车用发动机与涡轮增压器匹配

1.发动机涡轮增压系统匹配及动态特性的仿真分析涡轮增压是提高发动机动力性和改善经济性的最有效措施。高空环境条件对航空发动机提出了功率恢复的特殊要求，而增压技术是实现发动机高海拔功率恢复的重要措施。目前，国外小型航空活塞式发动机涡轮增压技术已经比较成熟，国内正在致力于这方面的研究。本文以ROTAX914发动机为研究对象，对GT25涡轮增压器与发动机的匹配、JK48可变截面涡轮增压器与发动机的匹配以及涡轮增压控制系统的动态特性进行了研究。本论文在对发动机涡轮增压器进行选型的基础上，应用MATLAB/Simulink软件建立了GT25增压器与发动机匹配、JK48增压器与发动机匹配以及增压控制系统动态特性的仿真模型；研究了不同海拔下发动机与增压器的匹配规律。通过研究，确定了GT25增压器与发动机的匹配规律，建立了增压器放气阀开度随发动机转速和海拔高度变化的MAP图，分析了充量系数和过量空气系数对GT25增压器与发动机匹配规律的影响。对JK48可变截面涡轮增压器与ROTAX914发动机的匹配规律进行了仿真研究。确定了JK48增压器与发动机的匹配规律，建立了叶片转角随发动机转速和海拔高度变化的MAP图，讨论了涡轮效率、涡轮流量系数以及发动机充量系数等因素对JK48可变截面涡轮增压器与发动机匹配的影响。对涡轮增压控制系统的动态特性进行了仿真研究；结果表明，在一定的负载转动惯量下，控制系统具有较好的动态响应特性、准确性和稳定性。研究了控制算法对增压控制系统动态特性的影响，比较了普通PID和积分分离PID算法下控制系统的动态特性。通过研究，确定了负载转动惯量对增压控制系统性能的影响规律。研究结果可以为我国四冲程活塞式航空发动机研发过程中涡轮增压器的选型、增压器与发动机的匹配以及涡轮增压控制系统的设计等提供一定的分析依据。2.车用发动机与涡轮增压器匹配研究涡轮增压技术作为提高柴油机功率、改善其燃油经济性、降低排放的最有效措施之一，已经得到了广泛的应用。涡轮增压技术是利用发动机废气推动涡轮旋转，带动同轴的叶轮旋转，从而实现对从空滤器来的新鲜空气进行增压的目的。通过将涡轮增压的高压空气压入气缸来提高气缸中的空气密度，达到增加发动机缸内空燃比的目的，使得柴油机的功率增加。涡轮增压技术是提高发动机动力性和燃油经济性的主要手段之一，采用涡轮增压技术的柴油机可比自然吸气的发动机提高40％～60％的功率，甚至更多；发动机的平均有效压力最高可达到3MPa，发动机的燃油经济性有了很大提高，目前已经在车用发动机上进行了非常广泛的应用。本文通过对2款涡轮增压发动机的匹配研究，可以提前评估各种涡轮增压器方案的先进性，然后进行有针对性的匹配试验，从而大大减少开发过程中的试验量，使开发工作更具针对性，提高开发效率，节省成本。本文对车用发动机与涡轮增压器的匹配性能进行了台架试验研究，其主要工作和创新之处为：⑴对涡轮增压发动机气缸内活塞的运动和燃油燃烧以及放热情况，介绍了涡轮增压发动机气缸内的缸内模型、燃烧模型、放热模型、扫气模型和管道模型。⑵对两款不同涡轮增压发动机功率的进行了试验对比研究，得出了两款涡轮增压发动机在不同转速下的功率情况。⑶对两款不同涡轮增压发动机在部分关键转速下的转矩进行了模拟与试验，分析对比了两款涡轮增压发动机在不同的转速下的转矩优劣情况。⑷对两款涡轮增压发动机在部分转速下的比油耗进行了模拟与计算，得出两款涡轮增压发动机的额定点比油耗、最低比油耗、低速端比油耗。⑸研究了两款涡轮增压器匹配后排温对比情况。3.发动机与涡轮增压匹配控制软件的设计与开发随着内燃机技术的发展,传统的增压技术已不能满足高压比、加速性能改善、低速扭矩提高、排放法规日益严格等要求,发展先进的增压匹配技术势在必行。二级增压系统、可调涡轮增压系统、EGR系统等技术的发展将有效改善柴油机的动力性、经济性和排放性能。而部分发动机仿真软件已经不能满足现代内燃机增压匹配的计算功能,针对这种现状,本文基于PowerBuilder软件和Oracle数据库开发了一套辅助现代内燃机增压匹配的软件。