基于CAE仿真的某汽油機增壓器高原能力研究

張應兵，王軍，雷蕾

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

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基于CAE仿真的某汽油機增壓器高原能力研究

張應兵，王軍，雷蕾

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

針對某款增壓型汽油發動機，運用CAE仿真手段分析該款發動機所匹配的增壓器性能。通過標定平原狀態下整機仿真模型，預測不同海拔高原工況下增壓器性能并進行對比分析。通過CAE仿真分析，實現了預測增壓器高原性能、挖掘整機潛能，并對增壓器設計開發及整機匹配起到一定的指導作用。

CAE；汽油機；增壓器；高原

0　引言

眾所周知,當前汽車工業向著高動力、低油耗、低排放方向發展，而發動機作為汽車主要的動力源，起著至關重要的作用[1]。渦輪增壓技術的出現很好地解決了工程師們對發動機動力性、經濟性和排放等性能指標的要求[2]。因此，渦輪增壓器的性能對發動機及整車至關重要。其中，增壓器在不同海拔高原處的性能表現直接影響整機及整車性能表現。由此可見，分析研究增壓器性能是一個非常有意義的課題[3]。

作者運用CAE仿真方法分析預測增壓器高原工況性能,并分析和評價增壓器性能。

1　研究對象

文中研究對象為某增壓汽油發動機，該發動機匹配了某渦輪增壓器。增壓的基本類型分渦輪增壓、機械增壓、氣波增壓3種，對應的增壓器稱渦輪增壓器、機械增壓器、氣波增壓器。渦輪增壓器由渦輪機和壓氣機構成。將發動機發出的廢氣引入渦輪機，廢氣的能量推動渦輪機葉輪旋轉，并帶動與其同軸安裝的壓氣機葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機內增壓后進入氣缸，見圖1。

渦輪增壓的最大優點是燃油經濟性好，并可大幅度降低有害氣體的排放和噪聲水平；而其缺點是低速時排氣能量低，增壓效果差，低速加速性能較差[4]。而海拔較高的高原地區大氣氣壓低、溫度低、空氣稀薄，這會嚴重影響渦輪增壓器的發動機在低轉速區域內的性能表現；與此同時，壓氣機為了輸出更高的壓比來提高進氣量，可能會使得壓氣機工作在喘振區域(葉輪可能發生破壞的極限不穩定狀態)，從而造成增壓器的損壞。因此，研究增壓器高原性能表現具有重要工程意義。

圖1　渦輪增壓器工作示意圖

2　仿真分析及結果

運用某一維分析軟件，搭建該汽油機與增壓器仿真分析模型。需求數據包括進排氣管路結構尺寸(管徑、管長、彎曲度等)、氣缸參數(缸徑、沖程等)、燃燒數據(試驗測量)、空濾器以及中冷器相關結構參數和性能數據等。

不同海拔高原下，大氣狀態參數關系見表1。

表1　大氣狀態參數表

2.2仿真模型標定

在預測增壓器高原性能之前，需要進行整機平原性能標定，即依據可信的試驗數據參數作為輸入邊界和目標對模型進行仿真，并不斷修正仿真模型中的各項參數，直至與試驗參數相同或相近(誤差3%以內)[3]。

仿真分析結果與試驗結果在數值上與曲線形狀上吻合性均較好，見圖2；主要性能指標包括扭矩、功率及比油耗，誤差最大均低于限值4%，關鍵點低于2%，表明試驗與仿真對比驗證結果相一致，具體見表2。結合以上分析：該仿真模型分析精度可滿足工程要求，具備準確預測高原性能的條件。

圖2　發動機性能試驗測量值與CAE仿真值對比結果

對比項目最大差值低端扭矩最大扭矩最大功率結論扭矩/(N·m)2.6%@5000r/min0.9%@1000r/min0.7%@1800r/min0.9%@5000r/min合格功率/kW2.5%@5000r/min0.8%@1000r/min0.6%@1800r/min0.6%@5000r/min合格比油耗/(g·kW-1·h-1)2.1%@2500r/min0.7%@1000r/min0.9%@1800r/min0.5%@5000r/min合格

2.3高原性能預測

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結合前文分析，針對平原海拔0 km與高原海拔2 000 m工況進行整機性能與增壓器性能預測，并作對比分析。

(1)發動機性能預測

增壓器運行狀態直接影響到發動機性能，因此可以從發動機性能表現來直接判斷增壓器運行性能。評價增壓型發動機性能主要從低端轉速(1 000 r/min)、最大扭矩出現起始轉速點、最大扭矩結束轉速點、額定轉速點等工況的動力性、經濟性進行分析。

