（动力机械及工程专业论文）涡轮增压汽油机数值模拟与性能优化研究.pdf

i 摘 要 本文进行了 1.5l 汽油机涡轮增压匹配的研究，并对气道喷射增压汽油机进行了 参数优化，对直喷增压汽油机部分负荷工况进行了分析研究。 文中对 1.5l 气道喷射自然吸气发动机的工作过程进行了模拟，并在此基础上建 立直喷模型，并对直喷汽油机和增加可变气门正时机构后的发动机进行了模拟计算与 分析， 结果表明改进后的直喷方案能提高发动机动力性， 但对经济性改善作用不明显。 以气道喷射发动机为原型，对其选配涡轮增压器，进行了匹配计算与试验分析；并对 发动机的进排气正时，进气管尺寸进行了优化，最终确定了相关参数。结果表明增压 后汽油机的动力性有大幅度提升，经济性有所改善，但排气温度有所升高。以直喷发 动机为原型，对其选配了涡轮增压器，进行了匹配计算与分析；并计算了不同节气门 开度下，不同的进排气正时时发动机的 bmep（平均有效压力） ，bsfc（比油耗）等， 优化了不同节气门开度和转速下的进排气正时。结果表明涡轮增压中冷直喷汽油机排 气温度高，在部分负荷时，发动机运行线靠近喘振线，应重新选择匹配策略。 本文对 1.5l 汽油机的模拟计算都是与相关试验结合的，计算结果与试验结果有 较好的一致性，对汽油机的增压匹配与性能计算具有重要的指导意义。 关键词：汽油机 涡轮增压 匹配 气道多点喷射 汽油机缸内直喷 ii abstract in this paper, a matching analysis of 1.5l gasoline engine with turbocharger was studied, and the parameter optimization of mpitcivvt （multi- point inject turbocharging gasoline engine with variable valve timing） was crarried out, meanwhile the study of part load condition in the gditcivvt （gasoline direct inject turbocharging gasoline engine with variable valve timing） gasoline engine was completed. firstly, the working process simulation of 1.5l mpi （multi- point inject ） gasoline engine was accomplished. the gdi（gasoline direct inject） and gdivvt models were built on the basis of mpi simulation, and the simulating cralculation and analysis of both gdi and gdivvt models were finished, the result showed that the dynamicral performance of the optimized model was improved, while the fuel economy remained still. secondly, a matching analysis of 1.5l mpi engine with turbocharger was done, the inlet exhaust valve timing and the dimensions of inlet pipe were optimized to determine the related parameters. as the results indicrated, the dynamicral performance and fuel economy of the turbocharged model were largely improved, but the exhaust temperature increased. lastly, a matching analysis of 1.5l gdi engine which was matched with turbocharger was completed, the values of bmep and bsfc were cralculated under various throttle opening and inletexhaust valve timing, and the inletexhaust valve timing of different throttle opening and engine speed was optimized. as showed from the result, the exhaust temperature was higher than expectation, and the working line was close