小排量汽油机与涡轮增压器匹配研究

王 飞

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院 陕西 西安 710018）

引言

为了促进汽车技术的发展，科研人员发明了先进的发动机技术，其中比较具有代表性的是涡轮增压技术与缸内直接喷射技术。在全球石油资源日趋紧张以及汽车排放法规日趋严格的情况下，发动机增压技术在节能减排方面的作用更加受到重视。增压、降低排量是当前汽油机的发展方向，采用增压技术可提高发动机的升功率及平均有效压力，在不影响汽车动力性的前提下可提高燃油经济性并降低排放[1-3]。当前，我国国内对发动机的涡轮增压技术进行了一系列的研究。倪计民等人[4]于2012年应用GT-power软件建立了1.5 VCT发动机一维仿真模型，进行了模型数值匹配计算及性能预测；胡辽平等人[5]于2013年对汽油机废气再循环系统、可变截面增压系统进行匹配数值模拟，确定了VGT增压系统对汽油机的燃油经济性及动力性等的影响。王达等人[6]于2014年对小排量赛车发动机进行了涡轮增压匹配计算及性能预测。龚金科等人[7]于2016年对电控旁通阀涡轮增压器匹配进行了计算和研究。本文针对某款小排量涡轮增压发动机，进行了涡轮增压器选型，通过AVL-BOOST软件对发动机与涡轮增压器的匹配进行了计算和性能预测。

1 研究对象与工具

1.1 发动机参数

试验用发动机为单缸水冷自然吸气四冲程汽油发动机，发动机的相关技术参数见表1。

表1 试验用发动机主要技术参数

1.2 仿真模拟计算软件

AVL-BOOST软件是AVL工程软件公司开发的一套模拟计算软件，利用该软件可以进行一维发动机热力学循环模拟分析，构建发动机整机模型，对发动机的进排气系统、气道结构形状、进排气门正时、缸内燃烧过程、发动机与增压器的匹配以及发动机与其他附属部件的匹配进行优化分析。该软件拥有包括边界条件、空气滤清器、气缸、增压系统、气体及燃料管道、中冷器、ECU、喷油器、容积腔、后处理等模型，可以对进气道喷射汽油机、缸内直接喷射汽油机、柴油机等进行模拟分析。BOOST软件的增压模块可以进行废气涡轮增压、机械增压等不同增压方式的模拟仿真分析，完成不同增压系统的性能分析和匹配计算。燃烧模块包括VIBE双区模型、VIBE模型、双VIBE模型等，包含不同的燃烧放热模型，能模拟不同的燃烧方式，如均质混合气压燃、稀薄燃烧、分层燃烧、均质燃烧等。后处理模块可预测碳烟、碳氢化合物、氮氧化合物排放量，适用于发动机各种转速下的所有负荷工作过程。BOOST软件还具有一些兼容功能，实现一维到三维流场仿真分析的耦合；ECU模块可以和MATLAB相接，能实现不同发动机控制策略的开发和分析。

2 涡轮增压器选型

2.1 设计性能指标的确定

将试验用发动机改造为涡轮增压发动机的设计要求见表2。

表2 涡轮增压发动机性能参数

表3 涡轮增压器参数

因为汽油机采用涡轮增压会受到爆震的限制，因此压缩比定为9.5，和原机相比有所降低。此外，为了提高排气能量传递效率，将排气门升程增大，排气提前角减小。

2.2 涡轮增压器性能指标估算

增压器选型的重要依据是增压发动机的进气流量Gs和增压比πi，发动机的增压匹配点通常选择全负荷工况下发动机最高转速的50%~70%。本文选择转速n=3 000 r/min时进行计算，此时，有效功率Pe=22 kW，转矩Ttq=70 N·m，有效燃油消耗率be≤300 g/(kW·h)。可计算出匹配点的流量和增压比，计算公式如下：

1）空气质量流量

式中：L0为理论空燃比，其值为14.7；Φat为过量空气系数，全负荷下，增压汽油机的Φat通常选取为0.80；be的计算公式为：

式中：i为气缸数；Vs为单个气缸工作容积，其值为0.15 L；n为发动机转速，r/min；Φs为扫气系数，其值为0.9。

3）增压比

半夜的时候，温简还没有睡着，顾青还在电脑前忙着工作。她看着他被汗湿透的身影，心里是铁马冰河的伤感。她可以为他倾尽所有，可以为他奋不顾身，但她却势单力薄，她不是那个可以拉他走出困境的人。原来，爱一个人，不是尽心尽力就已经足够，还需要生活，需要经济基础，这就是现实给爱情最残忍的难题。

式中：B为每小时的燃油消耗量，kg/h。

2）增压后气体密度

式中：Pb为增压压力，kPa；P0为大气压力，其值为101 kPa；ρ0为常温常压下的空气密度，其值为1.18 kg/m3。Tb为压气机后平均温度，增压发动机安装有中冷器，取值为320 K；T0为大气温度，其值为298 K。

