（动力机械及工程专业论文）小排量汽油机涡轮增压技术研究.pdf

小排量汽油机涡轮增压技术研究 摘要 本文围绕小排量汽油机涡轮增压技术展开研究。完成了l j 4 6 5 q ( 自然 吸气式汽油机) 涡轮增压改造，并对该增压汽油机进行性能试验，结果表 明：采用涡轮增压技术可大幅提升汽油机的动力性，同时改善其经济性。 l j 4 6 5 q 增压后功率、扭矩的提升幅度分别为3 0 和4 0 ，燃油消耗率下降 6 5 。 对l j 4 6 5 q z 在不同进气压力时的动力性、经济性、燃烧特性及排放特性 进行研究，结果表明：随进气压力的增大，发动机的平均指示压力和输出 功率同步增大，平均指示压力与进气压力线性相关；燃油消耗率随进气压 力变化的规律较非增压时未有太大改变；发动机的放热率、缸内压力和压 力升高率随进气压力的增大而增大，当发动机负荷接近全负荷时，放热率、 缸内压力、压力升高率都随进气压力的增大而显著增大；随进气压力的增 大，c o 、h c 排放浓度先减少后增多，n o x 排放浓度先增多后减少。 分析进气压力、转速及点火提前角对l j 4 6 5 q z 燃烧循环变动的影响， 结果表明：同一转速下，随进气压力的增大，平均指示压力和最高爆发压 力的变动系数减小；同一进气压力下，随转速的增大，平均指示压力、最 高爆发压力的变动系数增大；随点火角的增大，平均指示压力和最高爆发 压力的变动系数都减小。 最后，建立l j 4 6 5 q z 的b o o s t 模型。应用b o o s t 软件进行模拟计算 时，燃烧参数( v i b e 参数) 、摩擦功、气门升程和气道流量系数的设置是模 型建立时的关键边界条件，其对计算结果可靠性起决定作用。通过对外特 性、空气质量流量及示功图的模拟值与试验值的对比，可以了解发动机模 型的性能、气道内气体流动及缸内燃烧情况，误差小于5 ，该模型基本准 确可靠。 关键词：小排量汽油机增压进气压力性能排放循环变动 b o o s t g a s o l i n ee n g i n eo fs m a l l d i s p l a c e m e n t t u r b o s u p e r c h a r g i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h a b s t r a c t t h i st e x tr e s e a r c ht h e g a s o l i n ee n g i n e o fs m a l l d i s p l a c e m e n t t u r b o s u p e r c h a r g i n gt e c h n o l o g y t r a n s f o r ml j 4 6 5 q ( n o r m a l l ya s p i r a t e de n g i n e ) t o t u r b o s u p e r c h a r g i n ge n g i n e ，t h e n t h r o u g h t e s tr e s e a r c ht h e t u r b o s u p e r c h a r g i n ge n g i n e sp e r f o r m a n c e ， r e s u l t ss h o w e d t h a t ： t u r b o s u p e r c h a r g i n gt e c h n o l o g yc a ne l e v a t et h ee n g i n e sp o w e rp e r f o r m a n c e s u b s t a n t i a l l y , a n d c u td o w ns p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o ne f f e c t i v e u s et h e t u r b o s u p e r c h a r g i n g ，t h ee n g i n e sp o w e r 、t o r q u e e l e v a t e3 0p e r c e n t sa n d4 0 p e r c e n t ss e p a r a t e l y , t h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n d e c l i n e6 5p e r c e n t r e s e a r c hl j 4 6 5q ze n g i n e sp o w e rp e r f o r m a n c e 、e c o n o m i c a l 、c o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n de m i s s i o np e r f o r m a n c e ，r e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i t h i n t a k e p r e