通过该软件能够实现现代内燃机增压匹配各阶段的有效计算,使现代内燃机增压匹配更加准确、高效。本文以现代内燃机与涡轮增压器为研究对象,提出了利用计算机辅助的方法实现现代内燃机增压匹配的方案。针对不同类型及用途,带有先进增压系统如可调增压、二级增压,带有先进排放控制系统如排气后处理系统、EGR系统等的现代内燃机增压匹配技术进行研究,开发了一套辅助现代内燃机匹配增压器的软件。该软件能够在现代内燃机仿真模型构建、增压器参数确定、性能全面模拟、性能试验等各个阶段为增压匹配提供专业的技术支持,使得主机厂能够主导增压匹配的全过程,并且全面提升增压器的匹配水平,减少性能模拟计算和试验工作量,使现代内燃机的增压匹配趋于更加快捷、高效、准确。本文对某型号柴油机进行了实例匹配计算,计算结果与试验数据相吻合,证明该软件能有效为现代内燃机匹配增压器。4.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)与柴油机的匹配及其控制的研究由于在动力、节能和排放等方面的优势,柴油机已成为节能环保汽车的实现技术选择,随着全球车用动力“柴油化”趋势的形成,增压技术在柴油机上的应用愈加广泛。本文结合国家科技部“863”项目“长丰新一代桥车用高效环保柴油机研发”,对可变喷嘴增压器(VNT)与柴油机的匹配及其控制展开研究,以解决常规涡轮增压柴油机存在低速转矩不足、部分负荷经济性差以及瞬态响应迟缓等问题。本文建立了涡轮增压柴油机各物理子系统工作过程的数学模型,在此基础上,利用GT-Power一维仿真软件,建立D01柴油机仿真计算模型,并与试验数据进行对比,验证该模型的准确性。利用仿真计算模型,开展了VNT与D01柴油机的匹配仿真研究,确定了全工况下,可变喷嘴环的最佳开度以及相应的最佳增压压力。根据仿真计算结果,分析了喷嘴环开度对发动机动力性与经济性的影响,并确定了最佳喷嘴环开度随发动机转速及负荷的变化规律。在对VNT与发动机的匹配结果进行深入分析的基础上,确定了VNT在各工况下的控制策略:稳态采用增压压力反馈PID控制;瞬态典型工况采用叶片位置式控制;怠速工况通过水温判断来确定喷嘴开度的大小。在此基础上对控制算法进行了研究,并利用Simulink建立了VNT控制系统模型。在此基础上,进行了控制系统执行部件选型研究。利用dSPACE平台,搭建了硬件在环系统,将执行机构与控制模型连接,对VNT进行了位置式反馈控制,实现软硬件联合调试。结果表明,系统误差较小,响应迅速,达到了控制要求。5.4G15T汽油机增压器匹配仿真研究与实验随着我国经济的发展和进步，家用轿车的数量急剧增加，随之而来的是石油消耗量的快速增长和城市空气污染的恶化，汽车发动机节能减排的研究势在必行。涡轮增压器利用发动机废气能量，可以提高发动机动力性能、降低燃油消耗、改善发动机尾气排放，因此涡轮增压技术在汽车发动机中得到广泛应用。本文对4G15T增压汽油发动机进行涡轮增压器选型和匹配研究，具体工作包括以下几个方面:1)对汽油机与涡轮增压器匹配的原理和流程进行研究。根据4G15T汽油发动机的结构参数和开发目标，利用经验公式，对涡轮增压器方案进行初选。2)建立4G15T增压汽油发动机仿真模型，对初选的涡轮增压器进行匹配仿真计算，并进行了动力性、经济性等方面的分析。3)对完成匹配的4G15T增压汽油机进行了台架实验，对比分析仿真计算结果和台架实验结果，结果表明仿真计算结果与实验数据误差很小。4)对采用不同叶轮面径比大小的涡轮增压器对4G15T汽油机发动机的影响进行仿真匹配计算，结果表明，匹配叶轮面径比小的涡轮增压器，发动机低速转矩得到有效提升，发动机低速比油耗下降，但是在高速工况，由于涡前压力高，发动机排气阻力加大，动力性和经济性都有损失，不能完全满足发动机性能要求。6.涡轮增压汽油机数值模拟与性能优化研究本文进行了1.5L汽油机涡轮增压匹配的研究，并对气道喷射增压汽油机进行了参数优化，对直喷增压汽油机部分负荷工况进行了分析研究。