（动力机械及工程专业论文）基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价.pdf

基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 摘要 本研究围绕某款1 0 l 自然吸气式发动机升级为废气涡轮增压发动机而展开的，用来 代替某款整车原1 3 l 自然吸气式发动机，实现搭载1 0 l 增压发动机后的整车动力性超过 原整车的动力性，并且整车油耗达到节省5 的油耗目标。 本文应用发动机一维模拟软件g t - p o w e r 建立了1 0 l 自然吸气式汽油机仿真模型，并 将仿真模型模拟数据与试验数据进行对比校核，得到精确性比较高的g t - p o w e r 模型。根 据增压性能目标需求，利用增压选型推导公式计算结果初步选定两款增压器，对两款增 压器分别进行模拟计算，综合分析两款增压器与原机匹配情况，最终确定g t l 2 增压器 与原机匹配合理。 根据增压发动机性能仿真模型，优化了增压发动机的进排气歧管。分析了不同气门 重叠角对发动机性能的影响，通过增加气门重叠角有望改善低速扭矩。利用爆震模块分 析压缩比和点火提前角的变化情况对增压汽油机爆震指数的影响，为增压汽油机的改进 设计和试验研究提供理论依据和研究方向。针对增压后发动机的排温升高，通过模型计 算分析过量空气系数变化对排温的影响，对排温超出极限值提出了相应的整改措施。 综合评价了增压样机与原非增压发动机的性能情况。增压后发动机扭矩比原机扭矩 增加了4 1 7 ，通过改用更小的涡轮机或者采用v v t 技术有望进一步改善增压发动机的 低端扭矩。增压后发动机比油耗比原机高，主要原因在于压缩比降低和点火提前角推后， 导致增压后热效率有所下降。与1 3 l 自然吸气式汽油机相比，增压发动机的动力性全面 超过1 3 l 发动机，两款发动机搭载同一款整车在新欧洲道路循环工况下的整车油耗结果 表明：与搭载1 3 l 发动机整车油耗相比，搭载增压发动机整车动力性保持不变的情况下， 油耗能下降5 1 8 ，达到了预期性能目标，并且通过降低增压样机排气背压还能进一步 降低整车油耗。 关键词：增压汽油机；g t p o w e r ：增压器匹配；性能模拟计算；爆震 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hw a sf o c u s e do nu p g r a d i n ga1 0 ln a t u r a l l y a s p i r a t e de n g i n ei n t oa t u r b o c h a r g e de n g i n e ，t or e p l a c eat h e1 3 ln a t u r a l l ya s p i r a t e de n g i n ei na v e h i c l e p o w e r e db y t h e1 0 lt u r b o c h a r g e de n g i n ev e h i c l ed y n a m i c si sa i m e dt o1 3 le n g i n e ，a n dt h ev e h i c l ef u e l c o n s u m p t i o ns h o u l ds a v e su p t o5 f i r s t l y , o n e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eg t - p o w e r w a s u t i l i z e dt oc r e a tas i m u l a t i o n m o d e lf o rt h e1 0ln a t u r a l l ya s p i r a t e dg a s o l i n et h em o d e lw a st h e nc a l i b r a t e da n dv a l i d a t e d a g a i n s te x p e r i m e n t a ld a t a t w ot u r b o c h a r g e rm o d e l sw e r ep r o p o s e db a s e do nt h eb o o s t i n g t a r g e tr e q u i r e m e n t s a n dt h ed e r i v a t e d p r e s e l e c t i o nf o r m u l a l a t e r , d e t a i l e d g t - p o w e r s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tg