s s u r ei n c r e a s i n g ，e n g i n e sm e a ni n d i c a t e dp r e s s u r e ( m i p ) a n do u t p u tp o w e r r a i s e ，t h em i pa n di n t a k ep r e s s u r e l i n e a r c o r r e l a t i o n ；t h es p e c i f i c f u e l c o n s u m p t i o n sv a r i a n c er u l eh a v en oal o to fc h a n g ec o m p a r ew i t hn o r m a l l y a s p i r a t e de n g i n e ；w i t ht h ei n t a k ep r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h eh e a t r e l e a s er a t e 、 c y l i n d e ri n s i d ep r e s s u r ea n dt h e r a t eo fp r e s s u r er i s eh e i g h t e n ，w h e nc l o s et ot h e f u l ll o a d ，t h eh e a tr e l e a s er a t e 、c y l i n d e ri n s i d ep r e s s u r ea n dt h er a t eo fp r e s s u r e r i s eh e i g h t e nr e m a r k a b l e ；w i t hi n t a k ep r e s s u r ei n c r e a s i n g ，c o 、h cc o n c e n t r a t i o n o fe m i s s i o nf i r s td e c r e a s ea n dt h e ni n c r e a s e ，n o xc o n c e n t r a t i o no fe m i s s i o nf i r s t i n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e r e s e a r c hi n t a k ep r e s s u r e 、e n g i n es p e e da n di g n i t i o na d v a n c ea n g l ea f f e c t c o m b u s t i o nc y c l i c a lf l u c t u a t i o n s ，r e s u l t ss h o w e st h a t ：i nt h es a m ee n g i n es p e e d ， w i t hi n t a k ep r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h em i pa n dm a x i m u me x p l o s i v ep r e s s u r e s c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o nd i m i n i s h ；i nt h es a m ei n t a k ep r e s s u r e ，w i t he n g i n es p e e d i n c r e a s i n g ，t h em i pa n dm a x i m u me x p l o s i v ep r e s s u r e sc o e f f i c i e n to f v a r i a t i o n m a g n i f y ；w i t hi g n i t i o na d v a n c ea n g l ei n c r e a s i n g ，t h ec o e f f i c i e n to f v a r i a t i o no f m i pa n dm a x i m u m e x p l o s i v ep r e s s u r ed i m i n i s h f i n a l l y , f o u n dl j 4 6 5 q zb o o s tm o d e l u s e b o o s ts o f t w a r et oa n a l o g c o m p u t a t i o n ，c o m b u s t i o np a r a m e t e r ( v i b ep a r a m e t e r ) 、f r i c t i o n a lw o r k 、v a l v e l i f t a n da i rf l u ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n