（动力机械及工程专业论文）lj465qr汽油机涡轮增压匹配技术研究.pdf

l j 4 6 5 0 r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 摘要 本文在l j 4 6 5 q 增压汽油机性能试验的基础上，完成了l j 4 6 5 q r 汽油 机涡轮增压匹配与中冷技术研究。 为达到更高的性能提升目标，即功率最大提高幅度为4 0 、扭矩最大 提高幅度为4 1 、燃油消耗率最小值降低8 2 ，优化l j 4 6 5 q 得到机型 l j 4 6 5 q r ，通过a v lb o o s t 软件模拟得到l j 4 6 5 q r 增压模型的脾i i 厶匕丹1 - , 参数， 确定增压试验方案。 完成了l j 4 6 5 q r 汽油机匹配的增压器设计计算，得到l j 4 6 5 q r 汽油机 匹配的增压器参数。设计计算结果表明：l j 4 6 5 q r 汽油机达到增压方案时 最大进气量为0 0 6 7 5k g s ，所需最大增压比为1 5 5 ，增压器提供的流量和 增压比应大于增压汽油机的需要值。 采用a v lb o o s t 软件模拟计算的方法对增压器的压力调节进行了研究， 通过调节放气阀的开度来控制通过增压器的废气流量和增压比。为保证 l j 4 6 5 q r 汽油机能够达到预期的增压方案，放气阀的调节需保证增压器的 最大增压比为1 5 5 ，放气阀的最大放气量为0 0 2 1k g s 。 完成了l j 4 6 5 q r 增压汽油机的中冷器优化设计，中冷器的冷却方式为 空空冷却形式，冷芯的尺寸为4 0 0m m 1 6 8m m 8 0m m ，通过设计校正 和c f d 优化分析，确定设计结果。 参照上述设计匹配的结果选配增压部件，改造l j 4 6 5 q r 汽油机结构， 完成了l j 4 6 5 q r 增压汽油机的外特性试验。试验结果表明：l j 4 6 5 q r 增压 t 后性能基本达到预期增压水平，功率、扭矩最大增加量分别为4 3 3 、3 4 ， 最小燃油消耗率下降了9 7 。扭矩的提升量没有达到预期增幅，其原因是 现有的增压器放气阀在高速大负荷区放气调节不理想，降低了中低速区域 。的增压效果。 关键词：汽油机增压匹配a v lb o o s t 中冷器c f d t h em a t c h i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ho n l j 4 6 5 q r g a s o l i n et u r b o c h a r g e de n g i n e a b s t r a c t b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n to fl j 4 6 5 qg a s o l i n et u r b o c h a r g e d e n g i n e ，t h i s a r t i c l e c o m p l e t e d t h e m a t c h i n gt e c h n o l o g ya n di n t e r c o o l i n g t e c h n o l o g yr e s e a r c ho nl j 4 6 5q rt u r b o c h a r g e dg a s o l i n ee n g i n e i no r d e rt oa c h i e v eh i g h e rp e r f o r m a n c ep r o m o t i o n ，w h i c hw a st oi n c r e a s e t h em a x i m u mp o w e rw i t h4 0 ，t h em a x i m u mt o r q u ew i t h41 ，a n dt or e d u c e t h em i n i m u mf u e lc o n s u m p t i o nw i t h8 2 ，t h el j 4 6 5 qw a so p t i m i z e dt o l j 4 6 5 q r t h el j 4 6 5 q rt u r b o c h a r g e dm o d e lw a ss e ta n dc a l c u l a t e db yt h e s o f t w a r eo fa v lb o o s t ，a n dt h e t u r b o c h a r g e de x p e r i m e n t s c h e m ew a s d e t e r m i n e db a s e do np e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fl j 4 6 5 q rt u r b o c h a r g e dm o d e l t h em a t c h i n gd e s i g no fl j 4 6 5 q rs u p e r c h a r g e rw a sa c h i e v e da n dt h e m a t c h i n gp a r a m e