min以上的高转速下，压比对容积效率的影响较弱；机械增压器处于特定压比时，容积效率随着转速的提高而提高，并且增幅随着压比的增大逐步增大。综合考虑转速与压比，容积效率在55%～90%的范围内变化，当转速大于4 000 r/min时，在试验所测的压比范围内，容积效率高于70%。
图8 ZNR2.4罗茨机械增压器容积效率曲线
Fig.8 Volumetric efficiency curve of ZNR2.4 Roots supercharger
机械增压器容积效率受压比变化影响比转速变化影响大。主要原因为：机械增压器转子配合间隙相对稳定，通过转子间隙的气体泄漏量受进气与排气侧的压差影响，随着压比增大，进气与排气侧的压差增大，转子间隙泄漏量增大，导致容积效率减小；转速的变化则对泄漏量无显著影响，但转速变化会产生流量变化，从而导致容积效率变化。试验结果表明该机械增压器在工作转速区间容积效率表现良好。
2.3 机械增压器轴功率消耗分析
图9所示是根据试验数据绘制的机械增压器轴功率曲线。依据试验结果可得，在特定转速下，轴功率随压比增大而增大，并且随着转速的提高，轴功率增幅有微小增加。理论上这些曲线应该增幅不变，出现这种情况的原因是随着压比增大，回流冲击损失加剧，热损失功率Nr增大。Nsh-n关系曲线近似为直线，可见，当压比定值时，轴功率线性变化，即机械效率近似为定值。在转速6 000 r/min、压比1.7时最大轴功率约为0.7 kW,得到的罗茨机械增压器功率消耗并没有文献[7]所指出的高功耗。
图9 ZNR2.4罗茨机械增压器轴功率曲线
Fig.9 Shaft power curve of ZNR2.4 Roots supercharger
2.4 机械增压器噪声分析
机械增压器的噪声是衡量其环保性能的一项重要指标，为了研究该机械增压器的综合性能，根据1.3节所述的噪声测量方法，对每一个工况下C1、C2、C3三个测量点的A声级测量值按下式进行平均处理：
(6)
式中，La、L1、L2、L3分别为平均A声级和C1、C2、C3三个测量点的A声级，dB(A)。
由于背景噪声比增压器噪声低且差值大于10 dB(A)，因此平均A声级不做修正。图10为试验测量的罗茨机械增压器噪声平均A声级随压比和转速变化曲线。由图10可以看出，罗茨机械增压器噪声有以下特点：转速不变时，声压级与压比成非线性关系；压比1～1.3范围内，声压级随压比增大而减小；压比1.3～1.6范围内，声压级随压比增大而增大；压比1.6～1.7范围内，声压级趋于稳定。压比不变时声压级随转速升高而增大，并且呈现出增幅变大的现象。
图10 ZNR2.4罗茨机械增压器噪声曲线
Fig.10 Noise curve of ZNR2.4 Roots supercharger
根据试验结果分析，机械增压器的噪声主要来自于空气动力噪声和机械噪声两个方面。随着机械增压器转速升高，机械增压器零部件振动加剧，机械噪声随之增大。这一部分噪声主要受轴承、转子、正时齿轮等制造工艺和装配工艺的限制，在现有的条件下很难进一步降低。如图6所示，排气口处会产生回流冲击，而随着压比增大、转速提高，回流冲击势必更为剧烈，同时不连续的压缩过程也会产生气流脉动，在增压器排气口共同导致复杂的涡流，引发噪声[12]。压比增大加大了增压器内泄漏量，排气口高压气体回流，与进气口的低压气体相遇瞬间膨胀，产生噪声。分析图10可知，在不同压比下声压级随转速的变化趋势非常接近，而同一转速下，更高的压比会明显地增大噪声，这说明在空气动力噪声和机械噪声两个方面，空气动力噪声是增压器的主要噪声来源。本研究所用机械增压器使用了大扭转角转子，气流脉动已达到较低水平，因此可通过增加预排气设计来降低回流冲击、优化转子间隙来减小内泄露等措施进一步降低气动噪声。此外，当增压器安装在整车上之后，由于进气口连接空气滤清器(具有阻性消声器的作用)，排气口与发动机进气口相连通，噪声还会有大幅减小。
3 结论
(1)增压器在3 000 r/min时就进入高效率区，因此在低速时就能迸发出最优增压效果，但转速超过6 000 r/min后各个压比下热效率均下降。
(2)罗茨机械增压器中高转速(4 000～6 000 r/min)时容积效率可达75%以上，适当提高机械增压器转速可提高增压器容积效率，但无助于减小增压器的内泄漏量。
(3)罗茨机械增压器运行时所消耗的功率最高仅0.7 kW，而其中大部分功率用于空气增压，因此罗茨机械增压器客观上对发动机功率的消耗十分有限。
(4)转速和压比均会影响噪声声压，由转速上升和压比增大引起的气动噪声成为噪声的主要增长成分，最高噪声为95 dB(A)。
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