增壓發動機開發初期的性能模擬計算

李 靈，段繼萍，孫大恒

（哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，哈爾濱 150066）

隨著汽車產業的高速發展以及帶來的環境污染問題的日趨嚴重，國家強制性油耗及排放法律法規日趨加嚴，國內汽車市場競爭形勢也越來越激烈，從而促進發動機綜合技術水平在不斷提高。渦輪增壓技術能夠提升發動機性能，降低油耗和排放，已經成為實現發動機節能環保的主流技術，各發動機生產企業廣泛應用。

在開發增壓發動機初期，根據產品特點、市場定位、同類產品性能指標等依據，制定增壓發動機開發工程目標。應用各種軟件平臺進行發動機各項性能指標模擬計算是縮短開發周期、明確設計方向簡捷有效的辦法。

1 增壓發動機計算模型建立理念

在增壓發動機概念設計階段，利用AVLBo ost軟件進行性能模擬計算。建立增壓發動機Boost模型，進行增壓器匹配和進排氣系統設計參數優化計算，預測發動機是否能夠達到開發目標。計算思路是首先標定現有的MP I發動機Boost模型，然后建立增壓發動機模型，進行增壓器匹配、進排氣系統優化，從而對增壓發動機進行性能預測。

主要工作包含以下幾方面：

根據燃燒分析、缸蓋氣道流量試驗和性能試驗等結果對發動機Boost模型進行標定，并驗證模型準確性。然后在此基礎上建立增壓發動機Boost模型，并以基礎機型為基準進行進排氣系統優化計算。如：增壓發動機性能初步計算、進氣歧管優化、進氣引導管優化、中冷器出口溫度計算、排氣歧管不同方案對比計算、配氣相位優化、節氣門體喉口直徑優化等。

2 增壓發動機計算模型的建立

增壓發動機計算模型是以MP I基礎機型作為Boost模型基礎，增加渦輪增壓器和中冷器以及相應連接管路等零部件建立的。為了獲得準確的計算模型，根據發動機燃燒分析試驗、性能試驗以及缸蓋氣道流量試驗結果對Boost模型進行標定。

2.1 摩擦參數確定

在Boost模擬計算時需要輸入摩擦損失，發動機的摩擦損失是直接影響發動機性能的參數，其準確性將直接影響發動機模型的輸出準確性。

通過發動機燃燒分析試驗，測得各轉速的缸內壓力，計算出準確的平均指示壓力（IMEP），由測得的輸出功率計算出平均有效壓力（BMEP），通過公式FME P=I MEP-B MEP，準確地計算出FMEP。

2.2 燃燒參數確定

當發動機結構參數確定后，汽缸壓力變化特性主要由燃燒規律所決定，而燃燒放熱規律強烈影響平均有效壓力、比油耗、最高燃燒壓力等性能指標。通過試驗獲得了發動機各轉速的缸內爆發壓力曲線、平均有效壓力（BMEP），點火提前角和過量空氣系數等參數。利用AVLBoost軟件的Burn模塊，求得全負荷各轉速已燃質量百分比、燃燒始點、燃燒持續期和形狀參數。

2.3 缸蓋氣道流量確定

通過氣道流量試驗臺對發動機缸蓋進行氣道流量試驗，獲得了準確的氣道流量數據。

2.4 其他參數設定

進排氣系統阻力參照實際臺架試驗測試值進行標定。進氣歧管、排氣歧管、凸輪型線、配氣相位等參數參照圖紙設定。

缸內傳熱模型采用Woschni1978模型，氣道傳熱模型選取Zapf模型。傳熱模型的參數中初始活塞頂表面溫度、汽缸蓋燃燒室表面溫度、汽缸套表面溫度、進排氣道溫度、排氣系管路壁面溫度等參數按照相似的發動機模型給出。