to the surge line under part load condition, therefore the matching strategy should be reselected. the simulation and analysis of 1.5l gasoline engine in this paper was combined with related bench test, and the simulation result was ideally consistent with the test. the result of the study has important directive significrance for the turbocharger matching and performance analysis of gasoline engine. keywords: gasoline engine, turbocharging, match, multi- point inject （mpi）, gasoline direct inject （gdi） v 主要符号表 mpi 气道多点喷射 vvt 可变气门正时 gdi 汽油机缸内直喷 egr 废气再循环 u 比内能 c m 缸内工质的质量 c p 气缸内压力 v 气缸容积 f q 喷入燃料燃烧放出的热量 w q 气缸壁热损失 曲轴转角 bb h 气缸漏气焓 bb m 漏气质量流 q 气缸内燃料燃烧放出的总热量 放热率 o 燃烧持续期 m 形状参数 a vibe 燃烧因子参数 w t 气缸壁面的平均温度 w 缸内工质与缸壁的换热系数 n 发动机转速 f 进排气管壁面摩擦系数 cp 定压比热 t w 涡轮机的功率 k w 压气机的功率 涡轮增压器的机械效率 t m 涡轮流量 k m 压气机流量 k t 压气机出口空气温度 k p 压气机出口空气压力 b m 进废气放气阀的工质流量 t n 涡轮转速 k n 压气机的转速 压气机增压比 res f 等效涡轮通流截面积 teq 涡轮膨胀比 a p 空气滤清器进口压力 af p 空气滤清器出口压力 vi s t 中冷器进口气体温度 s p 中冷器出口气体压力 s g 增压汽油机所需空气量 pt 涡轮前废气平均压力 t t 涡轮前平均温度 n f 涡轮当量喷嘴面积 e g 汽油机燃油消耗量 s 扫气系数 v 充气系数 a p 环境压力 a t 环境温度 n f 涡轮喷嘴环出口面积 t f 涡轮几何当量面积 bsfc 比油耗 bmep 平均有效压力 ivo 进气门开启 evc 排气门关闭 ivc 进气门关闭 evo 排气门开启 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描复制保存手段和汇编本学位论文。 保 密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“ ” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 概 述 1.1 前言 环境问题是当今面临的四大社会问题之一。内燃机的有害排放物是造成大气污染 的一个主要来源。运输车辆、农用机械和工程机械用的动力装置，主要采用内燃机。 由于使用集中，数量大，因此有害排放物对大气环境造成危害十分严重。世界各国汽 车保有量急剧增加，内燃机对大气的污染日益严重。80 年代中期以来，许多国家大城 市的大气质量受内燃机排气污染的影响而日趋恶化。随着汽车数量的不断增加，一些 大中城市已从工业污染型变为汽车污染型。为了保护人类赖以生存的大气环境，必须 严格限制来自内燃机的污染。为此，现阶段内燃机的设计和改进目标已从以前的只注 重动力性和经济性转变为经济性，动力性和排放性并重1- 2。 目前，世界范围内汽油机占轿车发动机的比例约 70%2，由于汽油机本身存在热 效率较低，动力性，经济性差等原因。因此对汽车发动机降低油耗最有效的措施就是 将发动机的运行点转移到高负荷也就是高效率区域，这可以通过发动机本身的强化 （down- sizing）技术和选用较大的传动比（down- speeding）两种方法实现3。因此对 汽油机本身来说，小型轻量化是其发展的趋势。其含义是降低发动机重量功率比，提 高升功率。 升功率的提高有两种方式， 即提高平均有效压力和提高发动机的标定转速。 标定转速的提高会导致燃烧恶化，效率下降，还会引起振动、噪声、磨损等一系列问 题。此外过分依赖提高汽油机转速来提高功率还会导致经济性恶化，排放变差。因此 单纯的靠提高发动机的转速提高升功率作用有限。提高发动机平均有效压力并不会使 发动机的机械负荷和热负荷成比例增大。因此容许平均有效压力有很大的提高。在不 改变原机主要结构的前提下提高充气效率，改善缸内燃烧是提高平均有效压力的手段 之一。 对于传统的 mpi（multi- point inject）自然吸气气道多点喷射的发动机，改善经济 性、排放、动力性常用的方法有优化进排气凸轮型线，利用 vim（variable intake manifold）可变进气岐管技术，采用 vvt（variable valve timing）可变气门正时技术 技术，采用 cbr（control burning ratio）可控燃烧速率技术。