t l 2t u r b o c h a r g e ri sm o r es u i t a b l ef o rt h ee n g i n e t h e n , t h ei n l e ta n de x h a u s tm a n i f o l ds y s t e mw e r eo p t i m i z e df o rt h em r b o e h a r g e de n g i n e m o d e l a n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tv a l v eo v e r l a pa n g l ei n d i c a t e dt h a ti n c r e a s i n gt h ev a l v eo v e r l a p a n g l ew a se x p e c t e dt oi m p r o v et h el o w - s p e e dt o r q u e ak n o c k i n gm o d u l ew a sd e v e l o p e da n d u t i l i z e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ne n g i n ek n o c ki n d e xo fc o m p r e s s i o nr a t i oa n ds p a r k t i m i n g ，w h i c hp r o v i d e dt h et h e o r e t i cs u p p o r ta n dd i r e c t i o nf o re n g i n ed e s i g nc h a n g ea n d t e s t s c h e m e e x h a u s tg a st e m p e r a t u r ei n c r e a s ea f t e rt u r b o c h a r g i n g ，a n dt h ei n f l u e n c e so ft h ea i r r u l e r a t i ow e r ea n a l y z e d a n dp u tf o r w a r dr e l e v a n ts u g g e s t i o n sf o rr e d u c i n gt h ee x h a u s tg a s t e m p e r t u r e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，c o m p r e h e n s i v e l yc o m p a r i o no fp e r f o r m a n c eb e t w e e n t h et u r b o c h a r g e de n g i n ea n dt h eo r i g i n a ln a t u r a l l ya s p i r a t e d1 0 la n dt h e1 3 lg a s o l i n e e n g i n e s c o m p a r e dt ot h eb a s e l i n ee n g i n e ，t h et u r b o c h a r g e de n g i n eh a d a ni n c r e a s eo ft o r q u e b y4 1 7 a t2 0 0 0 r m i nt h et u r b o c h a r g e de n g i n ed o e sn o tm e e tt h ep e r f o r m a n c eg o a l ，b u t s w i t c h i n gt os m a l l e rt u r b i n e so ru s i n gw tt e c h n o l o g yw a se x p e c t e d t oi m p r o v et h el o w - e n d t o r q u e a se x p e c t e d , t h ef u e lc o n s u m p t i o nr a t eo ft u r b o c h a r g e de n g i n ei sh i g h e rt h a nb a s e l i n e e n g i n e ，m a i n l yd u e t or e d u c e dc o m p r e s s i o nr a t i oa n dt h er e t a r d e di g n t i o nt i m i n gw