增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)初期的性能模擬計(jì)算

李 靈，段繼萍，孫大恒

（哈爾濱東安汽車動(dòng)力股份有限公司，哈爾濱 150066）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展以及帶來的環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重，國(guó)家強(qiáng)制性油耗及排放法律法規(guī)日趨加嚴(yán)，國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)也越來越激烈，從而促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合技術(shù)水平在不斷提高。渦輪增壓技術(shù)能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低油耗和排放，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保的主流技術(shù)，各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用。

在開發(fā)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)初期，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、市場(chǎng)定位、同類產(chǎn)品性能指標(biāo)等依據(jù)，制定增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)工程目標(biāo)。應(yīng)用各種軟件平臺(tái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)模擬計(jì)算是縮短開發(fā)周期、明確設(shè)計(jì)方向簡(jiǎn)捷有效的辦法。

1 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型建立理念

在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，利用AVLBo ost軟件進(jìn)行性能模擬計(jì)算。建立增壓發(fā)動(dòng)機(jī)Boost模型，進(jìn)行增壓器匹配和進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。計(jì)算思路是首先標(biāo)定現(xiàn)有的MP I發(fā)動(dòng)機(jī)Boost模型，然后建立增壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型，進(jìn)行增壓器匹配、進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化，從而對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。

主要工作包含以下幾方面：

根據(jù)燃燒分析、缸蓋氣道流量試驗(yàn)和性能試驗(yàn)等結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)Boost模型進(jìn)行標(biāo)定，并驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。然后在此基礎(chǔ)上建立增壓發(fā)動(dòng)機(jī)Boost模型，并以基礎(chǔ)機(jī)型為基準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算。如：增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能初步計(jì)算、進(jìn)氣歧管優(yōu)化、進(jìn)氣引導(dǎo)管優(yōu)化、中冷器出口溫度計(jì)算、排氣歧管不同方案對(duì)比計(jì)算、配氣相位優(yōu)化、節(jié)氣門體喉口直徑優(yōu)化等。

2 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型的建立

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型是以MP I基礎(chǔ)機(jī)型作為Boost模型基礎(chǔ)，增加渦輪增壓器和中冷器以及相應(yīng)連接管路等零部件建立的。為了獲得準(zhǔn)確的計(jì)算模型，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析試驗(yàn)、性能試驗(yàn)以及缸蓋氣道流量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)Boost模型進(jìn)行標(biāo)定。

2.1 摩擦參數(shù)確定

在Boost模擬計(jì)算時(shí)需要輸入摩擦損失，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失是直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)，其準(zhǔn)確性將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸出準(zhǔn)確性。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析試驗(yàn)，測(cè)得各轉(zhuǎn)速的缸內(nèi)壓力，計(jì)算出準(zhǔn)確的平均指示壓力（IMEP），由測(cè)得的輸出功率計(jì)算出平均有效壓力（BMEP），通過公式FME P=I MEP-B MEP，準(zhǔn)確地計(jì)算出FMEP。

2.2 燃燒參數(shù)確定

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，汽缸壓力變化特性主要由燃燒規(guī)律所決定，而燃燒放熱規(guī)律強(qiáng)烈影響平均有效壓力、比油耗、最高燃燒壓力等性能指標(biāo)。通過試驗(yàn)獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速的缸內(nèi)爆發(fā)壓力曲線、平均有效壓力（BMEP），點(diǎn)火提前角和過量空氣系數(shù)等參數(shù)。利用AVLBoost軟件的Burn模塊，求得全負(fù)荷各轉(zhuǎn)速已燃質(zhì)量百分比、燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期和形狀參數(shù)。

2.3 缸蓋氣道流量確定

通過氣道流量試驗(yàn)臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行氣道流量試驗(yàn)，獲得了準(zhǔn)確的氣道流量數(shù)據(jù)。

2.4 其他參數(shù)設(shè)定

進(jìn)排氣系統(tǒng)阻力參照實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行標(biāo)定。進(jìn)氣歧管、排氣歧管、凸輪型線、配氣相位等參數(shù)參照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)定。