vim 技术对改善进气 管内压力脉动，改善低速进气量，增大低速扭矩，提高高速进气量，增大高速功率起 一定作用。 vvt技术可以用来减少发动机泵气损失， 加快进气速度， 改善混合气质量， 改善残余废气系数，提高进气效率，最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、 2 排放性以及响应性能得到综合提高。实现对人们普遍认为配气参数的优化对发动机性 能的优化，特别是高增压发动机全工况范围内性能的优化，不同转速下换气的改善， 缸内气体扰动的加剧，怠速稳定性的提高，egr（废气再循环）的实现，有害排放物 的降低均有益处4。cbr 技术可以实现对进气量的无极调节，控制燃油与空气混合程 度，有效的控制燃烧过程，改善排放和经济性。 gdi（gasoline direct inject）汽油机缸内直喷技术是近年来发展起来的技术之一。 它是通过电控系统的控制将汽油直接喷射在燃烧室内，同通过气门进来的空气进行混 合从而形成可燃混合气进行燃烧。gdi5技术分为 sgdi（stratified gasoline direct inject）直喷分层和 hgdi（homogeneous gasoline direct inject）均质缸内直喷。gdi 发动机具有良好的动力性能，由于节流损失，部分负荷时可充分进气，提高充气效率 和升功率。sgdi 发动机有利于提高压缩比，通过燃油的二次喷射达到分层燃烧的目 的，降低排放，大大提高经济性。 tc（turbo- charging）涡轮增压技术或 tci（turbo- charging with inter- cooling ） 涡轮增压中冷技术采用增压技术增大进缸充量密度是提高平均有效压力最有效的方 式，可使平均有效压力大幅度提高甚至成倍增长。特别是 tci技术，通过进气中冷， 降低进气温度，提高发动机整机性能。根据对欧洲 200 种汽油车的调查，相同功率的 发动机，增压发动机的排量可以比自然吸气式发动机的排量减小 18%至 35%，燃油经 济性可以提高 10%左右6。车用发动机7常用两种基本增压方式，即机械增压和涡轮 增压；近年来，由于排放法规对 nox 的排放要求越来越高，cpws（comprex pressure wave supercharging）气波增压技术由于其良好的充气效率，且不会使发动机产生较高 的热负荷，对发动机的机械性能，润滑性能影响不大。 mc （mechanicral supercharging） 机械增压由发动机曲轴驱动， 不存在进气反应滞后的现象， 但消耗了发动机的指示功， 使机械效率降低，而涡轮增压由废气驱动涡轮，回收了一部分废气能量，再加上相对 地减少了机械损失及热损失，提高了发动机的机械效率和热效率，使发动机涡轮增压 后功率明显提高。因此，tci技术逐渐成为车用汽油机领域主要的发展方向之一。 总的来说，最新流行的汽油机新技术主要是提高部分负荷的整机效率，只有少数技术 是通过将发动机运行工况转移到较低的 bsfc 区域。新技术对汽油机性能的影响见图 1 所示2。 3 图 1.1 汽油机新技术对提高经济性的作用 涡轮增压技术广泛用于柴油机，并在轿车上得到了日益广泛的应用。在欧美发达 国家，涡轮增压技术使用更为普遍，车用柴油机有 70%以上采用涡轮增压技术8。自 80 年代以来，车用汽油机增压技术发展迅速。这是因为涡轮增压技术发动机不仅在升 功率、动力性能方面比普通自然吸气发动机优越，而且在燃油经济性、排放及排气噪 声等方面也优于非增压发动机。 对于大功率汽油机轿车， 在不降低动力性能的前提下， 通过增压来缩小排量，有着巨大的综合优势。 1.2 汽油机新技术 1.2.1 可变气门正时技术 1 汽油机采用可变气门正时技术（vvt）技术后的主要优点有： （1） 发动机性能有较大提升。主要表现在升功率有较大提高，相关研究9表明，在 不改变发动机主要结构的前提下，使用 vvt 技术，升功率能提高 5- 8%。 （2） 燃油消耗量降低，经济性得到改善。采用 vvt 技术后，发动机残余废气减少， 充气效率提高，经济性得到改善。研究表明10采用全工况 vvt 技术后，油耗能 够下降 1823%。 （3） 排放降低。合理使用 vvt 技术后，nox 能够降低 60%，hc 降低 23%， 目 前，vvt 技术被认为是乘用车达到欧标准的必然技术选择。 （4） 整机性能有大幅度提升。 发动机采用 vvt 技术后， 由于各转速下进气量充足， 可变进气技术 可变气门技术 分层直喷技术 优化点火技术 增压技术 转移运行点 提 高 发 动 机 效 率 均质直喷技术 4 燃烧充分，扭矩、功率、加速性均有所改善。 2 vvt 技术的发展现状9 17 美国早在 1880 年就出现了相关 vvt 技术的专利， 近年来电子技术的发展更是促 进了该技术的不断成熟。 电子技术的发展促进了 vvt 技术的产品化，在美国已有 800 多项专利产品，而且多年来仍处于高速发展中。越来越多的轿车厂家开发了相应的产 品。