h i c hl e a dt o at h e r m a le f f i c i e n c yd r o p c o m p a r e dt ot h e1 3 ln a t u r a l l ya s p i r a t e de n g i n e ，t h ep o w e ro f t u r b o c h a r g e de n g i n ew a sh i g h e rt h a nt h a to f1 3 ln a t u r a l l ya s p i r a t e de n g i n e ，b u tt h el o w - e n d t o r q u eo ft u r b o c h a r g e de n g i n ew a sp o o r e r v e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o nr a t ew a ss i m u l a t e d ，u n d e r t h en e we u r o p e a nd r i v i n gc y c l e ( n e d c ) ，p o w e r e db yt h e1 0 lt u r b o c h a r g e de n g i n e ，v e h i c l e l e v e lf u e l c o n s u m p t i o n r a t ec a r lb er u d u c e db y5 18 w i t l ie q u i v a l e n t d y n a m i c p e r f o r m a n c e ，w h i c hm e e t st h ed e s i r e dp e r f o r m a n c eo b j e c t i v e f u r t h e rr e d u c t i o n o f v e h i c l el e v e l f u l ec o n s u m p t i o nr a t ec a nb ee x p e c t e db yr e d u c i n gt h ee x h a u s tb a c kp r e s s u r eo ft h e i i i 基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 k e y w o r d s ：t u r b o c h a r g e d g a s o l i n e e n g i n e ；g t - p o w e r ；t u r b o c h a r g e rm a t c h i n g ； p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ；e n g i n ek n o c kc o n t r o l 硕士学位论文 插图索引 图2 1 发动机缸内能量、质量变化示意图8 图3 1 进排气门升程和流量系数2 0 图3 21 0 l 自然吸气式发动机f m e p 试验值2 0 图3 31 0 l 自然吸气式汽油机g t - p o w e r 模型2 l 图3 41 0 l 自然吸气式发动机模拟值和试验值对比2 l 图3 5 两款压气机与原机匹配特性图2 6 图3 61 0 l 增压发动机参考机型的f m e p 2 7 图3 71 0 l 增压发动机g t - p o w e r 模型2 8 图3 8 增压压力和增压发动机排气背压2 9 图3 9 不同增压压力下发动机的功率和扭矩2 9 图3 1 0 不同增压压力下压气机特性图2 9 图3 11g t l 2 压气机特性图3 0 图3 1 2 匹配g t l 2 增压发动机扭矩和功率。3 0 图3 1 3 增压发动机的排气背压和进气压损3 1 图3 1 4 不同海拔高度压气机匹配情况一3 2 图3 1 5 不同海拔下增压发动机的扭矩和功率3 2 图4 1 不同进气歧管直径下发动机的扭矩和充气效率一3 4 图4 24 0 0 0 r m i n 歧管内压力波动3 5 图4 34 0 0 0 r m i n 不同进气歧管直径进气质量流量3 5 图4 4 不同进气总管长度发动机扭矩和充气效率3 5 图4 5 脉动增压连接方案3 6 图4 6 恒压增压连接方案3 6 图4 7 两种连接方案的扭矩一3 7 图4 8 两种连接方案扭矩和比油耗对比。3 7 图4 9 进排气门正时角优化方案3 8 图4 1 0 不同的气门重叠角发动机的扭矩和比油耗3 9 图4 1 l 不同的气门重叠角发动机的充气效率和增压压力3 9 图4 1 2 不同的气门重叠角发动机缸内残余废气系数。