缸內(nèi)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(shù)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(jìn)排氣道溫度、排氣系管路壁面溫度等參數(shù)按照相似的發(fā)動(dòng)機(jī)模型給出。

2.5 模型的驗(yàn)證

計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并與原試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，3500rpm性能相對(duì)誤差較大，誤差為6%，其余轉(zhuǎn)速功率，扭矩最大誤差在3%以內(nèi)。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(zhuǎn)速燃油消耗率最大誤差在5%以內(nèi)。證明發(fā)動(dòng)機(jī)模型是準(zhǔn)確的。以此模型的基礎(chǔ)上建立增壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型是可行的。

2.6 建立模型

以三缸MP I基礎(chǔ)機(jī)型的Boost模型為基礎(chǔ)，增加渦輪增壓器和中冷器以及相應(yīng)的連接管路，建立增壓發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型，見圖1。進(jìn)排氣系統(tǒng)零件尺寸按多組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，未列參數(shù)參考基礎(chǔ)機(jī)型的boost模型。

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

圖1三缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型

3 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能初步計(jì)算

根據(jù)增壓器的工作特性，通過廢氣利用率對(duì)渦輪增壓器增壓壓力進(jìn)行調(diào)整，對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行初步計(jì)算，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能曲線和增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線，見圖2。聯(lián)合運(yùn)行線落在壓氣機(jī)高效率工作區(qū)內(nèi)，說明增壓器的選型適合于該系列增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線

4 進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算

在boost模型中，分別對(duì)進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣引導(dǎo)管、中冷器出口溫度、排氣歧管、配氣相位和節(jié)氣門體喉口直徑進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。除優(yōu)化涉及的參數(shù)修改，其他參數(shù)設(shè)置保持不變。計(jì)算結(jié)果如下：

4.1 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、直徑和穩(wěn)壓腔體積進(jìn)行優(yōu)化

計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)氣歧管加長(zhǎng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中高速性能提升很大；進(jìn)氣歧管直徑減小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中高速扭矩提升很大；穩(wěn)壓腔體積減小對(duì)3000rpm性能有很大提升。

4.2 進(jìn)氣引導(dǎo)管優(yōu)化

對(duì)中冷器前后進(jìn)氣引導(dǎo)管長(zhǎng)度、直徑進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明中冷器前膠管長(zhǎng)度變短，發(fā)動(dòng)機(jī)性能有明顯提升；中冷器后膠管長(zhǎng)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(jì)算

中冷器冷卻能力的提升對(duì)性能的提升有很大的幫助。對(duì)中冷器出口溫度40℃、50℃和60℃對(duì)性能的影響進(jìn)行計(jì)算。發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣溫度每降低10℃，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比計(jì)算

針對(duì)排氣歧管不同方案進(jìn)行模擬計(jì)算。歧管氣道長(zhǎng)度不同直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，對(duì)比選擇最佳方案，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳。

4.5 配氣相位優(yōu)化

對(duì)排氣相位和進(jìn)氣相位分別進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。設(shè)置排氣晚關(guān)角EVC0°-20°，排氣相位推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能提升很大。進(jìn)氣早開角IVO-10°-50°，進(jìn)氣相位提前，發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能增大。

4.6 節(jié)氣門體喉口直徑優(yōu)化

對(duì)節(jié)氣門體喉口直徑進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。分別選擇幾種節(jié)氣門體喉口直徑進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明在喉口直徑一定范圍內(nèi)，直徑的變化對(duì)性能影響很小，對(duì)喉口直徑的選擇明確了方向。

5 結(jié)語

通過上述增壓器的特征參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配計(jì)算，說明了增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配較好，并且通過對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)及進(jìn)氣相位等參數(shù)的優(yōu)化，直接提升了增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能，從而保證了新開發(fā)的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能計(jì)算結(jié)果滿足開發(fā)目標(biāo)。該模擬計(jì)算對(duì)于后續(xù)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)性開發(fā)及試驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)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(fā)動(dòng)機(jī)性能的評(píng)估及增壓器優(yōu)選的研究［D］.2009.

［3］ 李學(xué)政，林松清.1.0T汽油機(jī)增壓匹配試驗(yàn)研究與應(yīng)用［D］.2010.