ta r ek e yb o u n d a r yc o n d i t i o n ，w h i c hd e c i d e r e l i a b l eo fr e s u l t c o m p a r es i m u l a t ed a t aa n dt e s td a t ao fe x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c 、 a i rm a s sf l o wa n di n d i c a t o rd i a g r a m ，c a na c q u a i n t a n c ee n g i n e sp e r f o r m a n c e 、 g a sf l o wa n di n s i d ec y l i n d e rc o m b u s t i o nc o n d i t i o n ，e r r o rl e s s - t h a n5p e r c e n t s ， t h em o d e la c c u r a t eb a s i c a l l y k e yw o r d s ：s m a l ld i s p l a c e m e n t ；g a s o l i n ee n g i n e ；t u r b o s u p e r c h a r g i n g ； i n t a k ep r e s s u r e ；p e r f o r m a n c e ；e m i s s i o n ；c y c l i c a lf l u c t u a t i o n s ；b o o s t i v 主要符号表 物理量代号及名称单位 b 燃油消耗量 k g h b e - _ 有效燃油消耗率 g ( k w h ) b 广一指示燃油消耗率g ( k w h ) i 气缸数 l o 化学计量空燃比 n 一发动机转速 r m i n p 广有效功率k w p f 一指示功率 k w p l _ 于 功率 k f 钐z r 压力 p 广环境压力 k p a p b _ 一增压压力 m 口a p r - 进气压力 k p a p m 。一平均有效压力 中a p m 广平均指示压力 口a q 证一质量流量 k g s r 空气气体常数j ，( k g k ) 卜充入气缸内气体的温度 k t q 一放热率k j m 3 ( 。c a ) t r - 一排气温度 t r l 涡轮机前排气温度 涡轮机后排气温度 t l a 转矩 n m v ，气缸工作容积 l l 。广有效热效率 qi ；指示热效率 v l l t 1 m _ 机械效率 0j 厂点火提前角 。c a n 广增压比 卜过量空气系数 r 充量系数 咖曲轴转角。c a ps 进气密度 k g m 3 小排量汽油机涡轮增压技术研究 第一章绪论 1 1 引言 内燃机经历了一个多世纪的发展，已经成为技术成熟、性能优良的热能动力机械， 被广泛应用于国民经济的各个领域。然而，越来越严重的石油资源短缺，人类生存环境 的不断恶化以及新型动力机械( 例如燃料电池等) 的竞争，对内燃机各方面的性能( 包 括动力性、经济性、排放性、噪声水平及操纵性等) 提出了更高的要求【1 1 。一台高性能 的内燃机，必须具备比质量小、比功率大、燃油消耗率低、排放污染小、工作可靠、使 用寿命长和操纵方便等特性【2 1 。对内燃机工作过程的研究可知，提高内燃机功率主要有 以下途径【2 】： ( 1 ) 改变结构参数：增大气缸直径、增大活塞行程、增加气缸数等 ( 2 ) 改变运行参数：提高发动机转速，等等 ( 3 ) 优化工作过程：提高充气效率、优化空燃比、改善燃烧过程、提高热效率、 采用二冲程等 ( 4 ) 提高机械效率：减少摩擦损失，合理设计风扇、水泵、机油泵等 以上一系列措施中，有的相互促进，有的相互制约，而增压技术的出现，是内燃机 发展的一个飞跃。为了提高平均有效压力，改善发动机性能，各种型式的增压系统不断 出现，其中以涡轮增压系统的应用最为出色，涡轮增压器的设计、加工和匹配技术日臻 完善1 3 1 。通过涡轮增压，可以增大进气充量密度，提高平均指示压力，提高发动机功率， 还可以提升热效率，改善经济性，减少有害排放物，降低噪声等【2 】。 1 2 汽油机涡轮增压技术及国内外研究状况 汽油机在国民经济建设中有着极其重要的地位，但其燃油消耗率高，排放中的h c 、 c o 、n o 。等有害物对大气污染严重。我国地形复杂，海拔在1 千米以上的高原占全国 总面积的6 0 以上，研究表明：海拔每上升l 千米，大气压下降1 0 左右，发动机的进 气量减少1 0 1 1 ，功率下降1 2 0 o , - , 1 3 ，燃油消耗率提高9 1 l ，可见高原恢复功 率十分必要1 2 1 。通过增压技术，可以提高汽油机的功率、节约能耗、净化排气、增强高 原恢复功率的能力，有着重要的经济意义和社会意义【4 1 。 广西大掌司n b 掌位论文小排4 1 - 汽油机涡轮增压技术研究 1 2 1 汽油机涡轮增压技术概述 内燃机增压方式按空气被压缩的方式不同，可分为机械增压、气波增压、排气涡轮 增压和复合增压四种类型。