根据公式（1）、（2）、（3）计算出增压匹配点的空气流量和增压比，所选择的涡轮增压器型号为IHI RHB31 VZ21，该涡轮增压器参数见表3。

3 涡轮增压发动机外特性匹配

3.1 小排量涡轮增压汽油机仿真模型的建立

小排量涡轮增压汽油机的AVLBOOST模型由气缸、进排气管管路、空气滤清器、废气涡轮增压器、稳压腔等功能部件组成。采用边界条件将大气环境和发动机仿真模型的边界进行连接，所建立的模型如图1所示。在该仿真模型中，空气经过大气边界（SB1）、空气滤清器（CL1）、涡轮增压器的压气机（C）、稳压腔（PL4）、节气门体（TH1）进入进气管，然后经过双进气门进入气缸（C1）内，和喷油器喷出的雾化燃油形成可燃混合气，通过火花塞将混合气点燃。燃烧后的废气通过双排气门排出，推动涡轮机（T）高速转动并带动压气机一起转动，实现增压目的。经过涡轮机的废气依次经过PL1、PL2、PL3（容积腔）和SB2（边界）排放到大气中。该仿真模型可以清楚地描述涡轮增压汽油机的工作过程。模型建立之后，还需设定相关部件的参数。

图1 小排量涡轮增压汽油机仿真模型

3.2 增压发动机模型内部参数设置

1）模型边界参数。模型边界包括进气边界和排气边界2部分，其数据为发动机工作时的真实环境数据，见表4。

表4 模型边界参数设置

2）空气滤清器。参数设置见表5。

表5 空气滤清器参数设置

表6 涡轮增压器参数设置

4）发动机气缸参数。包括气缸参数、气缸初始化参数、气门结构参数、气缸的燃烧模型参数等。

气缸参数设置见表7。

表7 气缸参数设置

气缸初始化参数设置见表8。

表8 气缸初始化参数设置

气门结构参数设置见表9。

表9 气门结构参数设置

气缸的燃烧模型采用Vibe燃烧模型，参数设置见表10。

表10 气缸的燃烧模型参数设置

4 仿真结果

4.1 仿真模型的验证

为了确保仿真模型的准确性，需对仿真结果进行验证，将仿真模型生成的各种数据和真实的发动机运行数据进行对比。节气门开度为20%时，增压发动机的功率、转矩和增压发动机模型的仿真计算结果对比如图2所示。

图2 增压发动机仿真试验数据图

从图2可知，根据试验数据绘制出的曲线和仿真曲线基本一致，但是也存在一定的差异。当转速在2 000~3 000 r/min时，功率的试验数据和仿真计算数据的最大误差为4.8%，转矩的试验数据和仿真计算数据的最大误差为4.1%，误差均小于5%，说明增压发动机模型的仿真数据十分可信。

4.2 涡轮增压器匹配情况

发动机和涡轮增压器联合的仿真结果如图3所示。

图3 汽油机和涡轮增压器的联合工作曲线

从图3可知，汽油机匹配增压器后，低流量时与喘振线接近，中高流量时，涡轮增压器的工作效率为0.68~0.73，处于高效率区域，说明涡轮增压器和发动机的匹配效果较好。

4.3 发动机性能预测

对平原及海拔3 000m处的发动机性能进行分析，结果如图4所示。从图4可知，在平原上，涡轮增压发动机的最大功率和最大转矩均比原发动机有所提高，燃油消耗率比原发动机有所降低，均达到了设计要求。

图4 增压发动机性能预测

5 结论

本文利用AVL-BOOST软件进行仿真计算，对小排量汽油机进行了涡轮增压器的选型、匹配计算及性能预测，得出以下结论：

1）根据原机性能试验，建立了小排量涡轮增压汽油机仿真模型，并进行了模型计算。将仿真模型数据和实际试验数据进行对比，结果表明，由试验数据绘制出的曲线和仿真曲线基本一致，误差在5%以内，说明增压发动机模型的仿真数据十分可信。

2）汽油机匹配增压器之后，低流量时与喘振线接近，中高流量时，涡轮增压器的工作效率为0.68~0.73，处于高效率区域，说明涡轮增压器和发动机的匹配效果较好。

3）对平原及海拔3 000m处的发动机性能进行仿真分析可知，在平原上，涡轮增压发动机的最大功率和最大转矩均比原发动机有所提高，燃油消耗率比原发动机有所降低，均达到了设计要求。

1 周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社，2007

2 江厚美，潘庆枯，蔡文兴.汽车发动机增压技术[M].北京：人民交通出版社，1984

3 宋守信.内燃机增压技术[M].上海：同济大学出版社，1993

4 倪计民，李钊，张小矛，等.涡轮增压汽油机匹配计算及性能预测[J].汽车技术,2012（10）：1-4

5 胡辽平，龚金科，贾国海，等.汽油机涡轮增压系统数值模拟与优化匹配特性分析[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（4）：1431-1437

6 王达，钱丁超.小排量赛车发动机涡轮增压匹配计算及性能预测[J].小型内燃机与摩托车，2014，43（2）：1-6

7 龚金科，陈长友，胡辽平，等.电控旁通阀涡轮增压器匹配计算研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2016，43（8）：1-7