t e r so fl j 4 6 5 q rs u p e r c h a r g e rw e r eg o t t h ed e s i g n e dr e s u l t s s h o w e dt h a t ，w h e nt h ep e r f o r m a n c eo fl j 4 6 5 q ra c h i e v e dt h e t u r b o c h a r g e d e x p e r i m e n ts c h e m e ，i t sm a x i m u mi n l e tf l o ww a s0 0 6 7 5k g sa n dm a x i m u m c o m p r e s s i o nr a t i ow a s1 55 t h ed e s i g ns u p e r c h a r g e rs h o u l db ea b l et oo f f e r l a r g e ri n l e tf l o wa n dh i g h e rc o m p r e s s i o nr a t i o t h ea v lb o o s tw a su s e dt oc o n d u c ts i m u l a t ec a l c u l a t i o nt oc o m p l e t et h e p r e s s u r ec o n t r o ls t u d yo fl j 4 6 5 q rs u p e r c h a r g e r a n dt h eo p e np o s i t i o no f i i i w a s t e g a t ew a sa d j u s t e dt o c o n t r o li n l e tf l o wa n dc o m p r e s s i o nr a t i o i no r d e rt o a c h i e v et h et u r b o c h a r g e de x p e r i m e n ts c h e m e o fl j 4 6 5 q r ，t h em a x i m u m c o m p r e s s i o nr a t i om u s tr e a c h1 5 5 a n dt h em a x i m u mm a s sf l o wo fw a s t e g a t e m u s tr e a c h0 0 21k g s t h eo p t i m a ld e s i g no fl j 4 6 5 q r i n t e r c o o l e rw a sc o m p l e t e d t h ei n t e r c o o l e r u s e da i r - c o o l i n ga n di t sc o o l i n gc e l ls i z ew a s4 0 0m m x 16 8m m x8 0m m a f t e r b e i n gc a l c u l a t e db yc f ds o f t w a r e ，t h ed e s i g n o fl j 4 6 5 q ri n t e r c o o l e rw a s o p t i m i z e da n d d e t e r m i n e d a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so ft u r b o c h a r g e dm a t c h i n gd e s i g n ，l j 4 6 5q r s u p e r c h a r g e rc o m p o n e n t sw e r es e l e c t e da n dt h ec o n s t r u c t i o no fl j 4 6 5 q r w a s r e f o r m e dt ob u i l dt h et e s tb e n c ho fl j 4 6 5 q rt u r b o c h a r g e d t h ee x t e m a l c h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n to fl j 4 6 5 q rw a sc o m p l e t e da n di t sr e s u l t ss h o w e d t h a t ，t h ee x p e r i m e n to fl j 4 6 5 q rt u r b o c h a r g e dc o u l db a s i c a l l y a c h i e v et h e a n t i c i p a t i o n ，w i t ht h em a x i m u mp o w e ri n c r e a s e d4 3 3 ，t h em a x i m u mt o r q u e i n c r e a s e d3 4 ，a n dt h ef u e lc o n s u m p t i o nr e d u c e d9 7 t h em a x