4 0 图4 13 集成爆震监控模块4 2 图4 1 4 爆震预测模块4 2 图4 1 5 不同压缩比发动机的爆震指数和扭矩4 3 v n 基于涡轮增压技术的车用汽油机忭能提升及试验评价 图4 1 6 不同压缩比发动机的功率和比油耗4 3 图4 1 7 推迟点火提前角发动机性能情况4 4 图4 1 8 不同压缩比和点火提前角对发动机的性能影响4 5 图4 1 9 增压发动机的排温。4 6 图4 2 0 空燃比和发动机排温变化4 7 图4 2 l 空然比减少发动机比油耗变化4 7 图5 1 三款发动机的性能对比4 9 图5 2 增压样机与增压器联合工作特性曲线。5 0 图5 3 增压样机排温分布图5l 图5 4 外特性上的过量空气系数5 l 图5 5 原机与增压样机油耗特性图一5 2 图5 6 原机与增压样机有效热效率对比图一5 2 图5 7 行驶阻力一发动机油耗特性图5 4 图5 8 同一行驶阻力下两款发动机的比油耗一5 4 图5 9 新欧洲道路循环( n e d c ) 5 5 图5 1 0 新欧洲道路循环下各阶段所占时间5 5 图5 1 1 增压样机与1 3 l 对比机型在n e d c 下的油耗情况5 5 图5 1 2 扭矩输出阶段发动机运行工况5 6 图5 1 3 两款发动机怠速下的f m e p 5 7 图5 1 4 不同转速发动机排气背压情况5 8 图5 1 5 降低排气背压以后增压样机节油率6 0 v i i i 硕十学位论文 附表索引 表1 1 汽车采用不同能源动力的车型销量及份额l 表1 22 0 0 5 2 0 1 0 年涡轮增压汽油机车分企业的累计销量及占比4 表1 32 0 11 年6 月底配备涡轮增压汽油机的在售轿车车型5 表1 4 自主品牌汽油机涡轮增压技术的情况6 表3 1 1 o l 自然吸气式汽油机的主要性能指标及结构参数1 9 表3 2 空气质量流量计算值2 4 表3 - 3 进气歧管计算值一2 5 表3 4 压气机增压比计算值。2 6 表3 5 车用发动机高原环境条件与性能要求3 1 表3 6 额定功率下降百分比。3 3 表4 1 进排气门正时角优化方案3 8 表4 2 接口号所对应的参数名称4 3 表5 1 增压样机的最终结构和性能参数。4 8 表5 2 发动机功率外特性一4 9 表5 3g t - d r i v e 模拟采用的边界条件5 3 表5 4 两款发动机与整车搭载n e d c 的油耗情况5 6 i x 硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着中国汽车行业迅猛的发展，在2 0 0 9 年中国就已成为全球第一大汽车产销 大国，并且中国汽车产量占全球汽车产量的份额从2 0 0 0 年的3 5 猛增到2 0 1 0 年 的2 3 5 。由于乘用车柴油化的制约等方面的影响，我国汽油车在汽车产品中一 直保持领先地位，从近几年来看，汽油车的销售份额维持在7 6 左右，并且有逐 渐增长的趋势，如表1 1 所示，2 0 0 8 年汽油机的销售份额占到7 6 7 9 ，2 0 0 9 年销 表1 1 汽车采用不同能源动力的车型销量及份额 售份额增长了2 6 7 。到2 0 1 0 年汽油车的销量突破1 0 0 0 万辆，销售量为1 4 4 2 辆， 销售比例接近8 0 ，汽油机的销售份额保持稳固增长。随着我国汽车产销量和保 有量的大幅增长，车用能源的消耗占整个石油消耗量从2 0 0 0 年的1 7 9 增长到 2 0 0 8 年的3 3 3 ，据专家预测，未来这一比例还将显著提高。 自2 0 世纪9 0 时年代我国成为石油进口国以来，我国对外进口量持续增长。 到2 0 0 9 年我国对外石油依赖度首次超过了5 0 ，石油进口量( 1 9 9 亿t ) 超过了 国内原油生成量( 1 8 9 亿t ) ，并且对外依赖度持续增长，2 0 1 0 年，我国对外石油 进口量首次突破2 亿吨，加剧我国能源安全风险，突破了世界公认的“能源安全 预警线”。随着我国汽车销量和保有量持续增加，未来车用燃油需求将不断增大， 我国车用能源消耗将快速上升，使得我国燃油供应面临着严峻挑战。因此在能源 危机和环境污染的双重压力下，汽车工业节能减排己成为全球性的课题，环保部 门制定的排放法规的也日益严格。就眼前来说，加速推广应用发动机先进技术达 到降低整车油耗和排放的目的是中国汽车工业的迫切而首要的选择心q 1 。 现在汽油机采用的先进技术有多气门技术、可变气门技术、增压技术、混合 动力技术等，其中多气门技术、可变气门技术已经比较成熟，并且已经在国内外 大部分汽油机上使用，而混合动力技术在国内外都处于研发阶段，现在的技术条 件还没有非常的成熟，在整车上的应用也比较少。而增压技术则在国外多款汽车 上已经使用，并且节油明显，而国内自主研发使用涡轮增压技术的汽油机车型屈 基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 指可数，增压汽油机利用排气废气能量以及降低发动机排量而提高发动机的使用 负荷的方法能非常明显的节省整车油耗得到国内汽车行业的重视。