相對于平原性能預測結果，2 000 m海拔高原工況，發動機1 000 r/min扭矩下降16.2%；4 000～5 000 r/min扭矩下降3.7%～18.7%，其中額定轉速(5 000 r/min)工況功率下降最高，達18.7%；整機比油耗(油耗量與功率之比)較平原均有提高，低端轉速與額定轉速燃油消耗提高約4%、全負荷最小燃油消耗提高約0.3%，具體見圖3—5。從分析結果不難看出:由于增壓器性能的限制，發動機在低轉速和高轉速區域動力性、經濟性均有不同程度的惡化，而中等轉速區域無影響。

圖3　平原0 km與高原2 km工況整機扭矩對比結果

圖4　平原0 km與高原2 km工況整機功率對比結果

圖5　平原0 km與高原2 km工況整機比油耗對比結果

(2)增壓器性能分析

隨著海拔升高，當地大氣壓力和溫度下降、空氣稀薄、含氧量低，因此需要增壓器提高壓氣機壓比增加進氣壓力，以保證進氣量。圖6為壓比對比結果，中高轉速壓比均有提高;而低轉速區域壓比反而降低，這是由于在低轉速區域發動機廢氣量較小，不足以驅動渦輪高速轉動，從而無法帶動同軸的壓氣機壓縮進氣做功，因此壓比較小。圖7為壓氣機出口處氣體溫度，可得：高原工況下壓后溫度大幅提升，這就對中冷器性能提出一定要求：首先要滿足不會損壞中冷器及相關傳感設備，其次中冷器性能能否滿足發動機對進氣冷卻效果的目標。圖8為增壓器效率對比結果，發動機處于中低轉速時，該款增壓器在高原工況時的效率高于平原；而高轉速區域較低。

圖9為壓氣機運行工況圖，橫坐標為進氣體積流量、縱坐標為壓比，圖中還包含了等效率線和轉速線以及喘振線，具體見圖中標注所示。

圖6　壓氣機壓比對比

圖7　壓氣機出口氣體溫度對比

圖8　增壓器效率對比

圖9　壓氣機試驗運行工況圖

壓氣機匹配原則：在選擇和設計增壓器時盡可能將發動機工況點運行在高等效率線附近：發動機低轉速運行工況不能超出圖中喘振線以外，否則壓氣機工作不穩定、長期容易造成損壞；發動機高轉速工況不能運行在圖中阻塞線以外，否則造成壓氣機進氣阻塞、效率低下。

將發動機各個工況點下對應的進氣流量、壓比在圖9中描出，可得到圖10所示的壓氣機匹配圖。

圖10　壓氣機匹配圖

從圖10不難看出：高原2 000 m時，發動機處于低轉速、低流量時，壓比已經接近左側喘振線，若海拔再提高，進氣壓比也無提升空間；發動機處于中等轉速區域的工況，壓氣機效率較平原遠離最高等效率線，此時壓氣機效率降低；高轉速區域接近阻塞線和最大轉速線，壓比提升空間非常小，因此

2 000 m高原工況整機性能在低速和高速均出現不同程度的動力性下降、油耗增加。

3　結論

通過文中的仿真分析，得出以下結論：

(1)通過仿真分析，預測了高原2 000 m增壓器運行狀態以及其與發動機整機的匹配效果，預測和挖掘了該增壓器的高原能力。

(2)通過CAE仿真方法預測增壓器高原能力，提供了一種研究增壓器的方法，對指導增壓器開發設計具有一定的指導意義。

【1】陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2011:255-256.

【2】周龍保.內燃機學[M].北京:機械工業出版社，2010:65-67.

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Study on Altitude Capacity of an Engine Turbocharger Based on CAE Simulation

ZHANG Yingbing,WANG Jun,LEI Lei

(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei Anhui 230022,China)

Aiming at a gasoline engine matched turbocharger, CAE method was used to analyze performance of the turbocharger. By calibrating engine performance model at sea level, turbocharger performances at diverse altitude were predicted and contrasted. By this way,altitude performance of turbocharger and whole engine performance can be predicted. At the same time, it can help guide to turbocharger design and whole engine matching.

CAE; Engine;Turbocharger;Altitude

2016-06-07

張應兵(1979—)，男，工程師，研究方向為發動機產品的設計開發。E-mail：414205610@qq.com。

U464.135+.1

B

1674-1986(2016)08-041-04