柴油机增压技术己比较成熟，而汽油机增压技术却发展缓慢， 主要原因如下： ( 1 ) 汽油机速度范围宽广，扭矩储备系数大，工况变化频繁，导致增压器与汽油 机的匹配困难； ( 2 ) 汽油机的空燃比小，工作温度高，增压后热负荷突出： ( 3 ) 增压后，进气温度一般要比非增压时高3 0 6 0 。c ，加速了混合气焰前反应，汽 油机爆震倾向加剧1 5 1 。 不过，汽油机增压( 特别是废气涡轮增压) 已日益引起人们的重视，原因如下： ( 1 ) 增压可大幅提升汽油机的动力性。增压后，汽油机的功率和扭矩可提升 3 0 5 0 ： ( 2 ) 增压可改善经济性。增压可改善燃烧，提高机械效率，使汽油机的经济性能 得到改善； ( 3 ) 增压可改善排放指标。多数试验证明：汽油机增压后，一氧化碳和碳氢化合 物的排放水平下降f 6 。 1 2 2 国内外研究状况 1 9 1 0 年，梅里伟拉研制成首台机械增压航空汽油机( - - 冲程旋转式) ，其在5 千米 高空仍能保持地面功率；一战期间，多数航空发动机厂家着力于研究机械增压汽油机， 使其达到较先进的水平；1 9 2 1 年，首次在汽车比赛中引入装有压气机的汽油机，然而汽 油机只能在时速不太高时使用压气机，这样可以防止缸内爆震。 汽油机涡轮增压第一次被使用是在1 9 1 7 年，但试验未成功。到了1 9 3 9 年，首台涡 轮增压式二冲程汽油机进行试飞试验，由于增压器过于笨重、且效率太低，汽油机涡轮 增压还是未能实现。1 9 5 2 年，在美国的一次赛车比赛中，装有涡轮增压器的赛车以 2 2 0 k m h 的速度，夺得了第一名。此后，赛车汽油机的涡轮增压技术被广泛研究，且技 术日臻完善，赛车会上的冠军几乎都被涡轮增压式汽油机夺得。 1 9 5 8 年，艾里萨奇公司( 美国) 开始对车用汽油机涡轮增压技术进行研究，于1 9 6 3 年在“雷鸟 车( 排量为5 3 9 l ) 上成功安装了涡轮增压器，车子的性能良好。同年， 通用公司( 美国) 生产了一批装有涡轮增压汽油机的小轿车( 排量为3 5 2 l ) 。然而，由 于汽油机增压后，热负荷增大，爆震倾向加剧，而防爆技术不给力，涡轮增压汽油机几 2 小排量汽油枫隅轮增压技术研究 近停产。 到了2 0 世纪7 0 年代初期，石油资源危机加剧，发动机排放污染严重，在节能和环 保的促使下，汽油机增压技术又被重视起来。随着电子技术的发展，增压汽油机爆震得 到了一定的控制。1 9 7 3 年后，多家汽车公司生产的小轿车都搭载有涡轮增压汽油机，涡 轮增压器与双腔化油器搭配使用，功率可提升5 0 以上。8 0 年代中期，通用公司生产 的轿车中，有3 0 配备了增压汽油机。 近年来，随着电子控制技术的发展，车用汽油机的性能有了较大的飞跃，各国的发 展趋势相同。比如日本，汽油机增压后，最大平均有效压力由原来的1 5 m p a 变成2 0 m p a ， 提高幅度达3 0 ；最大升功率由原来的7 0 k w l 发展到9 0 k w l ，提高了2 8 t 2 1 。涡轮 增压与缸内直喷技术的配合使用，成为汽油机发展的一个里程碑。 我国幅员辽阔，海拔在1 千米以上的高原占了全国总面积的6 0 以上，我国的汽车 保有量中汽油车约占一半，这促使了国内汽油机增压技术的研究。我国对汽油机增压技 术的探索与世界同步：1 9 5 6 年长春汽车研究所便对吉斯1 5 0 型汽车发动机进行机械增 压试验；为解决高海拔地区功率下降问题，1 9 7 0 年重庆公路科学研究室对解放c a 1 0 b 型汽油机进行涡轮增压技术探索，取得了较好的成果【3 】；经过近3 0 年的努力，1 9 9 8 年 以来，国内的汽车制造厂也开始使用t u r b o 技术，其中以大众汽车的增压技术较为领先， 比如a u d i a 6 1 8 t ，b o r a l 8 t ，p a s s a t b 5 1 8 t 等。涡轮增压汽油机的推广具有重要的现 实意义。 1 3 发动机模拟技术概述 模拟就是用一个能代表所研究对象的模型去进行试验或计算，以预测或估算真实对 象的性能阴。发动机模拟计算就是用计算机来对发动机的热力过程、气流过程和各循环 工作过程等进行模拟计算，以预测发动机性能及其变化规律。发动机模拟技术在汽车企 业、高校研发等众多领域都有十分广泛的应用。在发动机性能研究领域，计算机模拟技 术主要应用予以下方面： ( 1 ) 热力过程数值模拟：通过对发动机热力循环各过程的热力学、流体动力学等 物理过程进行数学建模，然后进行计算机仿真计算，可求得各相关参数随时间变化的规 律，为分析和优化热力循环的性能提供基础信息； ( 2 ) 瞬态特性的模拟：对发动机的动态特性进行研究，提高其运转性能； ( 3 ) 流动过程、燃烧过程的模拟：对混合、湍流、燃烧的多维模拟，改善发动机 小排量汽油机涡轮增压技术研究 的动力性、经济性和排放性【l j 。 