文中对1.5L气道喷射自然吸气发动机的工作过程进行了模拟，并在此基础上建立直喷模型，并对直喷汽油机和增加可变气门正时机构后的发动机进行了模拟计算与分析，结果表明改进后的直喷方案能提高发动机动力性，但对经济性改善作用不明显。以气道喷射发动机为原型，对其选配涡轮增压器，进行了匹配计算与试验分析；并对发动机的进排气正时，进气管尺寸进行了优化，最终确定了相关参数。结果表明增压后汽油机的动力性有大幅度提升，经济性有所改善，但排气温度有所升高。以直喷发动机为原型，对其选配了涡轮增压器，进行了匹配计算与分析；并计算了不同节气门开度下，不同的进排气正时时发动机的BMEP（平均有效压力），BSFC（比油耗）等，优化了不同节气门开度和转速下的进排气正时。结果表明涡轮增压中冷直喷汽油机排气温度高，在部分负荷时，发动机运行线靠近喘振线，应重新选择匹配策略。本文对1.5L汽油机的模拟计算都是与相关试验结合的，计算结果与试验结果有较好的一致性，对汽油机的增压匹配与性能计算具有重要的指导意义。1、涡轮增压器与发动机的匹配概述总的来说，发动机与增压器的匹配有三个方面，即发动机与压气机匹配、发动机与涡轮的匹配和压气机与涡轮的匹配。细分的话，应该包括：增压器的压气机、增压器的废气涡轮、发动机的排气管系统、发动机的进气系统、中冷器、空气滤清器、消音器、进排气配气相位、运转工况参数、环境参数等。2、发动机对压气机的要求a、发动机对压气机的要求：1）、压气机不但要求达到预定的压比，而且要具有高的效率。即压气机效率越高，在同一增压压力时，空气温度越低，从而得到的增压空气的密度就越高，增压效果就越好。2）、不同用途的发动机对压气机特性的要求也不同。对于发电用的固定式发动机及按螺旋桨特性工作的船用发动机一般的压气机特性均能满足要求，而车用发动机由于转速范围宽广，故就要求相应的压气机特性具有宽广的流量范围，而且要有较宽的高效区。b、怎样评价发动机与压气机的匹配：1）、需要经试验得出的压气机特性曲线，同时要有发动机各转速下耗气特性曲线，将发动机的耗气特性曲线与压气机的特性曲线相叠合就可以看出匹配情况。2）、发动机的特性曲线应穿过压气机的高效区，而且最好使发动机的运行线与压气机的高效率的等效率圈相平行。对于车用发动机，则要求最大扭矩点正好位于压气机最高效率区附近。如果发动机运行线整个位于压气机特性右侧，则表明所选的压气机流量偏小，使联合工作时压气机处于低效区工作，在这种情况下就要重选较大型号的增压器，或加大压气机通流部分尺寸，使压气机特性向右移动。如果向反，发动机运行线整个偏于压气机特性左侧，则一方面发动机低转速时压气机效率降低，同时有可能出现喘振。在这种情况下就要重选择较小型号的增压器或减小压气机通流部分尺寸，使压气机特性向左移动。3）、发动机的气耗特性线离开压气机喘振线有一定的距离。否则如发动机耗气特性曲线离喘振线太近或甚至与之相交的话，在联合工作时就可能出现喘振。一般，要求发动机低转速的耗气特性曲线离开压气机喘振线的距离也即所谓的喘振裕度约为10%Gcmin（喘振流量）。3、发动机对涡轮的要求1）、在发动机整个运行范围内涡轮具有较高的效率。2）、涡轮具有合适的流通能力，以保证提供给压气机所需要的功率。4、压气机与涡轮的平衡条件为：1）、转速相等，即nc=nt。2）流量连续，对于单独运行的一台涡轮增压器，当管道无泄漏时通过涡轮的燃气质量流量应等于压气机流量与燃料之和，即Gt=Gc+Gf。3）、功率平衡，在增压器稳定运行时涡轮的输出功率等于压气机消耗功率及机械损失功率之和，即Nt=Nc+Nm5、涡轮增压器与发动机的匹配良好条件评价要求1）、发动机运行范围内正处于压气机高效区，且离压气机喘振线有一定的裕度。2）、发动机运行范围内不出现过高的排气温度。3）、发动机运行范围内增压器转速ntc不超过极限值，也不出现过高的增压压力以致Pmax值。4）、发动机负荷特性上Pc与Pt的交点位于低负荷区，且越低越好。5）、增压发动机能达到预定的功率、经济性及烟