高東東，王軍

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

某柴油機(jī)增壓器匹配計(jì)算

高東東，王軍

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

利用AVL BOOST軟件對某款渦輪增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)行增壓器匹配選型。通過計(jì)算模型的標(biāo)定，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，證明計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。在標(biāo)定模型的基礎(chǔ)上，提高目標(biāo)扭矩，基于相同的全負(fù)荷和增壓比，計(jì)算增壓器一和增壓器二的匹配效果。計(jì)算結(jié)果表明：增壓器一的匹配效果明顯優(yōu)于增壓器二，建議選用增壓器一匹配新機(jī)型。

柴油機(jī)；增壓器匹配；模型標(biāo)定

0 引言

渦輪增壓系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)領(lǐng)域內(nèi)強(qiáng)化升功率、改善燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放和恢復(fù)發(fā)動機(jī)高原動力性的有效技術(shù)措施[1-2]。現(xiàn)如今，增壓機(jī)型已成為內(nèi)燃機(jī)的基本型[3]。為了使增壓器對發(fā)動機(jī)性能的改善效果達(dá)到最佳，除了要求發(fā)動機(jī)及增壓器本身的良好性能外[4]，兩者匹配合適與否也對發(fā)動機(jī)的性能產(chǎn)生直接影響[5]，因此對增壓器進(jìn)行匹配計(jì)算具有重要意義。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算說明

基于AVL BOOST軟件對一款2.0 L四缸廢氣渦輪增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)行增壓器匹配計(jì)算。計(jì)算思路是在標(biāo)定基本型的基礎(chǔ)上，提升目標(biāo)最大扭矩至310 N·m(設(shè)計(jì)部門要求)，基于相同的全負(fù)荷和增壓比，計(jì)算兩個(gè)廠家提供的增壓器(后面簡稱增壓器一和增壓器二)的匹配效果。

1.2 模型標(biāo)定

2.0 L基本型發(fā)動機(jī)采用的是增壓器二。根據(jù)發(fā)動機(jī)各零部件的實(shí)際幾何尺寸和特性參數(shù)搭建BOOST計(jì)算模型，如圖1所示。

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，必須采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行標(biāo)定。即通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正BOOST模型參數(shù)，使計(jì)算結(jié)果逼近試驗(yàn)測量結(jié)果。文中依據(jù)最新試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本型的性能標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖2—11所示。

從上述一系列的對比圖中可以看出，除低速渦前壓力偏差較大以外，其他計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)能很好地吻合。

在1 000～1 800 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，試驗(yàn)渦前壓力與軟件計(jì)算值差異較大。對比該機(jī)型的其他版本渦前壓力測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)一致性較差，渦前壓力測量值波動大。公司1.9 L柴油機(jī)與此次分析的2.0 L柴油機(jī)排量相近，且增壓器類型相同，因此，1.9 L柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)具備比較意義。表1即為兩款發(fā)動機(jī)渦前壓力數(shù)據(jù)對比，可以看出1.9 L柴油機(jī)試驗(yàn)值與2.0 L柴油機(jī)試驗(yàn)值差異較大，而與2.0 L柴油機(jī)計(jì)算值差值保持在10～20 kPa內(nèi)，且變化趨勢一致。由此可以初步判定，該版本渦前壓力數(shù)據(jù)測量誤差較大，失去對比的意義。綜上所述，可以認(rèn)為該模型準(zhǔn)確，能夠用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析及性能預(yù)測。

表1 渦前壓力對比

2 增壓器匹配分析

2.1 計(jì)算邊界校核

在進(jìn)行增壓器匹配計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果需要滿足表2中所列的參數(shù)要求。

表2 計(jì)算邊界

基于相同目標(biāo)扭矩、功率和壓比的前提下(圖12—14)，表2中所列參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖15—18所示。

匹配增壓器二的發(fā)動機(jī)渦前壓力(圖15)和渦前溫度(圖16)比增壓器一略高，但仍然滿足限值要求。增壓器一的最高轉(zhuǎn)速比增壓器二略高(圖17)，也滿足限值要求。匹配兩款增壓器的缸內(nèi)最大爆壓相當(dāng)(圖18)，均滿足限值要求。綜上所述，4項(xiàng)參數(shù)均滿足表中限值要求，可通過此計(jì)算結(jié)果進(jìn)行增壓器的匹配效果評判。