在2 0 1 1 年国家 发展改革委新修订的产业结构调整指导目录中明确将汽油机增压器作为汽车 产业的关键零部件，增压器作为汽车先进技术产品，因此汽油机增压技术得到了 国家发展改革委和汽车行业的重视。 由于爆震、热负荷、反应滞后等原因，汽油机采用增压技术要滞后于柴油机， 在欧美等国家大部分柴油机已采用增压技术，其中小功率车用柴油机采用增压技 术的比例达到了9 0 ，而大中功率商用柴油机已全部采用增压技术。7 0 年代末以 来国外汽油机增压机技术的到了飞快的发展和完善。据统计2 0 0 3 年欧美等国汽油 机采用增压已经达到了2 0 ，预计2 0 1 3 年全球出售的汽油机将达到4 0 的采用增 压技术，汽油机增压技术主要集中于欧美和日本等工业发达的国家h 1 。 汽油机增压不仅能显著的提升发动机动力性，同时在同等动力性的情况下能 有效改善油耗和排放指标，发动机小型轻量化是新的发展趋势，汽油机采用增压 技术在保证动力性相等的情况下，可以同时降低发动机的重量功率比和排量功率 比。根据对欧洲2 0 0 种汽油车的调查，相同功率的发动机，增压发动机的排量比 自然吸气发动机的排量减少1 8 3 5 ，燃油经济性可以提高1 0 左右。汽油机涡 轮增压技术的主要意义有以下四点嗨8 1 ： ( 1 ) 节能。采用增压技术可以增加发动机的进气量，提高发动机的动力性， 增压发动机与非增压发动机在同等动力性的情况下，在整车上应用可以明显的减 少耗油率，节油的原因在于增压发动机的排量减少，发动机的使用负荷增加，使 发动机大部分运行工况点更接近万有特性图的经济油耗区域，从而使增压发动机 达到节油的效果。 ( 2 ) 小型化。对非增压发动机只要做稍许改动，并且在发动机的体积和重量 增加不大的情况下，采用增压技术非常容易提高发动机功率3 0 5 0 。随着先 进技术地应用，汽油机增压比越来越高，在高增压比下，汽油机功率提高甚至可 以达到1 0 0 。因此，在同等动力性的前提下，采用涡轮增压技术，可以很度程度 上的降低发动机的重量和减少发动机的整体尺寸，有利于发动机在整车上的布置， 减少整车的质量和降低整车的成本等优势。 ( 3 ) 环保。在同等动力性的情况下，搭载增压发动机的整车能够节油，因此 必将降低整车c 0 2 和有害气体的排放量。 ( 4 ) 高原功率补偿。随着海拔高度的增加，空气密度随着降低，如果不采用 增压，则发动机气缸进气量减少，从而导致发动机的功率也随之下降。采用涡轮 增压技术，可以显著地增加发动机的进气量，补偿因进气不足而损失的功率。 虽然相对于自然吸气式汽油机而言，汽油机增压能带来一系列优势，但是增 压汽油机也存在一些技术问题，这些问题是制约汽油机增压发展的主要因素。汽 2 硕士学位论文 油机增压以后的主要问题如下旧。1 3 1 ： ( 1 ) 汽油机采用增压后，会导致混合气压始点的压力和温度提高，以及汽油 机增压以后导致燃烧室整体热负荷增加，将会使汽油机产生爆震的趋势增加。因 此为了控制爆震的发生，常常采用降低增压汽油机的压缩比、推迟点火提前角和 采用中冷等技术措施来控制增压汽油机爆震的发生，但是同时会导致增压汽油机 的有效热效率下降、成本增加和排气温度过高等不利影响的产生； ( 2 ) 热负荷增加，由于为了抑制增压汽油机爆震的发生，增压汽油机压缩比 的降低和点火提前角的推迟，会导致增压发动机的整体温度增加，热负荷有所加 重，另外，为了避免在气门重叠阶段燃油混合气的损失，气门重叠角不能太大， 扫气作用不太明显，会导致增压汽油机整体的热负荷比非增压汽油机大； ( 3 ) 增压汽油机存在反应滞后现象，非增压汽油机的加速性一般比柴油机好， 但采用增压后，反应滞后的现象却比柴油机严重，因为增压器与进气负荷调节的 节气门串联在一起。当节气门突然开启，要求混合气量迅速变化时，增压器供气 往往跟不上，特别是从节气门关闭到全开，空气流量变化很大，也促使涡轮机的 反应滞后。随着增压汽油机强化水平的提高和平均有效压力的提高，发动机加速 性问题更加突出。完全消除增压后的反应滞后现象比较困难，但合理的结构可使 反应滞后减小。 因此，基于汽油机增压现阶段存在的一些技术问题进行研究是非常有意义的 事情。本文选用g t - p o w e r 软件对上面存在的问题进行研究，同时在g t - p o w e r 模 型中添加爆震模块、p i d 制模块等，分析汽油机相关参数指标对发动机爆燃和性 能的影响，通过合理的优化增压汽油机的结构和性能参数使发动机的动力性和经 济性最优，对增压发动机的设计参数进行指导性的设计，从而达到减少发动机开 发费用降低发动机的综合成本，全面提升发动机性能以符合法规要求并适应市场 的竞争形势，提高企业的市场竞争力都具有十分重大的现实意义和广阔的工程推 广价值。 