浅析发动机与涡轮增压器匹配性能的模拟计算

曲兴年 汤书芳

摘要：本文主要是介绍借助AVL BOOST软件进行柴油机与涡轮增压器匹配性能模拟计算。

Abstract： This paper mainly introduces the simulation calculation of matching performance between diesel engine and turbocharger with AVL BOOST software.

关键词：发动机;涡轮增压器;AVL BOOST

Key words： engine;turbocharger;AVL BOOST

中圖分类号：U464.135                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0020-02

0  引言

随着发动机模拟仿真技术的日益成熟，发动机的开发又迈向了一个新的台阶。发动机模拟仿真技术可以节约大量的人力物力。本文为节约实验资源、人力及时间，借助AVL BOOST软件进行柴油机与涡轮增压器匹配性能模拟计算。

1  BOOST基本模型建立

在建立BOOST基本模型时，需要大量的工作边界条件和发动机参数，比如：发动机的基本参数，发动机工作时的边界条件、增压器参数、中冷器参数及进排气管等管道参数等。根据发动机的实体布局和元件布置，在软件中建立了计算模型。如图1所示。

本文采用了简化模式计算，需要的参数有压气机压比、压气机效率、涡轮增压器效率。选择了2款涡轮增压器进行匹配，通过模拟计算，比较出与发动机较优匹配的增压器，现介绍2款涡轮增压器的相关参数：

1号涡轮增压器为单级废气涡轮增压器，压气机特性图如图2所示，从图2中可以看出压气机最高转速为160000r/min，压气机最大效率为75%，压气机最大流量0.20m3/s。2号涡轮增压也为单级废气涡轮增压器，压气机特性图如图3所示，从图3中可以看出，压气机最高转速181000r/min，压气机最大效率为80%，压气机最大流量0.19m3/s。

模拟计算时选择简化模型进行仿真，由于2个涡轮增压器都是废气旁通式增压器，所以计算模式选择废气旁通模式。

2  模拟结果

在进行不同的涡轮增压器模拟计算之后，通过对比发动机功率，扭矩性能参数以及比油耗等经济性参数，来对比不同涡轮增压器和发动机匹配效果。下面是2款涡轮增压器的模拟结果对比。

2.1 增压压力预测  图4为全负荷时增压压力的曲线。从图4中可以看出，2号涡轮增压器的增压压力全都大于1号涡轮增压器。在额定点2900r/min时，1号涡轮增压器的增压压力为2.3bar，2号涡轮增压器的增压压力为2.4bar。其中，2号涡轮增压器增压压力最大值为2.42bar，1号涡轮增压器为2.3bar。在发动机最大扭矩点1800r/min时，1号涡轮增压器的增压压力为1.98bar，2号涡轮增压器的增压压力为2.05bar。在转速1600r/min，1号涡轮增压器的增压压力为1.79bar，2号涡轮增压器的增压压力为1.98bar。

2.2 性能预测

图5是两款增压器功率模拟计算结果，对于功率而言，两款增压器都达到了发动机功率的设定性能目标95kW，其中1号涡轮增压器为95.6kW，2号涡轮增压器为95.8kW整体功率曲线也符合柴油机功率曲线分布规律。发动机转速从1000r/min到2000r/min时，1号涡轮增压器的功率小于2号涡轮增压器，发动机转速从2000r/min到2900r/min时，1号涡轮增压器的功率大于2号涡轮增压器。

图6为两款涡轮增压器模拟计算的外特性扭矩值。对于扭矩而言，两款增压器在1900r/min额定转速时都能达到380N·m的设定目标，从图6中可以看出，1号涡轮增压器的最大扭矩为383.8N·m;2号涡轮增压器的最大扭矩为384.6N·m。2号涡轮增压器最大扭矩大于1号涡轮增压器。2号涡轮增压器在1600r/min时，就可以输出380N·m最大扭矩，且扭矩可以维持到1800r/min。发动机从1000r/min到1900r/min时，2号涡轮增压器的模拟扭矩都大于1号涡轮增压器的扭矩，转速从2000r/min到2900r/min时，1号涡轮增压器的模拟扭矩都大于2号涡轮增压器。

2.3 油耗预测

图7为两款涡轮增压器模拟计算的比油耗值。从图7中可以看出，对于外特性最低比油耗点目标200g·（kW·h）而言，匹配两款增压器都能达到这个工程设定目标。1号涡轮增压器外特性最低油耗为200.2g·（kW·h），勉强达到工程设定目标。2号涡轮增压器外特性最低点油耗为198.9g·（kW·h）。1号涡轮增压器在发动机额定点的比油耗为222.9g·（kW·h），2号涡轮增压器在发动机额定点的比油耗为223.8g·（kW·h），2号涡轮增压器在额定点的比油耗要高于1号涡轮增压器。在发动机常用转速区间1000-2000r/min，2号涡轮增压器的耗油明显低于1号涡轮增压器。发动机转速超过2000后，1号涡轮增压器的油耗低于2号涡轮增压器。

3  结论

通过模型搭建和计算分析比较发动机功率、扭矩、比油耗等参数得出以下结论：在流量接近时，高效率增压器对性能的贡献率较高，2号涡轮增压器，可以满足功率扭矩目标，能达到油耗设定目标，增压能力优于1号涡轮增压器。通过对比1，2号涡轮增压器的功率、扭矩、油耗等参数后，认为2号涡轮增压器匹配发动机后，各项指标满足要求。

参考文献：

[1]隆曙红，龚金科，刘孟祥.AVL BOOST软件应用于HD6105ZLQ柴油机的性能分析与研究[J].移动电源与车辆，2002，01：20-21.

[2]AVL Company. AVL BOOST User Guide Version 5.1[M]. Graz， Austria： AVL Company 2008.

[3]吕林.车用发动机与涡轮增压器匹配研究[D].湖南大学，2011.