按功能不同可以把发动机模拟软件分作3 类： ( 1 ) 发动机性能仿真软件，主要用于对发动机的动力性、经济性、燃烧和排放性 进行分析，对进气系统、气门升程曲线、配气正时、e g r 及涡轮增压器匹配等进行优化 设计，具有代表性的软件是g t - p o w e r 和b o o s t ； ( 2 ) 计算流体力学软件( c f d ) ，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和 化学反应研究的核心软件，内燃机领域常用的c f d 软件有：f l u e n t 、f i r e 和 f l o w m a s t e r 等； ( 3 ) 发动机与整车匹配软件，可实现对复杂车辆动力传动系统、发动机的瞬态特 性和车辆热管理系统等的仿真分析，如c r u i s e 、g t - d i 州e 等。 从内燃机工作循环模拟计算的发展来看，a v l b o o s t 软件越来越被国内企业和高 校认可。a v l b o o s t 已成为发动机基础开发过程中的一个重要工具【踟。发动机的不同 部件在b o o s t 软件中都集成有相应的模块，将各模块添加到建模区域，用管道把相应 模块连接成与实体发动机相同的模型，然后输入参数，就可以对发动机进行仿真计算了。 1 4 本课题研究的意义及主要内容 1 4 1 课题研究的意义 当今社会共同面临着石油资源日益匮乏和环境污染越发严重的两大难题。汽油机是 汽车及轻型载重车的主要动力源，消耗大量石油资源的同时，也给环境污染造成很大压 力，这就要求汽油机要进一步改善其动力性、经济性和排放性。如前所述，汽油机增压 技术对改善汽油机各方面性能都起到良好的作用。本课题对l j 4 6 5 q 自然吸气式汽油机 进行涡轮增压改造，研究增压对小排量汽油机各方面性能的影响。 1 4 。2 主要研究内容 汽油机增压后，压缩终了的混合气温度、压力升高，同时燃烧室受热零部件热负荷 增大，促使爆燃的发生。为了能顺利应用涡轮增压器，必须采用降低压缩比、推迟点火 时刻、冷却进气等措施，以控制爆燃的发生【9 】。增压后，汽油机整机温度上升，热负荷 显著增大，易造成冷却水“开锅”、润滑油氧化失效、排气管垫片裂损等现象，一般采 用涡轮前放气的措施来抑制增压压力过度增长，达到抑制爆震、降低热负荷的效果。 本课题以l j 4 6 5 q 汽油机为研究对象，主要完成以下工作内容： ( 1 ) 根据增压汽油机的设计参数选配好增压器，将l j 4 6 5 q 自然吸气式汽油机改造 4 广西大学硕士学位论文 小排量汽油机涡轮增压技术研究 成涡轮增压汽油机，完成进、排气管改造，电控模块标定等工作； ( 2 ) 完成l j 4 6 5 q z 的外特性和万有特性试验，分析l j 4 6 5 q z7 的动力性能、经济性 能和排放性能； ( 3 ) 研究l j 4 6 5 q z 动力性能、经济性能、燃烧特性及排放特性随进气压力的变化， 分析进气压力对小排量增压汽油机性能和排放的影响规律； ( 4 ) 研究进气压力、转速和点火提前角三个因素对发动机平均指示压力和最高爆 发压力循环变动的影响； ( 5 ) 利用a v l b o o s t 软件，完成l j 4 6 5 q z 虚拟样机的搭建，对l j 4 6 5 q z 进行模 拟计算。 广西大掌硕士掌位论文 小排量汽油机涡轮增压技术研究 第二章l j 4 6 5 q 汽油机增压改造及性能试验 本文研究的对象是l j 4 6 5 q 汽油机，要将其从自然吸气式改造成废气涡轮增压式。 首先对涡轮增压器进行选配计算，获得满足改装要求的增压器；然后对汽油机进行增压 改造，目的是了解改造过程中常见的问题及解决方法；最后通过台架试验，获得, l , t - t 量 汽油机增压后性能的变化及其规律。 2 1 涡轮增压发动机原理 涡轮增压发动机的工作原理如图2 1 所示，它是将发动机排出的高温废气引入到涡 轮机，利用废气所带有的能量推动涡轮机叶轮旋转，涡轮机叶轮带动与其同轴安装的压 气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内被压缩后进入发动机气缸【10 1 。发动机增压技术的优 势有很多，主要体现在：提升发动机的升功率、比质量功率、比体积功率及高原恢复功 率，提高发动机的燃油经济性，降低有害气体的排放和发动机噪声水平等。但同时也要 付出一定的代价，如：低速时转矩增加不多，且在发动机工况发生变化时，瞬态响应差， 致使汽车加速性，特别是低速加速性能较差j 。 节气门 图2 - 1 涡轮增压系统示意图 f i 9 2 1t u r b i n es u p e r c h a r g es y s t e md i a g r a m 器 从图2 1 j 以看剑，在压气机和发动机进7e 歧管之问加装有中冷器，目的是冷却进 小排量汽油机涡轮增压技术研究 气，提高进气密度，提高充量系数，提升发动机的动力性，同时也有利于减弱燃烧爆震 趋势。 2 。2 增压器的选配计算 l j 4 6 5 q 原机的主要技术参数如表2 1 所示。 