benz 公司的 500sl型车用发动机采用了 vvt优化气门正时。在进气门关闭角提 前调整的工况，发动机 4000rmin 的全负荷工况下，扭矩平均增加 15nm30nm， 提高了 5%8%，在进气门关闭角滞后调整时，标定功率增加 15kw，提高了 7%9。 honda 公司在 1989 年第一批装用 vtec （variable valve timing and lift electronic control system）的 1.6l发动机，其最大输出功率从 88kw 增加到 118kw，而且可以 达到 8000rmin的超高速10。honda 公司最新推出三段式 vtec 发动机，能在低、 中、高速三种不同状态下让气门以三种不同方式工作，这种崭新的三段式 vtec 机构 使发动机油耗在与 vtec- e 相同的情况下， 功率提高了 40%， 最大功率达到 96kw （原 机为 64kw）11。 可变气门机构一般均可调配气相位，有的还能调节气门升程。根据结构特点和驱 动方式的不同，可将可变气门驱动机构分为凸轮轴驱动和无凸轮轴驱动两大类。 凸轮轴可变气门驱动机构是在传统气门驱动机构概念上的改进，有以下两种实 现形式：一种是凸轮轴和凸轮可变系统，通过凸轮轴或者凸轮的变换来改变配气相位 和气门升程；另一种是气门- 挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气门，挺杆， 摇臂或者拉杆靠机械力或者液力作用而改变，从而改变配气相位和气门升程。 （1）凸轮轴调相与其发展 凸轮轴调相是指靠外力使凸轮或者凸轮轴相位改变一个角度从而改变气门正时。 按照外力的施加方式不同分为液压驱动方式和电子驱动方式。凸轮轴调相机构是通过 正时带轮与凸轮轴内轴之间设置一环形柱塞，柱塞和凸轮轴内轴以直键或花键传动， 电控单元通过液压或者电子控制柱塞，使柱塞带动凸轮轴相对于曲轴转动一个角度， 从而改变气门正时。变配气相位气门驱动方式早在 1983 年由阿尔法罗密欧公司开始 批量生产，发动机控制模块通过控制电磁阀的开启达到控制进气凸轮相位的目的。气 门升程可调控制系统的控制模块通过控制步进电机，从而控制偏心凸轮位移量，达到 控制气门升程的目的。 （2）多凸轮机构及其发展 honda公司的vtec 是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程的可变气门 电控驱动机构，已经经历了 vtec- e、sohc- vtec、dohc- vtec、3- stagevtec、i 5 vtec 五种形式。最成功的是 dohc- vtec（顶置双凸轮可变气门驱动机构） ，它 的进排气凸轮轴为每个气缸设置了并列的三个凸轮，相应的有三个摇臂。它按照发动 机不同工况，产生不同的进气方式，真正实现了进气连续可调。 （3）多维凸轮调相 多维凸轮调相的特点是凸轮轮廓面的母线与凸轮轴轴线不平行，因此通过凸轮 轴轴向移动，改变气门升程和相位。意大利 fiat 公司的 ferrari v 8 发动机采用的是三 维凸轮配气机构。凸轮的轴向移动通过润滑系统的机油压力控制。 （4）加法器型 vvh 1998 年 sae 年会上首次提出的 vvh 系统是由两个凸轮轴构成，它们以等速反 向旋转，两根凸轮轴通过从动件和传动件作用到进气门上，进气门的实际位移等于两 个凸轮有效位移的叠加。用作开启凸轮的第一凸轮轴由曲轴驱动，用作闭合凸轮的第 二凸轮轴由开启凸轮通过一个四齿轮机构来驱动。这个凸轮驱动机构可以改变两根凸 轮轴的相对位置，使气门的升程和持续期在零到最大值之间变化。采用 vvh 控制的 火花点火发动机应包括： 用于驱动进气门升程和定时可变控制的 vvh气门驱动机构， 用于进气门闭合凸轮的驱动和定相位的 vvh 执行器，参与废气量控制单元，电路系 统等。mata 公司已经开发了相应的产品。 无凸轮轴可变气门驱动机构在概念上完全不同于传统气门机构，它取消了传统 气门结构及其从动件，而以电磁、电液、电器、电机等方式直接驱动气门。它是伴随 着电控电控技术的发展发展起来的。按照驱动气门的动力可以分为：电磁气门驱动、 电液气门驱动、电气气门驱动、电机气门驱动等。 （1）电磁气门驱动 电磁气门驱动是伴随电磁技术的发展成长起来的一种新兴气门技术。国外 aura systems 公司、fev 公司和 gm 公司都提出了双弹簧双电磁铁气门驱动方案。aura systems 公司、fev 公司并开发了相应的产品，并装车使用。电磁驱动气门机构由电 磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通断电时刻控制气门正时。理论成熟，控制方 便结构简单。实际运用中气门落座冲击大，电磁相应速度慢，能耗及结构尺寸大。合 理选用铁磁材料是关键。 （2）电液气门驱动 电液气门驱动是将气门与一个液压活塞相连，通过电磁阀控制液压缸内高低压流 体的流入和流出控制气门运动，介质为高压流体。ford 公司的液压活塞式可变气门系 统是典型的电液气门驱动。高压电磁阀在气门开启的加速过程中开启，减速过程中关 闭。 低压电磁阀控制气门的关闭过程。 