i m u mt o r q u e d i dn o ti n c r e a s ea sd e s i r e ，f o rt h er e a s o nt h a tt h ew a s t e g a t ew a sn o tw e l l c o n t r o l l e da n dr e g u l a t e da th i g hs p e e da n dh i g hl o a da r e a ，r e d u c i n g t h e p e r f o r m a n c eo f l j 4 6 5q ra tl o ws p e e da r e a k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；t u r b o c h a r g e d ；m a t c h i n g ；a v lb o o s t ；i n t e r c o o l e r ； c f d i v 符号说明 意义 燃油消耗量 有效燃油消耗率 指示燃油消耗率 每循环燃料供给量 燃料低热值 气缸数 空气比热比 燃气比热比 化学计量空燃比 进入气缸的实际空气质量 进入气缸的理论空气质量 发动机转速 有效功率 指示功率 机械损失功率 进气压力 压气机供气压力 压气机进口压力 平均有效压力 进气道损失压力 中冷器损失压力 充气流量 压气机供气流量 涡轮机燃气流量 燃油流量 v i i i 单位或量纲 k g h g ( k w h ) ( k w h ) # c y c l e k j k g k g k g r m i n k w k w k w m p a m p a m p a m p a m p a m p a k g s k g s k g s k # s 枵b 6 臃 舒风， k 聊 行 r r 肋 仇 刃 胁胁 跏 细 蚵 放气阀放气流量 空气气体常数 燃气气体常数 充入气缸内气体的温度 压缩空气温度 涡前燃气平均滞止温度 燃气平均温度 转矩 气缸工作容积 发动机排量 实际进气的体积 有效热效率 指示热效率 压气机定熵效率 涡轮增压器总效率 压气机增压比 涡轮机增压比 冲程数 过量空气系数 充量系数 扫气系数 进气密度 i k g m 3 s k k n 吵k k k k l l l 尺 彤 乃 乃 即 矿 k 圪 所 彻 价 似 仇 砑 f 晚 晚 喀儿 广西大学硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 1 1 引言 第一章绪论 汽油机从出现到现在经历很长时间的发展，已经达到了一个相对成熟的水平：一方 面它的使用范围非常广泛，不仅在运输机械占有绝对地位，而且在工程、农业等众多方 面发挥重要作用；另一方面它的技术在不断地改进，朝着提高动力性、经济性和降低排 放的目标，不断引入新技术、新思路，扩大内燃机所涵盖的领域和范围。 目前汽油机的改进有很多方面内容，基本上都是从结构、外部设备、燃料、运行参 数等几个方面入手，大部分情况下需要多个方面的改进同时进行。增压技术是内燃机性 能改进的重要方法之一，它通过增压装置提高进气密度，全面改善动力性、经济性和排 放等综合性能，给内燃机注入强劲的动力，被誉为内燃机发展史上第二个里程碑。 汽油机增压技术有着非常重要的研究意义和价值。汽油机在内燃机中占有一定的比 例，它比柴油机的耗油率高，h c 、n o 。等污染物的排放严重，在高原地区它的性能会 大幅度降低。采用增压技术，汽油机的动力性大大提高，达到节能减排的效果，在高原 地区功率得到补偿，其动力性、经济性、排放性能得到较大的提升。一台小的发动机经 过增压改造之后，可以达到一台较大发动机的动力水平，燃油经济性和排放指标得到改 善【2 5 】，增压技术的应用正在不断向汽油机扩展。 1 2 汽油机涡轮增压技术概况 1 2 1 汽油机涡轮增压技术介绍 内燃机增压的方式按照压缩空气方式的不同可分为：机械增压、气波增压、废气涡 轮增压和复合增压。机械增压靠发动机输出轴的动力来驱动机械增压装置，压缩进气； 气波增压用排气系统中压力的波动效应为动力压缩进气；废气涡轮增压是利用废气的能 量，驱动涡轮增压器压缩进气；复合增压综合了上述三种增压方式加以组合。四种增压 方式如图1 1 所示。 废气涡轮增压是目前车用涡轮增压应用比较广泛的增压形式，它也是运用在汽油机 中比较普遍的增压方式。汽油机最初采用自然吸气的进气方式，利用气缸的真空和大气 压力的作用将混合气体压入气缸。依实测数据汽油机的容积率每提高1 ，发动机的输 出功率约能提高3 ，自然吸气方式的汽油机进气量不充分，导致输出功率难以提高， 广西大学硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹看己技术研究 因此提高汽油机进气量是提高动力性及改善排放性能的关键6 ，7 】。增压技术能够增加发动 机的每循环进气量，提升动力性，增压后汽油机的功率可比原机提升3 0 4 0 。 图1 i 内燃机增压的形式 f i g 1 一if o r m so ft u r b o c h a r g i n g a ) 机械增压”涡轮增压c ) 气波增压d ) 复合增压 e 发动机卜压气机卜涡轮机 1 2 2 汽油机增压的难题及改进措施 1 2 2 1 汽油机增压的难题 汽油机增压技术可以很大限度地提高发动机动力并降低排放，但是要实现汽油机增 压需要克服很多难题，这是汽油机增压技术长期以来不能普及的原因之一。