王 飛

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 陜西 西安 710018）

引言

為了促進(jìn)汽車技術(shù)的發(fā)展，科研人員發(fā)明了先進(jìn)的發(fā)動機(jī)技術(shù)，其中比較具有代表性的是渦輪增壓技術(shù)與缸內(nèi)直接噴射技術(shù)。在全球石油資源日趨緊張以及汽車排放法規(guī)日趨嚴(yán)格的情況下，發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)在節(jié)能減排方面的作用更加受到重視。增壓、降低排量是當(dāng)前汽油機(jī)的發(fā)展方向，采用增壓技術(shù)可提高發(fā)動機(jī)的升功率及平均有效壓力，在不影響汽車動力性的前提下可提高燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放[1-3]。當(dāng)前，我國國內(nèi)對發(fā)動機(jī)的渦輪增壓技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究。倪計(jì)民等人[4]于2012年應(yīng)用GT-power軟件建立了1.5 VCT發(fā)動機(jī)一維仿真模型，進(jìn)行了模型數(shù)值匹配計(jì)算及性能預(yù)測；胡遼平等人[5]于2013年對汽油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、可變截面增壓系統(tǒng)進(jìn)行匹配數(shù)值模擬，確定了VGT增壓系統(tǒng)對汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及動力性等的影響。王達(dá)等人[6]于2014年對小排量賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行了渦輪增壓匹配計(jì)算及性能預(yù)測。龔金科等人[7]于2016年對電控旁通閥渦輪增壓器匹配進(jìn)行了計(jì)算和研究。本文針對某款小排量渦輪增壓發(fā)動機(jī)，進(jìn)行了渦輪增壓器選型，通過AVL-BOOST軟件對發(fā)動機(jī)與渦輪增壓器的匹配進(jìn)行了計(jì)算和性能預(yù)測。

1 研究對象與工具

1.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為單缸水冷自然吸氣四沖程汽油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 仿真模擬計(jì)算軟件

AVL-BOOST軟件是AVL工程軟件公司開發(fā)的一套模擬計(jì)算軟件，利用該軟件可以進(jìn)行一維發(fā)動機(jī)熱力學(xué)循環(huán)模擬分析，構(gòu)建發(fā)動機(jī)整機(jī)模型，對發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣道結(jié)構(gòu)形狀、進(jìn)排氣門正時、缸內(nèi)燃燒過程、發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配以及發(fā)動機(jī)與其他附屬部件的匹配進(jìn)行優(yōu)化分析。該軟件擁有包括邊界條件、空氣濾清器、氣缸、增壓系統(tǒng)、氣體及燃料管道、中冷器、ECU、噴油器、容積腔、后處理等模型，可以對進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)、缸內(nèi)直接噴射汽油機(jī)、柴油機(jī)等進(jìn)行模擬分析。BOOST軟件的增壓模塊可以進(jìn)行廢氣渦輪增壓、機(jī)械增壓等不同增壓方式的模擬仿真分析，完成不同增壓系統(tǒng)的性能分析和匹配計(jì)算。燃燒模塊包括VIBE雙區(qū)模型、VIBE模型、雙VIBE模型等，包含不同的燃燒放熱模型，能模擬不同的燃燒方式，如均質(zhì)混合氣壓燃、稀薄燃燒、分層燃燒、均質(zhì)燃燒等。后處理模塊可預(yù)測碳煙、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锱欧帕?，適用于發(fā)動機(jī)各種轉(zhuǎn)速下的所有負(fù)荷工作過程。BOOST軟件還具有一些兼容功能，實(shí)現(xiàn)一維到三維流場仿真分析的耦合；ECU模塊可以和MATLAB相接，能實(shí)現(xiàn)不同發(fā)動機(jī)控制策略的開發(fā)和分析。

2 渦輪增壓器選型

2.1 設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的確定

將試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)改造為渦輪增壓發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)要求見表2。

表2 渦輪增壓發(fā)動機(jī)性能參數(shù)

表3 渦輪增壓器參數(shù)

