增压发动机开发初期的性能模拟计算

李 灵，段继萍，孙大恒

（哈尔滨东安汽车动力股份有限公司，哈尔滨 150066）

随着汽车产业的高速发展以及带来的环境污染问题的日趋严重，国家强制性油耗及排放法律法规日趋加严，国内汽车市场竞争形势也越来越激烈，从而促进发动机综合技术水平在不断提高。涡轮增压技术能够提升发动机性能，降低油耗和排放，已经成为实现发动机节能环保的主流技术，各发动机生产企业广泛应用。

在开发增压发动机初期，根据产品特点、市场定位、同类产品性能指标等依据，制定增压发动机开发工程目标。应用各种软件平台进行发动机各项性能指标模拟计算是缩短开发周期、明确设计方向简捷有效的办法。

1 增压发动机计算模型建立理念

在增压发动机概念设计阶段，利用AVLBo ost软件进行性能模拟计算。建立增压发动机Boost模型，进行增压器匹配和进排气系统设计参数优化计算，预测发动机是否能够达到开发目标。计算思路是首先标定现有的MP I发动机Boost模型，然后建立增压发动机模型，进行增压器匹配、进排气系统优化，从而对增压发动机进行性能预测。

主要工作包含以下几方面：

根据燃烧分析、缸盖气道流量试验和性能试验等结果对发动机Boost模型进行标定，并验证模型准确性。然后在此基础上建立增压发动机Boost模型，并以基础机型为基准进行进排气系统优化计算。如：增压发动机性能初步计算、进气歧管优化、进气引导管优化、中冷器出口温度计算、排气歧管不同方案对比计算、配气相位优化、节气门体喉口直径优化等。

2 增压发动机计算模型的建立

增压发动机计算模型是以MP I基础机型作为Boost模型基础，增加涡轮增压器和中冷器以及相应连接管路等零部件建立的。为了获得准确的计算模型，根据发动机燃烧分析试验、性能试验以及缸盖气道流量试验结果对Boost模型进行标定。

2.1 摩擦参数确定

在Boost模拟计算时需要输入摩擦损失，发动机的摩擦损失是直接影响发动机性能的参数，其准确性将直接影响发动机模型的输出准确性。

通过发动机燃烧分析试验，测得各转速的缸内压力，计算出准确的平均指示压力（IMEP），由测得的输出功率计算出平均有效压力（BMEP），通过公式FME P=I MEP-B MEP，准确地计算出FMEP。

2.2 燃烧参数确定

当发动机结构参数确定后，汽缸压力变化特性主要由燃烧规律所决定，而燃烧放热规律强烈影响平均有效压力、比油耗、最高燃烧压力等性能指标。通过试验获得了发动机各转速的缸内爆发压力曲线、平均有效压力（BMEP），点火提前角和过量空气系数等参数。利用AVLBoost软件的Burn模块，求得全负荷各转速已燃质量百分比、燃烧始点、燃烧持续期和形状参数。

2.3 缸盖气道流量确定

通过气道流量试验台对发动机缸盖进行气道流量试验，获得了准确的气道流量数据。

2.4 其他参数设定

进排气系统阻力参照实际台架试验测试值进行标定。进气歧管、排气歧管、凸轮型线、配气相位等参数参照图纸设定。

缸内传热模型采用Woschni1978模型，气道传热模型选取Zapf模型。传热模型的参数中初始活塞顶表面温度、汽缸盖燃烧室表面温度、汽缸套表面温度、进排气道温度、排气系管路壁面温度等参数按照相似的发动机模型给出。

2.5 模型的验证

计算发动机的性能，并与原试验数据进行对比，3500rpm性能相对误差较大，误差为6%，其余转速功率，扭矩最大误差在3%以内。2000rpm和3500rpm燃油消耗率误差较大，误差分别为8.4%和-7.1%，其余转速燃油消耗率最大误差在5%以内。证明发动机模型是准确的。以此模型的基础上建立增压发动机模型是可行的。

2.6 建立模型

以三缸MP I基础机型的Boost模型为基础，增加涡轮增压器和中冷器以及相应的连接管路，建立增压发动机计算模型，见图1。进排气系统零件尺寸按多组参数进行试验，未列参数参考基础机型的boost模型。

按照选型增压器特征参数（增压器喘振线、压气机特性和涡轮机特性曲线），中冷器参数参照相似机型设置：进气温度为1 0 0℃，进气流量为0.07kg/s，目标出口温度为60℃，进气压力为1.5bar。

图1三缸增压发动机计算模型

3 增压发动机性能初步计算

根据增压器的工作特性，通过废气利用率对涡轮增压器增压压力进行调整，对增压发动机性能进行初步计算，获得了发动机的性能曲线和增压器与发动机的联合运行线，见图2。联合运行线落在压气机高效率工作区内，说明增压器的选型适合于该系列增压发动机。

图2增压器与发动机联合运行线

4 进排气系统优化计算

在boost模型中，分别对进气歧管、进气引导管、中冷器出口温度、排气歧管、配气相位和节气门体喉口直径进行了优化计算。除优化涉及的参数修改，其他参数设置保持不变。计算结果如下：

4.1 进气歧管长度、直径和稳压腔体积进行优化

计算结果表明，进气歧管加长，对发动机中高速性能提升很大；进气歧管直径减小，对发动机中高速扭矩提升很大；稳压腔体积减小对3000rpm性能有很大提升。

4.2 进气引导管优化

对中冷器前后进气引导管长度、直径进行优化计算。计算结果表明中冷器前胶管长度变短，发动机性能有明显提升；中冷器后胶管长度变短，3000rpm性能有明显提升；中冷器前胶管直径变小，3000rpm ～4500rpm性能有明显提升；中冷器后胶管直径变大，2000rpm ～3000rpm性能有明显提升。

4.3 中冷器出口温度计算

中冷器冷却能力的提升对性能的提升有很大的帮助。对中冷器出口温度40℃、50℃和60℃对性能的影响进行计算。发现进气温度每降低10℃，发动机中低速性能提升明显。性能提升2%左右，推荐中冷后温度控制在50℃以下。

4.4 排气歧管不同方案对比计算

针对排气歧管不同方案进行模拟计算。歧管气道长度不同直接影响发动机性能，对比选择最佳方案，实现发动机性能最佳。

4.5 配气相位优化

对排气相位和进气相位分别进行优化计算。设置排气晚关角EVC0°-20°，排气相位推迟，发动机低速性能提升很大。进气早开角IVO-10°-50°，进气相位提前，发动机低速性能增大。

4.6 节气门体喉口直径优化

对节气门体喉口直径进行优化计算。分别选择几种节气门体喉口直径进行对比计算，计算结果表明在喉口直径一定范围内，直径的变化对性能影响很小，对喉口直径的选择明确了方向。

5 结语

通过上述增压器的特征参数与发动机的匹配计算，说明了增压器与发动机匹配较好，并且通过对进排气系统及进气相位等参数的优化，直接提升了增压发动机性能，从而保证了新开发的增压发动机的性能计算结果满足开发目标。该模拟计算对于后续增压发动机的实质性开发及试验具有重要的指导性和方向性。

［1］ 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器［D］.1997.

［2］ 甄旭东.发动机性能的评估及增压器优选的研究［D］.2009.

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