汽油机增压 技术要解决的问题主要归结为爆燃倾向严重、热负荷过大、增压器匹配困难等问题8 ，9 1 。 1 、爆燃。 汽油机爆燃是汽油机火花塞点火后，某些区域的混合气在点燃混合气火焰还没传到 之前就发生自燃，缸内混合气急剧燃烧，造成敲缸现象，爆燃严重时会导致功率下降、 转速不稳定。汽油机增压后，进气被压气机压缩做功，同时受到燃烧室高温部件加热， 所以进气温度比增压前的进气温度高约3 0 6 0o c ；增压后缸内压力增加，在压缩行程开 始时混合气体压力就大于自然吸气时的压力。增压后进气的温度和压力都大大增加，导 致混合气体自燃倾向增加，汽油机爆燃情况加剧。 广西大掌硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 2 、热负荷 汽油机的压缩比比柴油机小很多，所以增压后气体膨胀的程度较小、进气终了气体 温度比较高；同时汽油机的过量空气系数较小，工作温度很高，排气温度比柴油机高 2 0 0 , - , 3 0 0 。c 。汽油机增压后进气管、排气管、增压器、燃烧室部件的热负荷都大大增加， 如果不能解决高热负荷的问题，汽油机的稳定性和可靠性将受到严重威胁。 3 、增压器匹配 汽油机工作的转速范围很宽，一般在1 0 0 0 , - - 6 0 0 0r m i n 左右，增压器要满足这样大 范围转速区域的增压要求是相当困难的，实际匹配只能对部分转速区域进行取舍。小排 量汽油机需要的增压度和进气量较小，它对涡轮机、压气机、叶轮等尺寸有严格要求： 由于受到爆燃的限制，增压压力不能设得过高，增压比一般不超过2 ，增压后功率能提 高4 0 5 0 左右【1 0 , 1 1 】；由于进气是空气和燃油的混合气体，排气管不能通过加大扫气 量的方法来冷却，涡轮机入1 ：3 的排气温度可达9 0 0o c 左右，甚至达到1 0 5 0 。c t l 2 14 1 ，这 对增压器的耐热性和强度有很高的要求；汽油机进气量较小，涡轮机流量需要满足进气 量需求并有较高的效率【1 5 , 1 6 】，涡轮转速一般每分钟在六万转到二十万转的范围【1 7 】。 增压汽油机工作的特点是进气和排气的温度过高、燃烧室各部件和增压器的热负荷 过大、爆燃倾向和冷却不足的情况加剧，这些问题都给汽油机增压技术提出很大的挑战。 1 2 2 2 汽油机增压的改进措施 增压汽油机要克服上述问题，一般可以通过在原有汽油机的基础上进行一些改进设 计，如在结构、运行参数、外部装置等方面改变，最终达到提高动力、降低排放等增压 效果。增压汽油机改进措施一般有以下几个方面： l 、降低压缩比 。 汽油机的压缩比相对于柴油机的压缩比来说低很多，但是为了避免汽油机爆燃，增 压后汽油机不得不适当降低压缩比来减轻爆燃的倾向，增压比越高的汽油机应该降低压 缩比越多。为了避免过度的能量损失，增压汽油机应将压缩比优化到最佳值【1 8 】，避免压 缩比降低过多会严重影响动力性。 2 、进、排气管改进优化 由于增压后进气和排气的温度、压力发生改变，进气和排气的流速、能量传递、压 力波等随着发生改变，因此进、排气管需要重新设计布置。进气管连通由中冷器冷却的 增压气体，并将增压气体直接送入气缸，进气管的管路布置、长度等参数对增压气体有 很大的影响；排气管与增压器相连通，排气管的布置和长度直接影响了排气带给增压器 广西大学硕士学位论文l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 的能量，决定增压器增压效果。进、排气管改进优化可以减小气体流动阻力，增加流动 速率，保证增压器的响应速度和增压汽油机的动力性【1 9 , 2 0 】。 3 、调整点火提前角 汽油机的点火提前角对燃烧压力、压力升高率、燃烧循环变动等有很大的影响，随 着点火提前角的增大，汽油机燃烧压力和压力升高率增加【2 l 】，增压汽油机的爆燃倾向和 热负荷会加剧；但燃烧循环变动随着点火提前角的增大而减小，增压汽油机运行的平稳 性会提高。为了达到既减轻爆燃倾向和过高的热负荷，又能提高性能、降低排放的目的， 必须调整各个工况下的点火提前角达到最佳值。 4 、冷却进气 常温进气经过涡轮机后温度升高，导致气体密度变小、进气充量减小，影响增压汽 油机的工作情况，解决进气温度过高的问题一般采用中冷器冷却的方法。中冷器的作用 是冷却增压后气体，使进气密度增大，降低爆燃倾向，提高进气充量。 5 、加强冷却、润滑系统 增压汽油机的热负荷过高，继续采用原来的冷却和润滑系统，可能会产生冷却不足 和润滑油失效等情况，导致发动机不能正常工作。加强增压汽油机的冷却，采用传热系 数较高的冷却介质、加快流动速率等方法增强冷却效果；加强润滑作用，采用油品档次 更高的润滑油，增大油泵供油量，使润滑油更好的保护摩擦部件并带走更多的热量。 6 、更换过热零部件 增压后汽油机过热直接影响燃烧室中部件的正常工作，如火花塞点火、气门密封等 过程，造成动力性、可靠性下降。非增压汽油机的火花塞一般热值较低，增压后为了使 火花塞能够把热量尽快传递出去，需要更换热值较高的火花塞，防止火花塞过热、失效。 7 、选配适合增压器 汽油机的转速跨度很大，所以在选择增压器的时可以根据不同需求，采用最高转速 匹配或最大扭矩点匹配。