系统还包括一个高压单向阀和一个低压单向阀， 6 以保证气门达到最大开启行程时活塞上部压力不会太低，气门落座前活塞上部油腔压 力不至于过高。高压流体的可压缩性，电磁阀的响应速度以及发动机缸内气体压力波 动使气门运动难以精确控制，高压流体的提供装置和密封装置也大大限制了该技术的 推广。 （3）电气气门驱动 电气气门驱动的原理与电液驱动相似，只是介质为空气。电气控制响应速度快， 但由于空气的可压缩性，更难实现精确控制。因此电液气门驱动和电气气门驱动的关 键是何时的传动介质。 （4）电机驱动气门 电机直接控制凸轮的可变气门驱动机构中，每一个气门都由一套永磁无刷直流电 机通过凸轮驱动，并通过控制电机的转向和速度来控制气门正时。该技术灵活性大， 但气门冲击大，响应速度慢，能耗高依然，运行过程中电机转向，转速的控制精度更 难达到。 国内尚处在对 vvt技术的摸索阶段，仅有一汽、奇瑞、上汽等少数企业开发了 相应的 vvt 发动机。 由于液压式凸轮调相机构结构简单，技术成熟，文中所采用的 vvt 机构均为液 压式凸轮轴调相机构。通过液压油控制凸轮轴偏转一定角度，使发动机各个转速下都 能得到最优的气门正时。本文中通过 vvt技术可以实现 miller循环和内部 egr，从 而改善排放和部分负荷下的经济性。 1.2.2 汽油机缸内直喷技术 发动机作为汽车的心脏，一直是各大车厂研发的重中之重，而且在环保要求、经 济要求、动力要求都在不断提高的现代社会，各大车厂都重视发动机新技术的开发， 尤其是新燃烧技术，从而但诞生了 gdi 技术。像德国大众公司的 fsi，日本日产公司 的 vq 系列； 而三菱发动机公司所发明的的 gdi发动机则是目前最先进的汽油发动机 之一。 目前世界上主要经历了三种汽油发动机形式：化油器发动机：传统型，它是在进 气管道的化油器位置上靠节气们后的真空度将喉管内的汽油吸出，与空气混合，雾化 形成混合气，经气门进入气缸内进行燃烧；电控汽油喷射发动机：是将汽油喷射在进 气歧管或进气管道上，气门之前的位置上与空气混合成混合气后，再通过进气门进入 气缸燃烧室内被点燃作功；直喷式汽油发动机：它是通过电控系统的控制将汽油直接 喷射在燃烧室内，同通过气门进来的空气进行混合从而形成可燃混合气进行燃烧。 7 gdi 发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置；gdi 技术引进了 柴油机直接将柴油喷入缸内的理念直接在缸内喷射汽油，利用缸内气体流动与空气混 合组织形成分层燃烧。 汽油直喷入缸内有利于汽油的雾化， 使汽油和空气更好的混合， 燃烧更为完全。另外进气管道中没有狭窄的喉管，空气流动的阻力小，充气性能好， 因此输出的功率也较大。 gdi 发动机的优点主要表现在以下几个方面： 1 动力性，gdi 发动机的结构看，它去除了传统意义上的节气门，大大减少了在 部分负荷时的节流损失和泵损失， 在部分负荷时可充分进气， 提高充气效率和升功率。 可以提高发动机的压缩比（可高达 12） 。也使发动机具有更高的热效率，燃料热得到 充分利用。试验证明，gdi 发动机的功率要比同排量的其它发动机大 40% 左右。 2 经济性，gdi 发动机有着卓越的燃油经济性，油耗量低。gdi 发动机 中低负 荷组织稀薄燃烧，空燃比可达 40：1（一般汽油发动机的混合比是 14.3:1） ，不必在 中低负荷时按标准空燃比配油，比普通 mpi 发动机在中低负荷上配给的燃油少。 gdi 发动机可以实现达 12 的高压缩比，燃油热效率较高，相对来说也就降低了油耗。gdi 发动机减少了节流损失和泵损失，有效功率提高，减少了耗油量。一般来说，与点燃 式汽油机相比，直喷式汽油机的油耗可以减少 58% 。 火焰周围的超稀气体形成隔 热层，可减少向缸壁的传热损失。 3 排放性，gdi 发动机能有效的降低 hc、nox 和 co 三种污染物的排放，使排 放可达欧标准，具体如下：hc：普通电喷发动机启动时容易产生大量的 hc，是因 为气道中容易留有未蒸发的油膜， 而油膜则是由于多余的燃油未完全燃烧造成的。 gdi 发动机直接在燃烧室内喷油，不形成残留油膜，以较大的空燃比工作，燃油可以较充 分燃烧，减少了 hc 生成的机会。nox： nox 的生成条件是较长时间的高温，又存在 富氧状态。 gdi 发动机的高温区（火焰区）是接近理论空燃比，没有特别多余的氧气， 氧气充足的超稀区只在火焰周围，没有形成 nox 的温度，等到点燃超稀混合气时活 塞已经下行做功，缸内温度已下降，因此 gdi 发动机限制了 nox 生成；且 gdi 采用 了 egr 技术。即废气再循环技术，将排出气缸的废气利用气门重叠时间再回到气缸 中，降低燃烧的最高温度从而降低 nox 的排放量，gdi 的 nox 下降了 90%。 co： 传统的汽油机过量空气系数接近 1，大多时间时小于 1 的，也就是说燃油过量了，不 能完全燃烧造成了 co 的存在。gdi 发动机是总体富氧条件下，即使浓区燃油未能完 全燃烧，也可以在稀区和排气中继续氧化，有效降低了 co。 8 1.2.3 汽油机涡轮增压技术 1 汽油机涡轮增压技术的优点 汽油机采用增压后的主要优点表现在： （1）升功率有大幅度提高。