1 2 汽油机涡轮增压研究和应用现状 1 9 世纪2 0 年代国外就已经开始对发动机采用涡轮增压技术进行研究，由于汽 油机采用增压技术遇到了许多难题，因此汽油机采用涡轮增压技术比柴油机晚得 多。早期在赛车上应用机械增压技术增加发动机的动力性和加速性，后来逐渐应 用涡轮增压技术来提高整车的动力性和经济性。尽管在1 9 6 2 年美国通用公司就有 涡轮增压汽油机上市，但是由于汽油机采用增压以后存在运行范围比较窄以及爆 震等问题，致使汽油机采用涡轮增压技术的发展受到了较大的阻碍。从上世纪7 0 年代以来，全球许多研究机构和公司深入地展开了汽油机涡轮增压技术的研究， 并取得了显著的成绩，使汽油机采用涡轮增压技术不仅仅局限于高原功率的恢复 3 基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 和赛车等特殊领域，尤其是为了满足日益严格排放法规的要求，使涡轮增压技术 得到更为广泛的应用n 卜1 5 1 。 我国早在上世纪7 0 年代国内就有不少科研单位进行了汽油机涡轮增压技术的 研究，并在d g 2 6 11 0 0 1 2 和c a 1 0 b 等机型上取得了成功。上世纪8 0 年代以来， 西安交通大学和清华大学等相继对4 9 2 q 进行了涡轮增压技术的研究n 引，但是限于 当时的研究条件，没有从根本上解决好热负荷和增压爆震等问题n 。随着国际技 术合作水平的加强和自主研发能量的提升，国内一些汽车企业陆续推出了车用汽 油机增压产品，例如上海汽车乘用车公司在自主研发车型荣威5 5 0 上就搭载了1 8 t 发动机，并取得了巨大的成功，奇瑞汽车有限公司与a v l 共同开发了2 0 g d i 和 2 0 t c i 汽油机增压发动机n 引。虽然国内汽油机增压技术应用越来越多，但是我国 的汽油机增压技术与国外还存在比较大的差距。汽油机增压技术作为未来汽油机 的发展方向，必须加强引进、吸收和创新，逐渐缩小与国外汽油机增压技术的差 距19 1 。 近年来，随着汽车技术水平不断的提升，车用涡轮增压汽油机的销量所占的 比例也越来越高。2 0 1 0 年，我国车用涡轮增压汽油机的销量达到了5 6 5 5 万辆， 同比增长了8 6 ，随着东风日产新骐达1 6 t 、上海大众新帕萨特1 8 t 和2 0 t 等 多款增压汽油机车型的面市，带动了涡轮增压汽油机产量和销量快速的增长。到 2 0 1 0 年轿车中装配涡轮增压汽油机的整车份额达到了6 ，并且未来增压汽油车型 所占销售比例还有望进一步提高。 大众汽车( v w ) 集团在涡轮增压技术领域处于全球领先地位，旗下多款涡轮 增压汽油机车型已经投入国内市场，大众车系己成为涡轮增压汽油机车的主力军， 如表1 2 为2 0 0 5 , - - , 2 0 1 0 年涡轮增压汽油机车分企业的累计销量及占比，从图可 知，2 0 0 5 年至2 0 1 0 年期间，大众旗下两家合资企业销售的涡轮增压汽油机车市场 占有率达到了9 3 7 5 ，两家企业累计销量超过了1 4 0 万辆。而国内自主品牌涡轮 表1 22 0 0 5 - - 2 0 1 0 年涡轮增压汽油机车分企业的累计销量及占比 4 硕十学位论文 增压汽油车市场份额占有率较低，在5 年的时间内上汽、华晨和奇瑞三家企业的 累计销量只有4 2 3 万辆，市场占有率还不到3 。 从2 0 1 1 年6 月底配备涡轮增压汽油机的在售轿车车型表1 3 统计的数据可知， 配备涡轮增压汽油机的车型大部分集中在上海大众和汽大众旗下，自主品牌车 型非常有限，一向以追求动力和粗犷的美国车型也开始大量采用涡轮增压技术， 表1 32 0 1 1 年6 月底配备涡轮增压汽油机的在售轿车车型 基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 值得一提地是以前一向不注重涡轮增压的日系车，也有一款车型采用涡轮增压技 术。现在越来越多的企业开始关注汽油机涡轮增压技术，随着汽油机涡轮增压技 术的不断完善，以及在2 0 1 1 年国家发展改革委新修订的产业结构调整指导目录 中明确指出汽油机增压器是汽车先进技术产品，是汽车的关键零部件，确定了汽 油机增压器的发展方向。这一鼓励政策将使国内自主品牌采用涡轮增压技术的车 型将越来越多，如表1 4 是自主品牌近几年来汽油机涡轮增压技术情况，比亚迪研 制的1 5 t 涡轮增压缸内直喷发动机加双离合变速器这种先进动力组合集低油耗、 低排放、强动力于一身。目前国内只有少数合资品牌引进此动力组合，比亚迪这 一技术的出现，开启了自主品牌先进动力总成技术新时代。长城1 5 t 发动机，不 仅是国内首款1 5 l 量产涡轮增压汽油发动机，也是国内首款铝合金缸体增压汽油 机。发动机重量下降2 0 ，整车油耗下降1 6 ，功率提升2 5 左右，实现了低油 耗、低噪音和低排放。