2.2 匹配結(jié)果分析

在壓氣機(jī)特性曲線圖上，將外特性工況下以增壓比和空氣流量表征的增壓器和柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)確定下來。這樣，當(dāng)柴油機(jī)按某一特性運(yùn)行時(shí)的所有工況點(diǎn)都可在壓氣機(jī)特性曲線上確定下來，從而形成了圖19—20所示的特性曲線，通常稱為增壓器和柴油機(jī)聯(lián)合工作后的聯(lián)合運(yùn)行線。聯(lián)合運(yùn)行線反映了增壓器與柴油機(jī)匹配運(yùn)行時(shí)兩方面的綜合情況，因此通常都借助于聯(lián)合運(yùn)行線來判斷增壓器與柴油機(jī)的匹配是否合適[3]。

增壓器一聯(lián)合運(yùn)行線(圖19)：壓氣機(jī)工況點(diǎn)沒有喘振和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，喘振裕度約為18%，同時(shí)，堵塞裕度較大；發(fā)動機(jī)的最大扭矩工況點(diǎn)運(yùn)行于壓氣機(jī)較高效率范圍內(nèi)，且運(yùn)行曲線的高效率范圍較大。

增壓器二聯(lián)合運(yùn)行線(圖20)：壓氣機(jī)低速工況點(diǎn)已經(jīng)在喘振線上，壓氣機(jī)發(fā)生喘振的可能性較大；壓氣機(jī)堵塞裕度較大；最大扭矩工況點(diǎn)運(yùn)行于壓氣機(jī)較高效率范圍，運(yùn)行曲線的高效率范圍與增壓器一相當(dāng)。

圖21—23為兩個(gè)增壓器在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的運(yùn)行效率對比結(jié)果。

可以看出：增壓器一的運(yùn)行總效率明顯高于增壓器二，特別是渦輪機(jī)效率最大差值高達(dá)6%,而兩個(gè)壓氣機(jī)運(yùn)行效率相差不大。

綜上所述：增壓器一的壓氣機(jī)喘振余量較大，運(yùn)行曲線的高效率范圍較大，匹配較好；增壓器二壓氣機(jī)低速工況點(diǎn)已經(jīng)在喘振線上，發(fā)生喘振的可能性較大，匹配不佳。

2.3 整機(jī)性能對比

重要整機(jī)性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果對比如圖24—28所示。由于增壓器二的渦輪機(jī)運(yùn)行效率和總效率均低于增壓器一，從而導(dǎo)致增壓器二的排溫較高(圖25)、比油耗較高(圖26)。此外，增壓器二的空氣流量及過量空氣系數(shù)要略低于增壓器一(圖27—28)。

從上述整機(jī)性能對比可以看出，匹配增壓器一的整機(jī)性能要優(yōu)于匹配增壓器二的發(fā)動機(jī)性能。

3 結(jié)束語

通過上述模型標(biāo)定和匹配分析,可以得出如下結(jié)論:

(1)增壓器一的壓氣機(jī)喘振余量較大，運(yùn)行曲線的高效率范圍較大，匹配較好；增壓器二的壓氣機(jī)低速工況點(diǎn)已經(jīng)在喘振線上，發(fā)生喘振的可能性較大，匹配不佳。

(2)兩個(gè)增壓器均能滿足當(dāng)前的動力需求，但匹配增壓器一的整機(jī)比油耗、過量空氣系數(shù)和排氣溫度等參數(shù)要優(yōu)于匹配增壓器二的發(fā)動機(jī)。

綜上所述,增壓器一匹配效果優(yōu)于增壓器二，建議采用增壓器一匹配新機(jī)型。

【1】曾文,宋崇林.直噴汽油機(jī)燃料與空氣混合過程的大渦模擬[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(3):258-265.

【2】楊世友,顧宏中,郭中朝.柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].柴油機(jī),2001(4):1-5.

【3】陸家祥.柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

【4】梅芬,王軍.某國Ⅴ柴油機(jī)增壓器匹配計(jì)算[J].汽車制造業(yè)，2013(13):42-44.

【5】顏平濤,王超,楊陳，等.基于AVL-BOOST軟件汽油機(jī)增壓器匹配研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013,42(3):10-15.

Turbocharger Matching and Calculation for a Diesel Engine

GAO Dongdong, WANG Jun

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

Turbocharger matching and selection for a turbocharged and intercooled diesel engine were done by AVL BOOST software. By calibrating the calculation model, the calculated results had good agreement with the test data, which verified the accuracy of calculation model. On the basis of the calibration model, to boost target torque, matching effects of turbochager one and turbocharger two were calculated based on same full load and pressure ratio. The calculation results indicate that matching effect of turbochager one is better than that of turbochager two, so turbochager one is typically recommended to match new model.

Diesel engine;Turbocharger matching; Model calibration

2015-07-20

高東東(1984—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)性能分析。E-mail:goden1001@126.com。