例如美国福特公司的 2. 3l汽油机，增压后重量比功 率由自然吸气的 0.4kwkg增加到 0.5kwkg，最大功率由 75kw4800rmin 上升 到 104kw5500rmin，升功率由 32.8kwl 增加到 44.7kwl18。采用增压，能 大幅度提高汽油机的升功率，增加功率的扭矩，除了补偿因采用 egr 和三元催化差 排放污染而损失的功率外，还有较大多余的提升功率的部分。因此可以用较小排量的 增压机型代替较大排量的非增压型，来减轻发动机自重，缩小体积，从而扩大了汽车 的载运空间和载运量。 （2）燃油经济性显著提高。采用增压技术后，进气充量增大，燃烧完善。例如 cra- 10b汽油机经过增压后，油耗下降了 11%19 。 （3）污染排放降低，噪声降低。当采用增压技术后，由于燃烧充分，hc 和颗粒 物的排放有大幅度下降，nox 有小幅度升高，如果采用 egr技术可以达到降低 nox 排放的目的。 （4）高原适应性好。涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较好的适应力。试验 表明，海拔每上升 1000m 时，大气含氧量下降 11%12%， 因此功率和扭矩会下降 11%12%，比油耗增加 8.9%19。一般海拔 30004000m 的高原地区可以通过涡轮增 压恢复原机的功率。因此涡轮增压除了用于提高发动机功率外，还可用于恢复高原发 动机功率。 （5）汽油机增压度一般不高，因此增压后可以不改变原发动机主要部件。 2 车用发动机涡轮增压技术的国内外发展状况 （1） 国外车用发动机涡轮增压技术发展状况 早在 1905 年，瑞士的 alfred.i buchi20博士就对涡轮机驱动压缩机这一装置申请 了专利，并于 1909- 1912 年设计开发了世界上第一台废气驱动的轴流式涡轮增压器， 在 1915 年发明了第一台涡轮增压柴油机。但由于不能获得足够的压缩空气压力，这 一创新并没有得到认可和重视。 涡轮增压技术20的实际应用最先在第一次世界大战期间的航空发动机取得了一 定的成功。随后在 20 世纪 30- 40 年代的欧洲和美国，涡轮增压技术进入了迅速发展和 广泛应用的阶段。 20 世纪 40 年代末 50 年代初盖瑞特 （garrettt） 公司开始从事 20- 90ps （1567kw）的小功率引擎的涡轮增压器的研究，并取得了成功。盖瑞特公司开发出 良好的涡轮增压器壳体的铸造技术、 高速密封技术、 径流式涡轮和离心式压缩机技术。 9 1954 年盖瑞特公司成立了空气学工业研发部 （air- research industrial division） 一也就 是后来的盖瑞特引擎公司（ garrctt auto- motivc，专门设计和生产涡轮增压器，这对 于现代涡轮引擎的产生和发展具有划时代意义。在这期间，小型涡轮增压器首先在赛 车上取得了惊人的成功， 涡轮增压器所提供的大功率、 大扭矩满足了人们当时的需求。 随后小型涡轮增压器大量应用于大型拖拉机、载重卡车和小型汽车上。时至今日，几 乎所有的卡车都搭载了涡轮增压器的引擎。 车用汽油机领域21，1962 美国 gm 公司就有增压汽油机问世，可是由于汽油机 存在爆震和运行范围窄等难题，使汽油机涡轮增压技术的应用受到了很大限制。20 世纪 70 年代以来世界上许多大公司和研究机构开展了车用汽油机增压的研究工作， 并取得了突破性的进展，可以说 20 世纪 70 年代是车用涡轮增压技术一个重要的转折 点。保时捷 911（带盖瑞特废气门的 kkk 涡轮增压器）轿车于 1975 年而世。1977 年 绅宝99通过一个带涡轮增压器的2.1l汽油发动机获得了与无涡轮增压的3.0l发动机 同样的性能，使更多的人认识和接受了涡轮增压技术。1980 年 bmw 公司在 745i 轿 车上装配了涡轮增压器。随后的奔驰推出了 300 turbo diesel 涡轮增压柴油发动机轿 车，其能为驾车者提供最大的燃油经济性和驾驶性。别克公司接着宣布 1978 年的别 克君威和利蒙斯运动型双门跑车配置涡轮引擎。在近 20 年里，汽车生产厂家不断开 发出具有涡轮增压技术的小型轿车。2007 年 bmw 公司22在 335i 轿车上装配了最新 一代涡轮增压发动机 bmw n54b30，它集双涡轮增压，缸内直喷等技术，仅仅凭借 3 升的排量，就能发出 400nm的最大扭矩，286kw 的最大功率，升功率达到 95kw l。 （2） 国内发动机涡轮增压技术发展状况 我国早在 60 年代23国内就有不少单位从事汽油机涡轮增压技术的研究工作，并 在 cra- 10b、dg261100- 12 等机型上取得了成功。80 年代以来，清华大学、西安交 通大学23等相继对 492q 汽油机进行增压研究，北京理工大学24开展了 491q 汽油机 增压的研究工作， 限于当时的技术手段， 没有很好的解决好增压爆震和热负荷的问题， 没有实现批量生产。