電動渦輪增壓汽油機性能研究

李宏剛，李小燕，李 佳

(東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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電動渦輪增壓汽油機性能研究

李宏剛，李小燕，李 佳

(東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

采用仿真與實驗研究相結合的手段，從動力性和經濟性等方面研究了電動渦輪增壓對汽油機性能的影響。通過非增壓汽油機GT-POWER仿真模型的模擬結果與相同條件下的臺架試驗數據進行對比，驗證了仿真模型的合理性，并在非增壓模型的基礎上建立電動渦輪增壓仿真模型。增壓與非增壓仿真模擬結果對比分析表明：相同工況下，電動渦輪增壓能夠較好的改善汽油機的動力性和經濟性。

GT-POWER；電動渦輪增壓；汽油機性能

0 引 言

近年來，隨著汽車排放法規的日益嚴格以及人們對于汽車動力性能的不斷追求，發動機增壓技術得到了快速發展[1]，增壓發動機尤其在國外更是得到了普遍的應用，而我國汽油機增壓技術卻發展相對緩慢。

增壓技術有多種，可分為機械增壓、氣波增壓、渦輪增壓和復合增壓[2]。機械增壓是系統通過皮帶連接在發動機曲軸上，從發動機輸出軸獲得動力來壓縮空氣，由于消耗了一部分發動機動力，因此增壓效果并不高[3]；氣波增壓是利用高壓尾氣的脈沖氣波迫使空氣壓縮，該系統的增壓效果好，但體積較大，不適合安裝在小型汽車里[4]；廢氣渦輪增壓通過高溫廢氣推動渦輪旋轉，渦輪帶動與其同軸的葉輪同速轉動，進而壓縮空氣，由于與發動機無任何機械聯系，可以大幅度提高發動機的輸出功率，降低汽車燃油消耗，減少排放等[5]，因此受到了研究人員的廣泛關注，目前，市場上絕大部分的增壓發動機采用的就是廢氣渦輪增壓技術。然而由于其動力輸出反應滯后等缺點，使其進一步的發展應用受到限制。電控渦輪增壓是利用高速轉動的電動馬達帶動葉輪旋轉，將經過空氣濾清器的空氣吸入壓氣機殼，高速旋轉的壓氣機葉輪把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加并進入氣缸。因其響應完全獨立可控，不受制于廢氣的排放，不存在廢氣渦輪增壓反應滯后的問題，將成為未來汽油機增壓技術的發展方向。

本文采用發動機性能仿真軟件GT-POWER進行增壓與非增壓發動機模型的建立及仿真，并將仿真結果與實驗數據進行對比分析，以研究電動渦輪增壓對汽油機性能的影響。

1 汽油機計算模型

發動機內的流動、燃燒現象是一個非常復雜的過程，它涉及到物理、化學、傳熱、流體傳動等多學科的知識[6]。利用傳統的實驗方法很難得到發動機工作過程中各種參數的變化特性或是各個瞬時發動機的工作狀態，因此利用發動機仿真軟件建立數學模型，模擬發動機各個工況的工作過程，研究各個參數對發動機性能的影響，再通過實驗研究相互補充，已成為發動機研究、性能預測以及優化的一個重要手段[7]。

本文利用發動機仿真軟件GT-POWER，分別建立了發動機增壓與非增壓仿真模型，以研究電動渦輪增壓對汽油機性能的影響。模型包括由空氣濾清器、壓氣機、進氣總管、進氣歧管和進氣閥等組成的進氣子系統；由排氣支管、排氣總管和排氣閥等組成的排氣子系統；氣缸和曲軸等[8]。

1.1 缸內熱力過程計算模型

汽油機氣缸中的燃燒過程是化學能、熱能和機械能等多種能量相互轉化的過程[9]，因此采用三維模擬計算不僅需要消耗較多的時間，而且對計算機性能的要求也較高。采用零維模型不僅計算求解快，而且也能夠準確預測一些參數的變化對發動機性能的影響，因此，本文氣缸內工作過程采用零維模型。發動機氣缸零維燃燒模型數學表達式：

即假設與函數和空間無關，并作如下簡化假設[10]：

(1)氣缸內各點的狀態是相同的，即氣缸內各處的壓力、溫度以及燃料濃度處處相等，不存在差異，并且假設在進氣期間，進入氣缸的新鮮空氣能實現與缸內殘余廢氣的瞬間混合。

(2)微小的時間步長內，氣體流動為穩態流動。

(3)工質為理想氣體。

(4)進、出口的動能忽略不計。

1.2 進排氣管熱力過程計算模型

由于發動機進排氣管的軸向尺寸(進排氣管的長度)，相比其徑向尺寸(直徑)來說大得多，因此可以忽略其徑向尺寸的影響，即認為在發動機的仿真性能計算過程中，同一截面內的氣體成分、濃度、壓力以及溫度是相同的[11]；又由于發動機進排氣管中的氣體流動狀態非常復雜，可以看作是非定常流動，因此，進排氣管內的氣體流動認為是一維非定常流動[12]。