因?yàn)槠蜋C(jī)采用渦輪增壓會受到爆震的限制，因此壓縮比定為9.5，和原機(jī)相比有所降低。此外，為了提高排氣能量傳遞效率，將排氣門升程增大，排氣提前角減小。

2.2 渦輪增壓器性能指標(biāo)估算

增壓器選型的重要依據(jù)是增壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量Gs和增壓比πi，發(fā)動機(jī)的增壓匹配點(diǎn)通常選擇全負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速的50%~70%。本文選擇轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min時進(jìn)行計(jì)算，此時，有效功率Pe=22 kW，轉(zhuǎn)矩Ttq=70 N·m，有效燃油消耗率be≤300 g/(kW·h)?？捎?jì)算出匹配點(diǎn)的流量和增壓比，計(jì)算公式如下：

1）空氣質(zhì)量流量

式中：L0為理論空燃比，其值為14.7；Φat為過量空氣系數(shù)，全負(fù)荷下，增壓汽油機(jī)的Φat通常選取為0.80；be的計(jì)算公式為：

式中：i為氣缸數(shù)；Vs為單個氣缸工作容積，其值為0.15 L；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Φs為掃氣系數(shù)，其值為0.9。

3）增壓比

半夜的時候，溫簡還沒有睡著，顧青還在電腦前忙著工作。她看著他被汗?jié)裢傅纳碛?，心里是鐵馬冰河的傷感。她可以為他傾盡所有，可以為他奮不顧身，但她卻勢單力薄，她不是那個可以拉他走出困境的人。原來，愛一個人，不是盡心盡力就已經(jīng)足夠，還需要生活，需要經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，這就是現(xiàn)實(shí)給愛情最殘忍的難題。

式中：B為每小時的燃油消耗量，kg/h。

2）增壓后氣體密度

式中：Pb為增壓壓力，kPa；P0為大氣壓力，其值為101 kPa；ρ0為常溫常壓下的空氣密度，其值為1.18 kg/m3。Tb為壓氣機(jī)后平均溫度，增壓發(fā)動機(jī)安裝有中冷器，取值為320 K；T0為大氣溫度，其值為298 K。

根據(jù)公式（1）、（2）、（3）計(jì)算出增壓匹配點(diǎn)的空氣流量和增壓比，所選擇的渦輪增壓器型號為IHI RHB31 VZ21，該渦輪增壓器參數(shù)見表3。

3 渦輪增壓發(fā)動機(jī)外特性匹配

3.1 小排量渦輪增壓汽油機(jī)仿真模型的建立

小排量渦輪增壓汽油機(jī)的AVLBOOST模型由氣缸、進(jìn)排氣管管路、空氣濾清器、廢氣渦輪增壓器、穩(wěn)壓腔等功能部件組成。采用邊界條件將大氣環(huán)境和發(fā)動機(jī)仿真模型的邊界進(jìn)行連接，所建立的模型如圖1所示。在該仿真模型中，空氣經(jīng)過大氣邊界（SB1）、空氣濾清器（CL1）、渦輪增壓器的壓氣機(jī)（C）、穩(wěn)壓腔（PL4）、節(jié)氣門體（TH1）進(jìn)入進(jìn)氣管，然后經(jīng)過雙進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸（C1）內(nèi)，和噴油器噴出的霧化燃油形成可燃混合氣，通過火花塞將混合氣點(diǎn)燃。燃燒后的廢氣通過雙排氣門排出，推動渦輪機(jī)（T）高速轉(zhuǎn)動并帶動壓氣機(jī)一起轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)增壓目的。經(jīng)過渦輪機(jī)的廢氣依次經(jīng)過PL1、PL2、PL3（容積腔）和SB2（邊界）排放到大氣中。該仿真模型可以清楚地描述渦輪增壓汽油機(jī)的工作過程。模型建立之后，還需設(shè)定相關(guān)部件的參數(shù)。

圖1 小排量渦輪增壓汽油機(jī)仿真模型

3.2 增壓發(fā)動機(jī)模型內(nèi)部參數(shù)設(shè)置

1）模型邊界參數(shù)。模型邊界包括進(jìn)氣邊界和排氣邊界2部分，其數(shù)據(jù)為發(fā)動機(jī)工作時的真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，見表4。