90 年代末以来，随着技术水平的日益提高，国内一些企业开始推 出轿车增压汽油机产品，例如安徽奇瑞汽车有限公司25与 avl 合作研发了 2.0tci （turbocharger interal cooling） 、2.0gdi，一汽轿车股份有限公司26也设计了 1.8t （1.8l turbocharger engine）发动机,并在速腾、迈腾、宝来上装车使用，上海大众汽 车股份有限公司27在自主车型荣威 1.8t 上也取得了巨大的成功，东安发动机有限公 司研发出了 da465 的涡轮增压机型28。但从技术水平来看，我国的汽油机增压技术 与国外还存在较大差距。随着国际化竞争的日益激烈，加强引进，吸收，创新，必将 10 会推动我国汽油机增压技术的向前发展。 3 汽油机增压关键技术 与柴油机增压相比，汽油机增压存在以下障碍：容易发生爆震，热负荷大，匹配 困难等29。 汽油机增压的关键技术包括对爆震、热负荷和增压压力的控制30。 涡轮增压汽油机爆震的控制，控制爆震是汽油机增压成功最为关键的技术。引起 爆震的原因有以下两种：一是由于压缩终点温度过高，是混和气在火花塞点火之前达 到燃点而自燃；二是在燃烧室内，混和气在火焰末端到达前达到燃点，发生自燃。因 此控制爆震有降低压缩终点混和气温度和缩短火焰传播长度两种途径。常用的控制爆 震的方法有以下三种： （1）降低压缩比 降低压缩比即降低了汽油机压缩终点混和气的温度，从而达到控制爆震的目的， 但是将低压缩比会导致膨胀功减小，废气余量增加，热效率降低。图 1.230是根据理 想气体状态方程，在理论空燃比下，理想汽油机循环的热效率与压缩比的关系。可以 看出压缩比从 10：1 下降 25%，热效率会下降 10%。 024681012 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 效率 压缩比 图 1.2 理想循环汽油机效率随压缩比变化曲线 在低中增压比汽油机中，在不采用其他抗爆震的措施时，压缩比应相应减小 2。 （2）推迟点火定时 推迟点火定时，使缸内末端混和气燃烧推迟到远离活塞（tdc）上死点处，使可 能发生爆震时间的气体容积增大，达到了降低压缩比的目的。推迟点火，缩短了发动 机有效膨胀行程，降低了热效率，但与降低压缩比相比，它是一种更为灵活可行的措 施，因为可以通过控制手段，使只在增压压力高到足以诱发爆震时才推迟点火。 （3）进气中冷 11 进气中冷可以有效的降低压气机后气体温度，这是高增压、超高增压发动机必须 要采用的技术。采用进气中冷的优点是可以采用最佳的喷油正时，使汽油机在高速高 负荷时有较好的经济性和动力性，有效的降低热负荷，延长发动机的使用寿命。 56789101112 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 增压压力 （m p a ) 压缩比 有中冷器时增压压力与压缩比的关系 无中冷器时增压压力与压缩比的关系 有中冷器时易发爆震点 无中冷器时易发爆震点 图 1.3 增压压力与压缩比的关系曲线 图 1.520显示了压缩比与增压度的关系，从图中可以看出当发动机无中冷器时发 动机压缩比为 6，增压压力为 0.15mpa 时就会引发爆震，而当发动机有中冷器时发动 机压缩比为 8，增压压力为 0.18mpa 时才会引发爆震。显然增压中冷是控制爆震有效 的措施之一。 由于汽车内空间有限，汽油机增压压力也不高，因此对采用涡轮增压的汽油机必 须要求中冷器有较高的效率。 涡轮增压汽油机热负荷的控制，妨碍汽油机涡轮增压技术发展的另外一个重要问 题就是热负荷过大，特别是作为衡量发动机热负荷标志的排气温度。发动机增压后， 整机温度一般比增压前高几十度甚至上百度，这就使发动机热负荷大大增加，同时增 大了产生爆震的趋势。这样对发动机材料、可靠性等提出了较高的要求。 目前，一般将控制爆震和降低热负荷综合考虑，采用进气中冷的方法。 增压压力的控制，汽油机增压后进气温度和进气压力都有增加，这就使压缩终点 附近的温度过大，爆震倾向加大。增压压力的增大也会导致过量空气系数增大，当过 量空气系数在一定范围内增大时可以改善燃烧，但是如果增压压力过大，会导致中低 速燃烧恶化，爆震趋势加剧。研究表明引起爆震的诸多因素当中，增压压力的影响最 大，因此必须对增压压力进行精确控制。 目前对增压压力的控制方法较多，主要有以下几种29： （1）采用 vgt（varible geometry turbocharger可变几何涡轮增压器）技术。这 种方法的实质是通过控制涡轮进口废气压力来控制涡轮增压器转速，从而达到控制增 12 压压力的目的。改变涡轮进口的喷嘴角度，既能改变涡轮的有效面积，改变涡轮能量 利用度，也能改变效率曲线。这种方法的缺点是结构复杂，成本较高，在车用汽油机 上利用不高。 （2）利用排气节流控制增压压力。在涡轮出口的流道上设置收缩段或者安装排 气消声器都可以达到节流的目的。发动机高速时，质量流量增大，通过节流装置的压 降增大，提高了涡轮的背压，降低了有效膨胀比，有效地控制了增压压力。这种方法 的优点是结构简单可靠，缺点是增压器效率会降低，排气背压升高，排气温度增大， 热负荷加剧，经济性较差。 （3）利用进气节流控制增压压力。通过在发动机进气管的某一段设置节流阀， 通过节流控制进气压力，达到控制增压压力、获得需要的扭矩特性、控制爆震的目的。 当转速升高，进气量增大，节流效果会较明显。