2.5 模型的驗證

計算發動機的性能，并與原試驗數據進行對比，3500rpm性能相對誤差較大，誤差為6%，其余轉速功率，扭矩最大誤差在3%以內。2000rpm和3500rpm燃油消耗率誤差較大，誤差分別為8.4%和-7.1%，其余轉速燃油消耗率最大誤差在5%以內。證明發動機模型是準確的。以此模型的基礎上建立增壓發動機模型是可行的。

2.6 建立模型

以三缸MP I基礎機型的Boost模型為基礎，增加渦輪增壓器和中冷器以及相應的連接管路，建立增壓發動機計算模型，見圖1。進排氣系統零件尺寸按多組參數進行試驗，未列參數參考基礎機型的boost模型。

按照選型增壓器特征參數（增壓器喘振線、壓氣機特性和渦輪機特性曲線），中冷器參數參照相似機型設置：進氣溫度為1 0 0℃，進氣流量為0.07kg/s，目標出口溫度為60℃，進氣壓力為1.5bar。

圖1三缸增壓發動機計算模型

3 增壓發動機性能初步計算

根據增壓器的工作特性，通過廢氣利用率對渦輪增壓器增壓壓力進行調整，對增壓發動機性能進行初步計算，獲得了發動機的性能曲線和增壓器與發動機的聯合運行線，見圖2。聯合運行線落在壓氣機高效率工作區內，說明增壓器的選型適合于該系列增壓發動機。

圖2增壓器與發動機聯合運行線

4 進排氣系統優化計算

在boost模型中，分別對進氣歧管、進氣引導管、中冷器出口溫度、排氣歧管、配氣相位和節氣門體喉口直徑進行了優化計算。除優化涉及的參數修改，其他參數設置保持不變。計算結果如下：

4.1 進氣歧管長度、直徑和穩壓腔體積進行優化

計算結果表明，進氣歧管加長，對發動機中高速性能提升很大；進氣歧管直徑減小，對發動機中高速扭矩提升很大；穩壓腔體積減小對3000rpm性能有很大提升。

4.2 進氣引導管優化

對中冷器前后進氣引導管長度、直徑進行優化計算。計算結果表明中冷器前膠管長度變短，發動機性能有明顯提升；中冷器后膠管長度變短，3000rpm性能有明顯提升；中冷器前膠管直徑變小，3000rpm ～4500rpm性能有明顯提升；中冷器后膠管直徑變大，2000rpm ～3000rpm性能有明顯提升。

4.3 中冷器出口溫度計算

中冷器冷卻能力的提升對性能的提升有很大的幫助。對中冷器出口溫度40℃、50℃和60℃對性能的影響進行計算。發現進氣溫度每降低10℃，發動機中低速性能提升明顯。性能提升2%左右，推薦中冷后溫度控制在50℃以下。

4.4 排氣歧管不同方案對比計算

針對排氣歧管不同方案進行模擬計算。歧管氣道長度不同直接影響發動機性能，對比選擇最佳方案，實現發動機性能最佳。

4.5 配氣相位優化

對排氣相位和進氣相位分別進行優化計算。設置排氣晚關角EVC0°-20°，排氣相位推遲，發動機低速性能提升很大。進氣早開角IVO-10°-50°，進氣相位提前，發動機低速性能增大。

4.6 節氣門體喉口直徑優化

對節氣門體喉口直徑進行優化計算。分別選擇幾種節氣門體喉口直徑進行對比計算，計算結果表明在喉口直徑一定范圍內，直徑的變化對性能影響很小，對喉口直徑的選擇明確了方向。

5 結語

通過上述增壓器的特征參數與發動機的匹配計算，說明了增壓器與發動機匹配較好，并且通過對進排氣系統及進氣相位等參數的優化，直接提升了增壓發動機性能，從而保證了新開發的增壓發動機的性能計算結果滿足開發目標。該模擬計算對于后續增壓發動機的實質性開發及試驗具有重要的指導性和方向性。

［1］ 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器［D］.1997.

［2］ 甄旭東.發動機性能的評估及增壓器優選的研究［D］.2009.

［3］ 李學政，林松清.1.0T汽油機增壓匹配試驗研究與應用［D］.2010.