表2 - 1l j 4 6 5 0 原机主要技术参数 t a b l e 2 1t h ep l a n el j 4 6 5 qm a i n l yt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 名称技术参数 发动机型式 气缸数 缸径活塞行程 总排量 压缩比 标定功率转速 最大扭矩转速 怠速 燃油消耗率 净质量 四冲程、直列斜置、多球型燃烧室、电控汽油喷射、电控点火 4 6 5 5 m m 7 8 m m 1 0 5 1 l 9 0 - 1 3 8 5 k w 5 2 0 0 r r a i n 8 3 n m 3 0 0 f f - - 3 5 0 0 r m i n 8 5 0 5 0 r m i n 2 7 5 9 k w h 1 2 8 8 k g 在选配涡轮增压器时，主要依据压气机的两个参数：空气流量和增压压力比。设定 l j 4 6 5 q 增压后：功率提升3 0 ( 即功率达到5 0 k w ) ，燃油消耗率下降5 ( 达到2 6 0 g ( k w h ) ) ，增压器的选配计算如下： ( 1 ) 增压后所需的空气质量流量q m f l 2 】： ”筹慧 kgs(2-1) 式中：b c _ _ 燃油消耗率，取2 6 0 9 ( k w h ) ； p r 有效功率，设计为5 0 k w ； 广保证燃油完全燃烧所需要的过量空气系数，为1 o ； 1 0 _ 一内燃机燃烧所需要的理论空气量，为1 4 8 k g k g 。 最后计算得：q m = 0 0 5 3 k g s ( 注：该结果忽略了扫气的影响，实际需要的空气流量 应稍大于该值) 。 ( 2 ) 压气机的增压压力比丌。 7 j - - - 西大掌硕士掌位论文小排量汽油机涡轮增压技术研究 先计算功率p 。= 5 0 k w 时发动机的平均有效压力p i n e ： 增压后的进气压力p b ： 3 0fp p 。2 艿产 = ! q 兰兰兰塑：i 15m p 日 1 0 5 2 0 0 。一p ，b 。矽。，。r 丁。 ( m p a )( 2 3 ) 1 1 6 矽，3 6 1 0 8 ( 2 - 2 ) 式中：。充量系数，与内燃机进气速率、气门开闭时刻、压缩比以及进气系统的 形状和表面粗糙度等因素有关，取0 9 2 。 r 空气气体常数，为2 8 7 14 j ( k g k ) 卜充入气缸内气体的温度，取3 3 3 k 。 带入数据，最后计算得：p b = 0 1 2 8 m p a ( 注：该结果忽略了进气管道损失和中冷器 阻力损失的影响，实际需要的进气压力应稍大于该值) ；压气机进口空气压力为大气压 力，即p 。= 0 1 m p a 。所以，压气机的增压压力比： 3 i 。= p t , p a = 0 12 8 0 1 = 1 2 8( 2 4 ) 通过以上计算得知：在忽略了扫气、进气管道阻力损失和中冷器阻力损失的情况下， 要达到目标功率，增压压比应为1 。2 8 ，实际需要的增压比应稍大于该值。所以，选配的 增压器压比应在1 3 以上，压气机允许的空气流量要大于0 0 5 3 k g s 。综合考虑，最后选 用i h i 公司生产的r h b 3 l 增压器。图2 2 展出了增压器的图片，表2 2 给出了增压器 的主要技术参数。 图2 - 2 增压器图片 f i g 2 2s u p e r c h a r g e rp i c t u e r 广西大学硕士学位论文 小排量汽油机涡轮增压技术研究 表2 - 2 增压器主要技术参数 t a b l e2 - 2s u p e r c h a r g e rm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 2 3l j 4 6 5 0 汽油机增压改造 l j 4 6 5 q 改造成增压汽油机，主要做的工作有两项：增压发动机的设计、改造和电 控模块( e c u ) 标定。 2 3 1 增压发动机设计及改造 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) ，主要完成进、排气系 统改造，增压器水路、油路的设计连接和水空中冷器的布置连接等工作。 、 排气管改造是整个增压改造过程的首要任务。排气管改造时，保持原机的排气歧管 不变，加装一段中间管，用来连接排气歧管出口和涡轮机入口。为了减少排气能量损失， 管径要尽量均匀过渡，中间管设计要尽可能的短，同时也要考虑传感器( 如标定用的氧 传感器、排气温度传感器等) 有足够的安装位置。由于此处的温度很高，紧固螺栓应选 用经过特殊处理的耐高温螺栓。 同样，进气系统的改造要注意压气机出口一中冷器一发动机进气口的连接要尽可能 的圆滑过度，尽量减少进气阻力损失，还要注意管路的密封良好。一般非增压汽油机进 气压力传感器的量程较小，不适合增压汽油机用，要留意更换。 图2 3 、图2 4 分别示出了l j 4 6 5 q z 排气部分的连接和进气中冷器的连接。 9 广西大掌硕士掌位论文小排- 1 1 - 汽油机涡轮增压技术研究 图2 - 3l j 4 6 5 q z 排气部分连接 图2 - 4l j 4 6 5 q z 进气中冷器连接 f i g 2 3l j 4 6 5 q ze x h a u s tc o n n e c t i o nf i g 2 4l j 4 6 5 q zi n t a k e i n t e r c o o l e rc o n n e c t i o n 增压器需要用机油来润滑和冷却，增压器的润滑系统可以和发动机润滑系统并联。 