发动机匹配适合的增压器可以在所需要的转速和工况下获得较 好的增压效果，提升综合能力2 2 1 。 按照最高转速点来选配增压器，它主要解决发动机中高速范围内的增压问题，发动 机需要配上很大流量的增压器，保证最高转速点有足够的流量。这个匹配方法主要问题 是低转速时涡轮机流通截面过大，涡轮出口压力很小甚至没有，增压能力不足，可以采 用电动辅助涡轮增压的方法，增加低转速时增压能力。 按照最大扭矩点来选配增压器，选配出来的废气涡轮增压器尺寸和涡轮流通截面都 4 广西大掌硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 较小，满足在低速工作时达到较高的效率和增压压力，但在高速和大负荷工况，发动机 的排气能量较大，小尺寸的增压器会导致压气机的增压压力过高，汽油机爆燃倾向加重。 为了防止压力过高发生爆燃，最大扭矩点匹配方法需加装放气阀，通过放气阀控制增压 比【2 3 也5 1 ，既能提高低速工作区的性能，又能使高转速大负荷工作区不产生爆燃。 12 3 汽油机增压技术的发展状况 ， 汽油机的增压技术自1 9 1 0 年梅里伟拉对机械增压航空汽油机成功研制以来，经历 了一百多年的发展。2 0 世纪中期，人们开始试图将增压技术普及到车用汽油机上，美国 艾里萨奇公司和美国通用公司等汽车公司将增压技术应用到了普通车用汽油机的批量 车型中，取得了一定的成果，但由于增压汽油机的热负荷过大、爆燃倾向加剧等原因， 汽油机增压技术的的普及又有所停滞。 2 0 世纪7 0 年代，石油危机的影响和排放污染的控制使得人们试图再次将增压技术 普及到车用汽油机上。与2 0 世纪中期汽油机增压技术不同的是，7 0 年代的电子技术有 了进一步的发展，人们可以通过电子控制技术来解决增压汽油机爆燃的问题，这是汽油 机增压的一个关键转折点。在接下来的几十年中，车用汽油机增压技术有了很大的发展， 从而大大提升了车用汽油机的性能。随着新型材料、电子技术、控制方法的不断发展完 善，汽油机增压技术进一步改进并逐渐满足人们对性能、排放的要求。 目前，汽油机涡轮增压技术呈现技术较成熟、增长势头迅猛的发展状态。国外增压 汽油机的技术发展较早、普及范围较广，增压器生产研发技术更成熟。在欧洲，涡轮增 压的汽车发动机已经占到整个汽车市场的5 0 ，涡轮增压技术已成为提高发动机动力性 能的主要发展方向；我国的轿车市场正在步入涡轮增压技术发展的黄金时期，涡轮增压 技术在不断提高汽车性能的同时，也为环保和节能做出了很大的贡献 2 6 1 。我国的各大汽 车公司为了争抢增压汽车的市场，都已经相继生产出多款增压汽车，增压汽车的销量在 汽车销售量中占的比例越来越大，它的前景非常广阔。预计到2 0 1 5 年，我国涡轮增压 汽油车的销量将达到9 5 7 6 万辆，是2 0 1 0 年销量的1 7 倍，同时汽油机发展趋势将向紧 凑小排量化与增压化发剧2 7 2 9 1 。 在涡轮增压技术概念的提出至今一百年的时间里，涡轮增压技术经历了轴流式、径 流式、混流式及配置放气阀、电机等自身的不断改进【3 0 1 ，应用了很多创新的技术和方法。 随着技术的成熟，汽油机的涡轮增压技术将继续完善，将借鉴或采用一些成熟的柴油机 增压技术，比如可变截面涡轮增压、电辅助涡轮增压、相继涡轮增压等等 3 1 , 3 2 ；随着新 广西大学硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 型材料的发展，涡轮增压器的设计会越来越轻量化，性能更好，以便适应更恶劣的工作 环境；随着提高汽油机性能方法的多样化，汽油机增压技术将不再是单独使用的一项技 术，而是将多种改进方法同时使用，最大限度提高汽油机性能、降低排放，使能源最大 限度得到利用；随着人们对动力性和排放控制的要求越来越高，汽油机增压技术将不单 单应用在重。+ 中型发动机上，更多运用到中小排量的汽油机上。 1 3 发动机模拟计算方法介绍 发动机的模拟计算是利用仿真软件建立与发动机在某个工况下状态相同或相似的 模型，通过计算得到发动机该状态下的运行情况，是用软件模拟试验情况的研究方法。 对一些不容易实现的试验研究来说，模拟计算免去了复杂的试验操作，实现了对实验研 究的分析；对于产品的开发来说，模拟计算是一种非常方便的研发手段，减少了大量繁 琐的试验。随着模拟软件不断的改进，模拟计算方法的准确性、可靠性有了很大的提高， 运用范围和使用对象也增加。 发动机模拟计算的对象一般有发动机性能、缸内燃烧过程、流体的流动、传热等等， 最常用的模拟计算软件类型有发动机性能仿真软件、计算流体力学软件等等。 发动机性能仿真软件，用于分析发动机的动力性、经济性、排放性和燃烧情况，优 化设计进气系统、气门升程、配气正时、中冷器和涡轮增压器匹配等，具有代表性的软 件是a v lb o o s t 3 3 1 和g t - p o w e r ；计算流体力学( c f d ) 软件，用于研究一维到多维流体 的传热、能量传递、多相流和化学反应等，常用于发动机设计研究的c f d 软件有：f l u e n t 、 w a v e 、f i r e 和f l c l w m a s t e r 等。 1 4 本课题研究的意义、任务及主要内容 1 4 1 课题研究的意义、任务 增压技术能进一步优化内燃机的性能，降低油耗和排放，因而增压机型已成为内燃 机极力发展和推行的技术之一。