这能满足汽油机大负荷、高转速的需 求。这种方法的缺点是能量损失较大，经济性差。 （4）利用电控排气放气阀控制增压压力。排气放气阀的控制比较简单，可利用 涡轮的增压压力或者排气管内的压力来控制阀的开度。它不仅能控制增压压力，而且 不是全部废气都通过涡轮，这样就能使用较小的涡轮增压器。小涡轮增压器转动惯性 小，不会造成进排气响应滞后，有利于改善增压汽油机的响应特性。由于电控排气放 气阀与其控制装置安装在排气通道内，或者靠近排气通道的区域，温度较高，工作条 件恶劣，所以对排气放气阀门、弹性元件、控制线路的材料、结构、制造、安装都提 出了很高的要求。 由于电控排气放气阀突出的优点，文中对发动机进行增压匹配时均选用带排气放 气阀的涡轮增压器。 国外相关许多学者3132指出，在汽油机领域，新技术的配合使用将会使汽油机飞 速发展，更有学者指出 gdi，tci 与外部 egr 结合使用将会使汽油机的经济性与现 有的 hsdi （high- speed direct injection ） 高压喷射柴油机相当； 动力性有大幅度提升， 甚至提出对于 gditci 的发动机 bmep 能达到 3.5mpa，升功率达到 150kw；co2的 排放降低到与当前柴油机相当水平，如果结合 egr 使用 nox有望降低 90%。 1.3 发动机工作过程模拟发展状况 在上世纪 60 年代中期19以前， 对内燃机工作过程的计算基本上建立在理论循环 的基础上，对实际的工作过程作了很大的简化，因而计算较粗糙，计算结果的精确性 在很大程度上依赖于经验数据的选取。70 年代后，电子计算机的迅速发展使对内燃机 的工作过程模拟计算接近实际的工作过程，大大的促进了内燃机理论和设计发展。目 13 前，内燃机工作过程的数值模拟己成为研究和开发内燃机的一种有效方法。 所谓内燃机工作过程数值计算，就是从内燃机各系统的物理模型出发，用微分 方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，然后编制计算程序，用数学方法求解微 分方程，以求得气缸内各参数随时间（或曲轴转角）的变化规律。计算中考虑到气缸 内的热力过程、传热过程、燃气性质、气体流动、废气涡轮增压器的特性及其与发动 机的匹配等问题，所以计算结果比较符合实际情况。目前，工作过程数值模拟在以下 几个方面获得了实际应用： （1）预测发动机的性能，进行多方案的比较，以获得最佳的设计方案。性能预 测主要包括：发动机的标定工况性能，部分工况的运行特性，增压发动机的瞬态特性 （变负荷时的响应特性） ，环境改变时发动机的性能，以及有害排放物（nox， hc， co 等）的预测等。 （2）设计参数的优化。参数优化主要包括：结构参数（如压缩比、配气定时、 排气管的尺寸布置等） 、热力学参数 （如增压器增压压力、中冷器出口的空气温度 和排气背压等）以及运转参数（如发动机转速、负荷、冷却水温度和活塞冷却油温等） 对发动机性能的影响，并通过优化寻求最佳值。 （3）代替部分试验开发。利用实际工作过程的数值模拟计算，可以计算得出试 验中大部分性能参数，指明参数调整方向，从而减少实验工作量，缩短开发周期，降 低发动机研发成本。 随着软件技术的发展和发动机理论的不断完善，出现了众多发动机工作过程数 值模拟的商业软件，比如 gt- power， boost，wave等。这些商业软件的出现大 大减少了研究人员的工作量，避免了繁琐的编程，有效的提高了工作过程数值模拟的 效率。 当然，数值模拟也不是万能的，内燃机数值模拟还在不断发展和完善中，计算 的精确性还有赖于边界条件的恰当取定。而这些边界条件是由试验来确定的。因此， 试验工作是数值模拟的前提和基础，在没有实验的或者实验数据不准确的情况下，完 全依靠计算也是不可取的。 1.3.1 发动机缸内工作过程模拟状况19 发动机缸内工作过程极其复杂，是三维流场和温度场等场的叠加，如何描述发动 机缸内工作过程，是发动机研究的热点之一。 发动机的缸内工作过程主要是研究燃烧过程，考虑工程实际，燃烧模拟常在简 化的基础上进行。从简化程度来划分有:零维模型、准维模型、一维模型和多维模型。 14 零维模型又称为热力学模型，用于分析燃烧室内宏观参数和现象随时间而变化的规 律，该模型以时间作为唯一变量，并假定系统边界内各点参量完全相同。由于零维模 型的放热率来源于实验结果，故在实验范围内，能较好地预测发动机的性能指标。这 一方法简单、省时，所以长期以来一直得以利用，但零维模型无法反映流场、燃烧室 形状、进排气管形状对发动机性能的影响，对燃烧现象的实质不能提供更多的信息， 也不能预测排放，有很大的局限性，因而目前主要用于缸内过程的计算。准维模型是 按照发动机的各个不同的工作过程把燃烧室分划为几个区域，在不同区域内考虑性质 不同的物理过程， 视每个区域内的物理参数是均匀的， 与空间坐标无关。 其中的 b- k- t 模型应用最为广泛。一维燃烧模型可以看作多维模型的一个特例，模型中的物理量是 时间和某一坐标的函数。最早的一维汽油机燃烧模型是 sirignano 提出的，它采用了 轴向坐标方式，即以其缸轴心线为坐标轴。由于一维模型是介于准维和多维模型之间 的过渡