2 非增壓發動機仿真模型的建立及結果分析

2.1 非增壓發動機仿真模型的建立

采用GT-POWER軟件模擬汽油機的工作狀態時，一般將非增壓汽油機模型劃分為進氣系統、排氣系統和氣缸三個獨立的系統[13]。各個系統之間則通過熱量與質量的傳遞相互聯系[14]。

(1)進氣系統。非增壓汽油機的進氣系統一般由空氣濾清器、進氣總管、諧振腔、進氣歧管以及進氣閥等組成[15]。由于本次實驗測得的是空氣濾清器后進氣總管中的壓力和溫度，為了保證結果的準確性，忽略由于邊界條件的不同對結果造成的影響，因而在仿真模型中沒有加空氣濾清器，進口邊界即為發動機臺架試驗實測的進氣管中氣體的壓力和溫度等。

(2)氣缸。在保證結果的準確性又減小計算復雜程度的情況下，一般假定在極短的瞬間，氣缸內的氣體壓力、溫度和氣體濃度是處處相同的。

(3)排氣系統。排氣系統主要由排氣歧管、排氣閥以及排氣總管等組成。排氣系統的計算方法有兩種：有限容積法和特征線法[16]。有限容積法假設：在每一瞬時，排氣管內各點的氣體壓力和溫度處處相同，即其僅是時間的函數；特征線法則認為：在每一時刻，排氣管內的壓力和溫度沿管長方向是變化的，雖然其計算精度高，但其計算過程比較復雜，對計算機要求較高。因此，在本次的計算中，對發動機排氣管采用有限容積法。

本文根據1.5 L非增壓發動機的一些主要結構參數(見表1)，將發動機簡化成由進氣系統、排氣系統、氣缸、噴油系統、環境邊界以及相應連接管路等模型組成的計算模型。氣缸內的燃燒模型采用單區韋伯函數[17]，換熱系數由沃西尼1978年提出的經驗公式計算得出。

表1 發動機結構參數Tab.1 The structural parameters of the engine

續表1 發動機結構參數Tab.1 The structural parameters of the engine

其具體的GT-POWER仿真模型如圖1所示。

2.2 非增壓汽油機仿真結果分析

反映發動機運行狀況時常用外特性曲線，本文按外特性運行的7個工況點對發動機進行了模擬計算，轉速分別設置為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000r/min。仿真結果見表2。

2.3 非增壓發動機臺架試驗研究

非增壓發動機臺架試驗采用了FC2000發動機自動測控系統、電渦流測功機GW160、蓄電瓶、油耗儀、水溫表、排氣溫度表、大氣壓力計和431故障診斷儀等設備。電渦流測功機GW160參數見表3。

按發動機外特性運行的6個工況點進行試驗，其結果見表4。

圖1 非增壓汽油機GT-POWER仿真模型Fig.1 The GT-POWER simulation model of the non-turbocharged engine

轉速/(r·min-1)功率/kW轉矩/(N·m)燃油消耗率/(g·kW-1·h-1)進口壓力/kPa10008.4981.05392.1497.8150012.9582.45348.0098.3200019.5393.23321.8397.8250025.5093.94322.5096.8300029.5197.42306.3895.4350040.12109.45301.9195.9400048.14114.93299.8295.2

表3 電渦流測功機GW160Tab.3 The dynamometer GW160

表4 非增壓發動機外特性臺架試驗結果Tab.4 The external characteristic bench test results of the non-turbocharged engine

2.4 非增壓發動機仿真結果與臺架試驗數據對比分析

非增壓發動機仿真結果與臺架試驗數據對比曲線如圖2所示。

圖2 非增壓汽油機仿真結果與臺架試驗數據對比曲線Fig.2 The comparison curves between the simulation and the testes results of the non-turbocharged engine

由圖2仿真結果與實驗數據的對比曲線可以看出：轉矩僅在發動機轉速為1 500r/min和3 000r/min時，兩者之間的偏差超過了15%；燃油消耗率僅在3 000r/min時有較大偏差，綜合分析，產生偏差的原因主要來源于韋伯燃燒模型的限制，所做的假設均是理想狀態，另一方面可能來源于實驗環節。其他轉速下功率、轉矩和燃油消耗率的偏差都在5%之內，且仿真實驗數據偏低一些。仿真結果與實驗數據基本吻合，說明本文所建的仿真模型以及相關參數的選擇、邊界條件的設置較合理，為電動渦輪增壓發動機仿真模型的建立奠定了基礎。