随着自主品牌的崛起，自主品牌涡轮增压的汽油机将越来 越多。 表1 4 自主品牌汽油机涡轮增压技术的情况 1 3 论文研究的主要目的和内容 1 3 1 研究主要目的 ( 1 ) 本研究是围绕实现1 0 l 自然吸气式汽油机升级为增压汽油机的性能目标 展开的：增压样机在转速范围2 0 0 0 r m i n 4 5 0 0 r m i n 内的扭矩需要达到1 2 0 n m ；增 压样机的最大功率需要达到6 5 k w ；增压发动机代替原整车1 3 l 发动机后节油5 ； ( 2 ) 根据增压器选型推导公式计算结果为增压样机选择合适的增压器，建立 增压发动机的性能仿真模型，综合分析发动机与增压器匹配情况； ( 3 ) 分别优化进气歧管直径和进气管长度，分析排气歧管两种连接方案对增 压发动机性能影响，分析气门重叠角大小对增压发动机扭矩和油耗的变化情况， 建立爆震模块，分析压缩比和点火提前角对爆震的影响，为增压发动机选取合适 的压缩比； ( 4 ) 通过试验验证增压样机的性能指标，综合分析增压样机与预期性能目标 的差距，为下一步工作提出合理的改进方案。 6 硕士学位论文 1 3 2 研究主要内容 ( 1 ) 建立1 0 l 非增压发动机g t p o w e r 模型，确定发动机各子系统的主要输入 参数。通过对该非增压发动机标定工况进行仿真计算，结合试验数据，对模型进 行校正： ( 2 ) 从发动机缸内热平衡关系式出发导出发动机性能( 扭矩) 与进气流量的 关系式，根据气体状态方程求出增压压力，从而得到压气机的基本参数，根据计 算基本参数初步确定压气机的流量范围和增压比。根据发动机增压器评价体系， 对不同增压器与原机匹配情况进行综合分析； ( 3 ) 在匹配合理的增压发动机性能仿真模型上对进排气管和配气机构进行优 化。考虑到汽油机爆震的危害以及增压后可能出现的爆震问题，利用爆震的理论 基础建立爆震预测模块来分析不同压缩比和点火提前角对爆震倾向的影响，为增 压发动机选择合适的压缩比和点火控制策略； ( 4 ) 通过发动机的性能试验验证增压发动机是否达到预期的性能目标要求， 通过g t d r i v e 软件分别模拟计算搭载增压发动机与搭载1 3 l 自然吸气汽油机整车 的燃油经济性。 1 4 本章小结 本章从国内汽油机的能源消耗和我国对国外的石油的依赖情况，阐明了本文 研究的背景及意义，总结了汽油机增压以后的优势和遇到的问题，综述了国内外 汽油机涡轮增压技术研究和应用现状，根据研究思路提出了本文研究的目的和研 究内容。 7 基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 第2 章发动机工作过程的数学模型 发动机缸内工作过程是一个十分复杂的系统，它包括化学、物理、传热、传 质、流动等综合过程，涉及到多学科的知识。对于一个这样复杂的系统，完全用 数学方程式精确的解析表达是不可能的，通常采用数值计算的处理方法。事实表 明，对发动机缸内过程进行数值计算是一种精度高、见效快的有力工具，优势非 常明显，并且应用范围越来越广。发动机缸内工作过程数值计算就是在一定目的 下，在各种精度和复杂度的基础上把相关综合过程的计算公式有机地组合起来， 建立工作过程的数学模型，再用计算机进行迭代求解。通过求解得到的结果，可 以比较深入地了解缸内工作过程中参数变化的规律以及结构参数、工况条件等对 工作过程的影响，进而可以与实验研究相互补充，形成对发动机比较全面的研究 方法。 2 1 缸内热力平衡关系式 2 1 1 缸内热力过程的基本方程 为提高计算模型的精度，在进行缸内工作过程数值计算时必须考虑到气体与 燃烧室壁面的传热、气体比热变化以及混合气燃烧放热的实际速率等因素对缸内 过程的实际影响。在计算时，通常把气缸当作一个热力系统，该系统边界由活塞 项部、气缸盖和气缸套壁面所组成，如图2 1 所示。系统内工质的状态由压力p 、 温度丁和体积矿三个参数决定，并且时刻遵守质量守恒定律、能量守恒定律、气体 状态方程和热力学定律。 屯等百i i t 0 蜴 d 妒 图2 1 发动机缸内能量、质量变化示意图 8 硕士学位论文 严格来说，准确描述发动机缸内过程必须考虑燃气混合物的运动以及气体成 分和燃烧室温度在三维空间上的差异，即必须把缸内系统当做三维模型来处理。 但是缸内燃烧过程的三维模拟计算非常复杂，且耗时耗力，计算成本很高。三维 模拟计算只有对燃烧系统进行模拟计算优化时才被采用，在发动机初次开发阶段 通常将发动机缸内过程作零维简化，这样既能减少计算时间，节约计算成本，又 能保证一定的精度。 ( 1 ) 能量守恒方程瞳卜2 3 1 热力学第一定律可以表述为：系统内能的增量应等于在此过程中系统与外界 的换热和系统对外界做功以及从外界进入系统( 或从系统流向外界) 的工质带入 ( 或带出) 能量的代数和。