为保证增压器润滑良好，增压器的进油压力应大于0 3 m p a 。l j 4 6 5 q z 的增压器进油取 自发动机机体的主油道，如图2 5 所示。 图2 - 6 展示了增压器进、出水连接，增压器进水取自试验台架的外部循环水，而非 来自发动机内部的循环水，这有利于保证增压器良好的冷却。 图2 - 5 增压器进油连接 幽2 - 6 增压器进、出水连接 f i g 2 5s u p e r c h a r g e ro i lc o n n e c t i o n f i g 2 - 6s u p e r c h a r g e rc o o l i n gw a t e rc o n n e c t i o n 完成l j 4 6 5 q 增压改造后，进行预试验，但发动机燃烧不稳定，拆出火花塞发现， 第四缸火花塞被烧焦结，如图2 7 所示。分析原囚：增压后，发动机缸内燃烧温度较非 增压时高，原有的火花塞热值低( 为6 级) ，应更换高热值的冷型火花塞，更换后火花 塞等级为7 级，燃烧稳定可靠。 广西大掌硕士掌位论文 小排量汽油机涡轮增压技术研究 图2 - 7 火花塞更换 f i g 2 7c h a n g et h es p a r kp l u g s l j 4 6 5 q z 全貌如图2 8 所示。 2 3 2 电控模块的标定 图2 - 8l j 4 6 5 q z 全貌 f i g 2 - 8l j 4 6 5 q zp l a t f o r mp i c t u r e 增压发动机设计和改造好，能较稳定的运行后，就要对其电控模块( e c u ) 进行标 定。本研究采用自主开发的e c u ，e c u 标定系统为c a n a p e 软件平台。常规发动机台 架标定的主要内容包括：台架基础标定准备、充气温度标定、空气流量系数调整、充气 效率标定、点火特性标定、怠速基本点火角标定、空燃比特性标定、大气压力修诈标定 及外特性标定等。 图2 - 9 、2 1 0 分别为l j 4 6 5 q z 的充气效率标定和点火特性标定截图。 糍辨螭锋强器v 常。_，o 绷 。- - ，坫日目j 一i 一_ l i ，：! 憎1 7一哪- 一1 _ o 一_ 一 1 1 _ 州l c ! ：y - ：i 疆# 7 一叫ww _ h _ g d 61 h 巧l _ 量匹u f 1 l ! ：j 1 峻臣，- 一一曼羔。 1 i z , x “：1 1 i 简l 一h 口 榔i i 。+ 聋- - i 州t l - 。 a d - u - 哩w i 嘲t i 叫_ * - n q 日碰i m 嘲 m 一州 州* 翟! ：二二ij ：二= ： 广西大掌硕士掌位论文 小排量汽油机涡轮增压技术研究 图2 - i l 过量空气系数m a p 图 f i g 2 11e x c e s sa i rf a c t o rm a p 2 4l j 4 6 5 0 z 性能试验 o 毒 口 图2 - 1 2 点火提前角m a p 图 f i g 2 12i g n i t i o na d v a n c ea n g l em a p o x o 、口 0 一 通过性能试验，获得l j 4 6 5 q z 的外特性曲线和万有特性曲线，下面分别对其进行 研究。 试验用到的主要台架设备如表2 3 所示。 表2 - 3 试验主要仪器设备 t a b l e2 3t h em a i ne q u i p m e n t s 设备名称型号 生产厂 测功机 g w l 6 0 b 长沙湘仪动力测试仪器有限公司 测控系统 f c 2 0 0 0长沙湘仪动力测试仪器有限公司 冷热冲击控制仪 f c 2 4 2 2长沙湘仪动力测试仪器有限公司 机油温度调节装置 f c 2 4 3 0k 沙湘仪动力测试仪器有限公司 油耗仪 f c 2 2 1 0 z长沙湘仪动力测试仪器有限公司 排；气分析仪 a v l4 0 0 0a v l 发动机测试设备有限公司 燃烧分析仪d e w e 一8 0 0 d e w e t r o n 公刊 l 乜控标定系统c a n a p e v e c t o r 2 4 1l j 4 6 5 0 z 外特性 通过外特性试验，获得l j 4 6 5 q z 外特性数据如表2 4 所示( 根据( ( g b tl8 2 9 7 2 0 0 1 汽车发动机性能试验方法有关规定进行试验及修正) 。 1 2 小排量汽油机涡轮增压技术研究 表2 - 4l j 4 6 5 q z 外特性试验记录表 t a b l e2 - 4l j 4 6 5 q zp r o p e r t i e so u t s i d et h er e c o r ds h e e t 试验日期环境气压环境温度湿度发动机水温 2 0 10 - 9 - 2 79 9 8 k p a2 9 9 0 ，8 5 5 转速实测修正实测修正燃油消 涡前排修正进气进气 扭矩扭矩功率功率耗率气温度系数压力 温度 r m i nn m n mk wk w 9 7 k w h k p a 5 2 0 08 6 59 2 7 4 7 15 0 53 3 5 38 2 31 0 7 21 3 0 03 8 4 8 0 08 8 19 4 34 4 