由于能源问题和环境问题的加剧，目前各种增压形式不 断涌现，涡轮增压器技术不断发展并逐渐成熟。小排量汽油机具有独特的应用优势和地 位【3 4 】，但现在国内对小排量( 1 0 l ) 汽油机的增压研究较少。 本研究项目是由广西大学和柳州五菱柳机动力有限公司合作研究的科技项目( 广西 自然科学基金项目( 桂科基0 9 9 1 0 0 3 ) ) ，主要研究小排量废气涡轮增压汽油机。本课题 6 f - 西大掌硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 是在l j 4 6 5 q 增压研究的基础上，主要承担优化机型、匹配增压部件及中冷器设计等工 作，对l j 4 6 5 q r 汽油机做进一步的增压研究，使增压后l j 4 6 5 q r 达到最大功率提高4 0 、 最大扭矩提高4 1 、最小油耗率降低8 的项目目标。 1 4 2 主要研究内容 本课题是以l j 4 6 5 q k 汽油机为研究对象，主要完成以下工洚内容：一t 一一、- 一 1 、根据l j 4 6 5 q 初步试验数据，提出进一步汽油机增压方案，并用a v lb o o s t 软件 对l j 4 6 5 q r 增压汽油机进行模拟计算。 2 、由l j 4 6 5 q r 增压汽油机的模拟性能参数，做涡轮增压器的空气流量、增压压力 的计算，设计匹配l j 4 6 5 q r 增压汽油机的增压器。 3 、基于a v lb o o s t 软件模型设计增压器压力调节方案，得出放气阀在各工况下的 开度情况，通过控制增压器在高速和大负荷时的放气流量，达到控制进气压力的目的， 为l j 4 6 5 q r 增压汽油机增压调节提出理论设计指导。 4 、设计适合l j 4 6 5 q r 增压汽油机的中冷器，用f l u e n t 软件对中冷器的传热、静压 和流速进行计算并优化，为l j 4 6 5 q r 增压汽油机中冷器设计提出理论指导。 5 、根据设计结果择合适的增压器、中冷器，对l j 4 6 5 q r 汽油机进行增压改造，搭 建l j 4 6 5 q r 增压汽油机台架，并进行性能试验。 广西大学硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 第二章l j 4 6 5 q r 增压汽油机的前期试验与模拟计算 本章根据项目的研究内容要求，进行了l j 4 6 5 q 汽油机增压的初步试验和数学模型 模拟的工作，主要是初步了解l j 4 6 5 q 汽油机增压后性能改善的情况、试验存在的问题， 模拟验证试验改进的方法，为优化增压汽油机提供指导方向。 主要工作包括台架性能试验和数学模拟两部分： 1 、试验台架对l j 4 6 5 q 汽油机的硬件和软件结构进行改造，选择合适的增压部件， 建立增压汽油机试验台架，主要进行增压汽油机的外特性测试。 2 、数学模拟工作是在试验数据分析的基础上，提出l j 4 6 5 q r 的优化设计和增压方 案，通过模拟验证优化的结果正确性和可行性。 2 1l j 4 6 5 q 增压汽油机性能试验 2 1 1 试验装置与设备 本实验将l j 4 6 5 q 改造成增压汽油机( 以下用l j 4 6 5 q z 代号表示) ，主要完成增压 器与进气系统、排气系统的连接，增压器和中冷器的润滑、冷却管路的设计，汽油机的 改造等工作。 2 1 1 1 增压器的连接 废气涡轮增压方法是利用排气能量来驱动涡轮工作，排气管和增压器的连接过渡十 分关键。为了尽量减少改造的工作量和改造带来的能量损失，排气总管通过一个中问管 直接与涡轮机的入口相连，同时排气管路中加装了氧传感器、排温传感器安装接口，以 便数据的采集。压气机出口采用胶管连接进气管，必须保证较好的密封性和较小的阻力 损失，防止进气压力不足。 2 1 1 2 增压器、中冷器的润滑和冷却 由于极高的运转转速和高温排气的加热，增压器处于高温、高速和易磨损的环境， 需要足够的润滑和冷却来保证正常工作。增压器的润滑与发动机的润滑系统相连，与发 动机润滑系相同；冷却管路与外部循环水相连，保证增压器冷却充分。中冷器将增压器 与进气系统相连，连接必须圆滑过渡，防止能量损失和泄漏。 2 1 1 3 汽油机的改造 汽油机采用增压后，其自身参数及零部件需要改进，以保证可靠性、减少爆燃倾向。 + - 西大学硕士掌位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 汽油机改造有降低压缩比和更换火花塞两个方面：原机的压缩比为9 ，采用增加缸垫厚 度的方法将增压比降低到8 5 ；原机火花塞热值为6 级，采用等级为7 级的冷型火花塞 来替换。此外，增压汽油机还需在密封、螺栓强度等方面进行强化。 2 1 2 电控模块的标定 发动机运彳了工况复杂多交，其电了控韦8 应鬲；力广泛。发动机电予控制系统包括传一一， 感器、电控模块( e c u ) 和执行器三大部分，传感器将控制对象的参数( 如温度、压力、 转速等) 采样并反馈给电控模块，电控模块对数据进行处理，最终控制执行机构使发动 机在最佳工况下工作35 1 。 电控模块的标定是发动机的控制软件进行优化的过程，使发动机各部件相互配合达 到所需的性能要求。