3 電動渦輪增壓發動機仿真模型的建立及結果分析

3.1 電動渦輪增壓汽油機仿真模型的建立

電動渦輪增壓汽油機仿真模型是以非增壓汽油機的仿真模型為基礎進行改進的，需要改動的部分如下：

(1)添加壓氣機。在原非增壓汽油機模型中添加壓氣機。

(2)調整進氣歧管模型參數。由于增加了壓氣機，所以需對原模型進氣歧管進行調整。

(3)壓氣機控制。由于電動馬達系統過于復雜，因此使用速度信號對壓氣機進行控制。

建立的電動渦輪增壓汽油機GT-POWER仿真模型如圖3所示。

3.2 電動渦輪增壓汽油機仿真結果分析

由于仿真模型中渦輪的結構形式與電動渦輪不同，且對于不同結構、不同尺寸的渦輪來說，獲得同樣的增壓值，其對應轉速存在很大差異，因此，為了消除電動渦輪結構與轉速對結果的影響，本文在仿真計算時通過調整電動渦輪的轉速來控制進氣壓力，進而分析電動渦輪對汽油機性能的影響。

根據所建立的電動渦輪增壓汽油機仿真模型，通過調整渦輪轉速使進氣壓力控制在比非增壓發動機高5 kPa左右，按外特性運行的6個工況點(發動機轉速分別設置為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500r/min)進行了模擬計算。其仿真結果見表5。

圖3 電動渦輪增壓汽油機GT-POWER仿真模型Fig.3 The GT-POWER simulation model of the turbocharged engine

轉速/(r·min-1)轉矩/(N·m)功率/kW油耗量/(kg·h-1)油耗率/(g·kW-1·h-1)進口壓力/kPa100086.0013.73.41347.69102.150099.3020.04.83321.63102.82000108.0026.66.45309.30102.32500105.4031.38.42303.97100.83000113.5036.810.18294.0099.803500118.0046.411.53275.5099.80

4 增壓與非增壓汽油機仿真性能對比分析

增壓與非增壓汽油機性能仿真曲線如圖4所示。

5 結 論

(1)本文通過一維發動機性能仿真軟件GT-POWER建立了非增壓發動機的仿真模型，并將其仿真結果與非增壓發動機臺架試驗進行了比較。計算結果與試驗數據較吻合，說明所建立的計算模型是合理的，能夠反映發動機的工作性能及其變化。

(2)通過增壓與非增壓汽油機仿真性能進行對比，分析了電動渦輪對汽油機性能的影響。結果表明：在相同工況下，汽車運行的轉速范圍內，增壓與非增壓汽油機進氣壓力相差5 kPa左右時，發動機的功率、轉矩基本上都有一定程度的提高，轉矩平均提升13.15%，燃油消耗率平均下降6.93%，在一定程度上改善了汽油機的動力性和經濟性。

圖4 增壓與非增壓發動機外特性仿真結果對比曲線Fig.4 Comparison curves of the external characteristic simulation results between the turbocharged and the non-turbocharged engine

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凝膠色譜是根據多肽分子的大小、形狀差異進行分離的一種方法。根據分子篩原理，分子量大的部分出峰時間早，保留時間短；分子量小的部分出峰時間晚，保留時間長。本試驗中經凝膠液相色譜分析后，標準肽樣品與出峰時間擬合直線方程為y=-0.3383x+7.3451，R2=0.9917，表明各標準肽樣品的相對分子量對數與洗脫時間呈現良好的相關性，可以準確地測定樣品中多肽的分子量分布。

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Study on the Performance of Electric Turbocharged Gasoline Engine

Li Honggang ，Li Xiaoyan ，Li Jia

(Traffic College Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The performance of an electric turbocharged gasoline engine was studied in the terms of powerful and economical perspectives by employing the combination of simulation and experimental study in this paper.The simulation results of the GT-POWER simulation model of non-supercharged engine was compared to the bench tested results under the same condition.The rationality of the simulation model was verified and the electric turbo simulation model was established based on the non-supercharged simulation model.The results showed that the electric turbo can better improve engine performance and fuel economy under the same working condition.

GT-POWER；electric turbocharged；the performance of gasoline

2016-04-13

引進國際先進林業科學技術項目(948項目)(2015-4-33)

李宏剛，碩士，副教授。研究方向：載運工具功能創新。E-mail：1394379038@qq.com

李宏剛，李小燕，李 佳.電動渦輪增壓汽油機性能研究[J].森林工程，2016，32(6)：71-76.

U464.135

A

1001-005X(2016)06-0071-06