84 8 03 2 4 58 3 3 1 0 6 91 3 2 53 7 4 4 0 08 9 79 6 24 0 84 3 73 1 2 58 7 01 0 7 21 3 5 43 8 4 0 0 09 2 59 8 83 8 84 1 42 8 3 58 2 91 0 6 81 3 53 6 3 6 0 09 8 51 0 5 23 7 03 9 52 7 0 58 2 l1 0 6 81 3 3 83 6 3 2 0 0 1 0 01 0 6 6 3 3 83 6 02 6 8 77 9 9 1 0 6 5 1 3 5 2 3 5 2 8 0 01 0 8 81 1 5 73 1 83 3 82 6 5 17 5 91 0 6 31 3 73 4 2 4 0 01 0 3 71 1 0 32 5 92 7 62 6 2 57 1 01 0 6 31 3 1 23 4 2 0 0 01 0 3 31 l o 32 1 52 2 92 6 27 0 21 0 6 7 1 3 03 6 1 6 0 07 9 48 4 81 3 21 4 02 5 7 76 0 61 0 6 71 0 73 6 1 2 0 07 17 6 38 99 62 6 7 24 7 61 0 7 49 73 9 图2 1 3 给出了l j 4 6 5 q 和l j 4 6 5 q z 的外特性对比曲线，具体数据对比如表2 5 所示， 可见，增压后发动机的性能有较大幅度提升：功率、扭矩的提升幅度分别为3 0 和4 0 ， 燃油消耗率下降了6 5 ，达到预期目标。从图2 1 3 可以看出： ( 1 ) 从外特性扭矩曲线看，外特性扭矩随转速的增加逐渐增大，达到最大扭矩后 逐渐下降，且下降程度越来越大，曲线呈上凸形状。对比增压与原机的外特性扭矩曲线 发现：增压后，最大输出扭矩向低转速方向移动，且峰值扭矩平台宽广，这是由于增压 后未改动原机的配气相位，而充气效率峰值向低速方向转移所致。 ( 2 ) 对比增压与原机的外特性功率曲线发现：当发动机转速超过1 6 0 0 r m i n 时，增 压器开始介入，功率迅速提升。 ( 3 ) 燃油消耗率在某一中间转速当指示热效率x 机械效率达到最大值时，出现最 低值；当转速较此转速低时，由于机械效率上升弥补不了指示热效率的下降，使燃油消 耗率增加；转速较此转速高时，指示热效率、机械效率均较低，燃油消耗率增加较快【1 3 】。 d 啡量汽油机涡轮增压拇沭习 宅 对比增压与原机的燃油消耗率曲线发现：在中低转速时，燃油消耗率明显下降，且低油 耗率区域范围宽广；而在高转速时，燃油消耗率较原机有所上升，这是因为：增压后， 在中低转速时燃烧改善，指示热效率高，油耗明显下降；而随着转速的提高，不完全燃 烧严重，指示热效率下降，油耗快速上升。 图2 1 4 展示了压气机与发动机的联合运行图。l j 4 6 5 q z 运行时穿过了压气机的高 效率区，在4 4 0 0 r m i n 、4 8 0 0 r m i n 、5 2 0 0 r m i n 三个转速下都达到了压气机的最高效率( 为 0 7 1 ) ，说明发动机与增压器的匹配良好。 从表2 - 4 各转速下涡轮机前的排气温度值看出，增压后汽油机的排温较高 ( n = 4 4 0 0 r m i n 时，达到8 7 0 ) ，高能量的排气能提高涡轮机叶片的转速，提升增压器 的压缩比，但也造成发动机的热负荷过高，工作可靠性受影响【j 4 】。 1 1 0 e1 0 0 苎 9 0 ， 8 0 7 0 3 4 0 鸳3 2 0 奎 苎如 o ：。笛o 2 b o 6 0 5 0 竺耋 2 0 山 1 0 o 10 0 02 0 0 03 0 0 0 4 0 0 05 0 0 06 0 0 0 t ? f 缸 图2 - 1 3l j 4 6 5 q z 与l j 4 6 5 q 外特性对比曲线 f i g 2 1 3l j 4 6 5 q za n dl j 4 6 5 qo u t s i d e p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 2 毒 2 2 2 o 1 8 r 1 6 1 i t 2 一 瓣 0 00 20 4o 嚣o 81 o1 21 q x 搬 图2 1 4 压气机与发动机联合运行图 f i g 2 1 4c o m p r e s s o ra n d t h ee n g i n eo f t h eu n i t ep i c t u r e 表2 - 5l j 4 6 5 q 与l j 4 g 5 q z 性能对比 t a b l e2 - 5l 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 2 4 2l j 4 6 5 0 z 万有特性 通过负荷特性试验，获取l j 4 6 5 q z 的油耗及排放等方面数据，再结合外特性数据， 小摊量汽油栅嗡呙轮增压技术研究 就可以绘制发动机的万有特性图。负荷特性试验设计方案为：选择1 2 0 0 r m i n 、1 6 0 0 r m i n 、 2 0 0 0 r m i n ，2 4 0 0 r m i n ，2 8 0 0