对于如图2 1 所示的发动机缸内系统，能量守恒方程可 以写成如下形式： d u = d 形+ 饱+ h j d m ， ( 2 1 ) 式中，u 为系统内工质的内能，j ；矽为工质作用在活塞上的机械功，j ；q 是系 统第f 个边界的换热量，j ；h j 是第种工质组分的比焓，j k gh , d , n ，为质量为d m ， 的第，种工质带入( 或带出) 系统的能量，j 。 该系统能量变化包括如下几项：进气带入的能量，排气带出的能量，燃烧放 出的热量( 热源项) ，工质与燃烧室壁面交换的热量，工质作用在活塞上的机械 功。根据热力学第一定律并结合式( 2 1 ) ，该系统的能量守恒方程可以写成如下 形式： d u = d 绋+ d q w + d w + h , d m ，+ 吃锄。 ( 2 2 ) 式中，绋为燃油燃烧放出的热量，热源项，j ；绋为工质与气缸壁面的换热量，j ； 以为进气工质的比焓，j k g ；吃为排气工质的比焓，j k g ；m 。为进气质量，埏；m 。 为排气质量，k g 。 把气缸当成零维系统后，缸内气体的状态参数只是时间的单值函数，将式( 2 2 ) 对时间( 曲轴转角) 求导，即可得到式中各项随曲轴转角够的变化率： 一d u ：垫+ d q w + 里+ 办。堕+ 1 l ，堕 ( 2 3 ) d 9d 9d 9d 9 3 d i pd i p 容积变化时活塞对系统做功可以表述为： 盟：一p 坐 ( 2 4 ) 一= 一疗一 z j d t , o 1 d 缈 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，得到( 2 5 ) 式： 型：d q & + d q w p 坐+ 办。堕+ 办。堕 ( 2 5 ) d 9 d i pd i p l d i p 。d p d g o ( 2 ) 质量守恒方程 9 基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 根据质量守恒定理，通过系统边界交换的质量总和等于系统内工质质量的变 化，则气缸系统质量守恒方程可以表述为： d m = d m ，+ d i n e - i - d m 口 ( 2 6 ) 式中，所为气缸内工质总质量，k g ；m 。为吸入的进气质量，k g ；m 。为排出的废气 质量，k g ；为瞬时喷入( 吸入) 的燃油量，k g 。 则根据( 2 6 ) 式可以得到( 2 7 ) 式： 一d m ：一d i n s 1 - 堕i d m 8 4 - ( 2 7 ) 一：一 一 z ， d 9d 9d c pd 9 若假定发动机每循环的喷油量为g ，( k g e y e l e ) ，定义气缸内燃油燃烧百分比 为： x ：d m _ _ a _ 8 1 0 0 g f 式中，x 为燃油燃烧百分比；g 为每循环的喷油量，k g e y c l e ； 蒸发速率，k g 。c a 。 ( 2 8 ) 塑生为缸内燃油 g l 单位曲轴转角内燃油放热量为： 等嘶仇u g l 筹 ( 2 9 ) 式中，譬为单位曲轴转角内燃油燃烧放热速率，1 。c a ；吼为燃油的低热值，j k g ； a 缈 仉为燃烧效率，与过量空气系数相关，当九 l 时，通常取0 9 4 ；当丸 ( 寿) 吉时，为亚临界流动，亚临界流动状态排气流量计算公式为： “以如乒垃i ! - 。l 门 旺2 8 ) 式中，几排气门后的密度，k g m 3 ；t 、厂、p 分别为排气前( 缸内) 工质温度( k ) 、 绝热指数、密度( k g m 3 ) 。 基于涡轮增压技术的车用汽油机性能提升及试验评价 2 3 进排气管中一维非定常流动数学模型 发动机工作时，每一循环都要通过进气管吸入新鲜空气，通过排气管排出燃 烧废气，因此，管路流动模拟是发动机工作过程模拟的主要组成部分。在工质交 换过程中，气体流动状态非常复杂，可以看作为非定常流动过程。非定常流动会 导致气阀处和进排气管内比较强烈的压力波动，会影响增压器匹配性能和缸内换 气质量。由于进排气管道的径向尺寸相对于轴向尺寸要小得多，可以认为管道内 径向流动效应小于轴向流动效应，因此在发动机性能仿真计算过程中，可以认为 在同一截面内的气体状态是相同的，进排气管内气体流动可以认为是一维非定常 流动汹，2 盯。 2 3 1 一维非定常流动的基本方程 连续方程： 丢( 棚2 边 界 f l p u a ) ( 2 2 ” 能量方程： 丢p ) - - p 百d v + 荟( 删炉。( 瑚一乙) ( 2 3 。) 动量方程： 知加妾+ 如c ，) - 4 鲁譬一c p 丢 汜3 - ， 式中：p 为密度；v 为体积；“为边晃的速度；彳为截面面积；e 为单位质量的总 内部能量；p 为压力； 办为比焓；魄为传热系数；4 叫为传热表面面积；t f l u d 为流 体温度；乙为流体温度：c ，为表面摩擦系数：c ，为压力损失系数；d 为当量直 径；出为流动方向的质量元长