对不同的发动机，电控模块控制参数的最佳值是不同的。标定时不 仅要考虑发动机工作的影响因素，如转速、油门开度、喷油正时、点火提前角等，而且 要考虑在不同的工况下外界环境变化，调整控制参数使系统达到更好的状态，因此发动 机标定是一个比较复杂的系统工程【3 6 】。 l j 4 6 5 q 经过增压改造后进气充量、进气压力和温度都增加，每循环需要的供油量 和最佳的点火时刻发生变化，增压前的电控模块的控制参数已经不再适用于增压后的控 制，需要对l j 4 6 5 q 的电控模块进行标定，使l j 4 6 5 q 增压后工作参数得到优化，保证 动力性能的提高。发动机台架试验标定的主要过程如图2 1 所示： 基本控制参数标定 上 稳态修正参数标蹩 上 怠遴工况参数标定 上 l 起动3 2 况参数标定 上 l 孵态工况参数标定 、i ， 奁褒综仑调试 图2 1 台架标定过程【3 7 f i g 2 - 1t e s tb e n c hc a l i b r a t i o np r o c e s s 本试验l j 4 6 5 q 的电控e c u 模块采用c a n a p e 软件平台，它具有测量、标定和诊断 9 广西大学硕士学位论文l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 等功能，通过控制器接口与e c u 连接，在系统运行期间同时标定参数值和采集测量信 号，快速而有效地实现对汽油机电控单元的标定。u 4 6 5 q 增压试验标定的参数主要是 充气效率、点火特性、空燃比特性等。 2 1 3l j 4 6 5 q 增压汽油机的性能试验 一 、。性能试验使用的测试设备仪器如下表2 1 所示。 一-、， 表2 1 试验主要仪器设备 t a b l e2 一ir em a me x a i n i n a f i o ne q u i p m e n t s l j 4 6 5 q z 的外特性试验得到试验数据如表2 - 2 所示。 表2 - 2l j 4 6 5 q z 外特性试验数据 t a b l e2 - 2r eo u t s i d ep e f f o n n a n c eo fl j 4 6 5 q z 图2 - 2 是对比l j 4 6 5 q 和l j 4 6 5 q z 的外特性试验结果得到的曲线。图2 - 2 将l j 4 6 5 q 汽油机增压前后的功率、扭矩和油耗率做了一个对比，可以看出：l j 4 6 5 q z 的功率在中 高转速都得到了提升，最大增幅达到3 0 ；扭矩也比原机有很大提高，尤其在中等转速 范围提升程度最大，最大增幅达到4 0 ；油耗率在低转速大幅降低，最大降低量为6 5 。 1 0 广西大掌硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 图2 - 2l j 4 6 5 q z 与l j 4 6 5 q 外特性对比曲线 f i g 2 - 2l j 4 6 5 q za n dl j 4 6 5 qo u t s i d ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n l j 4 6 5 q 增压前后性能对比如表2 - 3 所示。 表2 - 3l j 4 6 5 q 与l j 4 6 5 q z 的性能对比 t a b l e2 - 3l j 4 6 5 q zp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t hl j 4 6 5 q 经过性能试验可知，l j 4 6 5 q z 的功率、扭矩都有很大的提升，耗油量有所下降，达 到较好的增压效果。试验过程中，增压改进后汽油机没有出现爆燃、过热等现象，具有 一定的稳定性和可靠性，l j 4 6 5 q 汽油机的增压方案切实可行。 2 2l j 4 6 5 q r 汽油机增压研究 2 2 1l j 4 6 5 q r 强化机型 l j 4 6 5 q 汽油机的增压试验基本实现了稳定运行、性能提高等效果，为达到增压研 究更高的要求，进一步提高动力性，l j 4 6 5 q 汽油机需要做出以下改进优化：强化机体、 曲轴、连杆等高强度高速工作的重要部件，提高机械强度和可靠性；改进进气管、排气 管，提高进气充量，减少气体流动损失；提高火花塞、气门等部件的高温工作能力。 根据l j 4 6 5 q 汽油机增压改进要求，厂方经过设计改进得到的优化机型l j 4 6 5 q r 。 l j 4 6 5 q r 是在l j 4 6 5 q 汽油机的基础上经过机体、连杆等部件的强化，进、排气管重新 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 设计布置，它采用高强度、轻量化的活塞，火花塞和气门散热性能升级，因此l j 4 6 5 q r 在动力性、经济性都优于l j 4 6 5 q ，并达到国四的排放标准。 表2 4 将l j 4 6 5 q 和l j 4 6 5 q r 的基本参数信息做了对比。 