表4 模型邊界參數(shù)設(shè)置

2）空氣濾清器。參數(shù)設(shè)置見表5。

表5 空氣濾清器參數(shù)設(shè)置

表6 渦輪增壓器參數(shù)設(shè)置

4）發(fā)動機(jī)氣缸參數(shù)。包括氣缸參數(shù)、氣缸初始化參數(shù)、氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣缸的燃燒模型參數(shù)等。

氣缸參數(shù)設(shè)置見表7。

表7 氣缸參數(shù)設(shè)置

氣缸初始化參數(shù)設(shè)置見表8。

表8 氣缸初始化參數(shù)設(shè)置

氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置見表9。

表9 氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

氣缸的燃燒模型采用Vibe燃燒模型，參數(shù)設(shè)置見表10。

表10 氣缸的燃燒模型參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果

4.1 仿真模型的驗(yàn)證

為了確保仿真模型的準(zhǔn)確性，需對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將仿真模型生成的各種數(shù)據(jù)和真實(shí)的發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。節(jié)氣門開度為20%時，增壓發(fā)動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和增壓發(fā)動機(jī)模型的仿真計(jì)算結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 增壓發(fā)動機(jī)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

從圖2可知，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出的曲線和仿真曲線基本一致，但是也存在一定的差異。當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 000~3 000 r/min時，功率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的最大誤差為4.8%，轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的最大誤差為4.1%，誤差均小于5%，說明增壓發(fā)動機(jī)模型的仿真數(shù)據(jù)十分可信。

4.2 渦輪增壓器匹配情況

發(fā)動機(jī)和渦輪增壓器聯(lián)合的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 汽油機(jī)和渦輪增壓器的聯(lián)合工作曲線

從圖3可知，汽油機(jī)匹配增壓器后，低流量時與喘振線接近，中高流量時，渦輪增壓器的工作效率為0.68~0.73，處于高效率區(qū)域，說明渦輪增壓器和發(fā)動機(jī)的匹配效果較好。

4.3 發(fā)動機(jī)性能預(yù)測

對平原及海拔3 000m處的發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，在平原上，渦輪增壓發(fā)動機(jī)的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩均比原發(fā)動機(jī)有所提高，燃油消耗率比原發(fā)動機(jī)有所降低，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 增壓發(fā)動機(jī)性能預(yù)測

5 結(jié)論

本文利用AVL-BOOST軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，對小排量汽油機(jī)進(jìn)行了渦輪增壓器的選型、匹配計(jì)算及性能預(yù)測，得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)原機(jī)性能試驗(yàn)，建立了小排量渦輪增壓汽油機(jī)仿真模型，并進(jìn)行了模型計(jì)算。將仿真模型數(shù)據(jù)和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出的曲線和仿真曲線基本一致，誤差在5%以內(nèi)，說明增壓發(fā)動機(jī)模型的仿真數(shù)據(jù)十分可信。

2）汽油機(jī)匹配增壓器之后，低流量時與喘振線接近，中高流量時，渦輪增壓器的工作效率為0.68~0.73，處于高效率區(qū)域，說明渦輪增壓器和發(fā)動機(jī)的匹配效果較好。

3）對平原及海拔3 000m處的發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行仿真分析可知，在平原上，渦輪增壓發(fā)動機(jī)的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩均比原發(fā)動機(jī)有所提高，燃油消耗率比原發(fā)動機(jī)有所降低，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007

2 江厚美，潘慶枯，蔡文興.汽車發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1984

3 宋守信.內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1993

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5 胡遼平，龔金科，賈國海，等.汽油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)數(shù)值模擬與優(yōu)化匹配特性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，44（4）：1431-1437

6 王達(dá)，錢丁超.小排量賽車發(fā)動機(jī)渦輪增壓匹配計(jì)算及性能預(yù)測[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2014，43（2）：1-6

7 龔金科，陳長友，胡遼平，等.電控旁通閥渦輪增壓器匹配計(jì)算研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，43（8）：1-7