表2 - 4l j 4 6 5 q 和l j 4 6 5 q r 主要技术参数比照 t a b l e2 - 4t h em a i n l yt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fl j 4 5 6 qa n dl j 4 6 5 q r 名称l j 4 6 5 q 技术参数l j 4 6 5 q r 技术参数 发动机型式 四冲程、水冷、直列斜置式、 电控点火、电控汽油喷射 气缸数4 缸径m m 活塞行程m m6 5 5 7 8 总排量l 1 0 5 1 压缩比 9 0 ：1 标定功率k w 转速r m i n 3 8 5 5 2 0 0 最大扭矩n m 转速r m i n 8 3 3 0 0 0 - 3 5 0 0 怠速f f m i n 8 5 0 - x 5 0 燃油消耗率g ( k w h ) 2 7 5 净质量k g 1 2 8 8 四冲程、水冷、直列斜置式、 机械间隙调节摇臂 4 6 5 5 7 4 0 9 9 8 9 5 ：1 4 5 5 6 0 0 8 5 3 5 0 0 - - 4 0 0 0 8 0 0 士5 0 2 6 5 9 7 8 2 2 2 增压方案的确定 l j 4 6 5 q r 的动力性和机械强度都优于l j 4 6 5 q ，符合进一步的增压研究的要求，本 文将完成l j 4 6 5 q r 汽油机增压( 下文用l j 4 6 5 q r z 表示) 试验台架的设计和试验工作。 基于l j 4 6 5 q z 的台架试验情况，提出l j 4 6 5 q r z 增压研究方案，预计达到目标参数如 下表2 5 所示： 表2 - 5l j 4 6 5 q z 和l j 4 6 5 q r z 增压效果比照 t a b l e2 - 5tl j 4 6 5 q zp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t hl j 4 6 5 q r z 2 3l j 4 6 5 q r 汽油机增压模拟计算 在l j 4 6 5 q r 增压汽油机基础上，需要对增压部件进行合理的匹配。试验匹配增压 部件的方法工作量太大，为了节约时间和成本，本文的匹配采用模拟计算和数学计算相 结合的设计方法。 本文采用的是a v l b o o s t 性能分析软件，它能够计算分析发动机稳态和瞬态性能， 广西大掌硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 包括发动机性能分析模块、线性声学分析模块、尾气净化装置模块和热网络生成器模块 四个组成部分，主要功能为 3 3 1 ：针对发动机动力性和经济性的设计要求，优化发动机的 部件、气门正时等参数，设计增压系统，通过燃烧分析获得气缸的放热率曲线；优化消 音器结构，分析其声学特性，降低排气噪声；模拟尾气净化装置的转化过程，分析、优 化尾气净化装置；生成热网络模型，为整机的热管理分析提供基础研究的模型。 本节采用a v lb o o s t 软件完成l j 4 6 5 q r z 试验的模拟计算，减少繁琐的匹配试验、 获得增压部件匹配计算参数，初步验证增压研究方案的效果。 2 3 1 建立l j 4 6 5 q r 增压汽油机模型 模拟计算正确与否在于模型的布置、参数设置是否与实际情况设置相同，否则模拟 计算与试验结果会相差甚远【3 8 】。l j 4 6 5 q r z 模型的部件、布置的情况如图2 3 所示，在 原机的基础上l j 4 6 5 q r z 模型需增加增压器和中冷器，并调整点火提前角、空燃比等参 数。l j 4 6 5 q r z 的元件列表分别如2 - 4 所示。 e ：e m 日n 弓 e le m e n tn a m en u m b e r p i p e2 9 s y s l l u n d a r y2 p l e n u x3 cylin琥4 r e s t r i c t 工o n7 f e l i n j e c t o r4 m 强s u r i n g p o 工n t12 i r c 0 0 l e r1 c t a l y s t 1 1 1 珉b ( h r g 21 j u n c t i o n3 咖l p i p e 肼d6 2 a 9 5 隧b l e d2 a i 工p i p e s3 1 皿p 唧u m s7 札b o u n d a r i e s 2 舡工c h a r g s1 r e s t r i c t i o n s 1 1 图2 - 3l j 4 6 5 q r 汽油机增压b o o s t 模型 f i g 2 - 3l j 4 6 5 q r zb o o s tm o d e l 2 3 2 模型参数设定 图2 - 4 模型元件列表 f i g 2 - 4m o d e le l e m e n t sl i s t i n g 参数设定主要包括全局参数设定、流通部件( 管路、连接点、边界条件参数) 参数 设定、重要部件参数( 气缸、增压器、e c u 等) 设定、测点及测量参数设定等几个内容。 2 3 2 1 全局参数的设定 全局参数一般包括模拟任务、发动机转速、燃油性质、初始参考状态、环境参数、 时间步长控制、收敛控制、摩擦功等等。全局参数中，发动机参数、燃油性质等都可以 通过查考相关技术参数的资料得出，初始参考状态、环境参数可参考试验条件时的数值， 广西大学硕士学位论文 l j 4 6 5 q r 汽油机涡轮增压匹配技术研究 时间步长