涡轮增压器与柴油机的匹配分析

涡轮增压器与柴油机的匹配分析
佚名
【摘要】文章选取适当的柴油机增压器，利用计算法确定增压器增压参数，并通过AVL-BOOST软件建立柴油机增压模型，对发动机与涡轮增压器的匹配进行仿真，并且对匹配结果进行分析。

结果表明，该软件进行增压器与柴油机的匹配仿真是比较好的，也说明了所选择的增压器是比较适合所匹配柴油机的。

%This paper selected the appropriate turbocharger,determined the supercharged parameters by the calculation method and modeled by using AVL-BOOST. Moreover,the simulation was carried out for the matching and the result was analyzed. Results showed that the matching of turbocharger and diesel engine with the simulation software is better and explained the turbocharger selected is suitable for diesel engine.
【期刊名称】《交通节能与环保》
【年(卷),期】2013(000)003
【总页数】4页(P40-42,50)
【关键词】柴油机;增压参数;增压模型;匹配
【正文语种】中文
【中图分类】U464.135
随着世界汽车保有量的不断增多，人们对汽车的的各种性能追求也越来越高，而在
这众多性能中对发动机的动力性和燃油经济性是最基本的要求，因此增压技术得到了快速发展[1]。

从发展趋势来看，增压程度越来越高，现在最大平均有效压力已超过3.0 MPa，这样高的平均有效压力，使得高增压柴油机出现了机械负荷和热负荷严重、低工况性能和瞬态特性变差等突出的问题，因此对增压系统提出了越来越高的要求:要具有良好的全工况性能，主要是有利于改善低工况性能；较高的排气能量利用率；气缸扫气顺利；有害排放物低；瞬态特性好；排气管系结构尽可能简单；易于实现系列化生产；涡轮尽量采用单进口。

为了满足这些要求，人们研发了多种增压系统，尤其是为了改善高增压柴油机的低工况性能，国内外研究人员通过各种途径做了大量的工作，并取得了较显著的成绩[2]。

涡轮增压车用柴油机要获得良好的性能，必须要解决好增压匹配问题。

所以进行涡轮增压器与车用柴油机的良好匹配的研究，是一项重要的工作[3]。

内燃机与涡轮增压器的匹配是一个复杂的过程，一般都要经过计算，再选用增压器进行匹配试验，直到达到良好配合[4]。

1 增压参数的确定
增压参数主要有:增压压力pc、压比πc、空气流量Gc（kg/s）、容积流量V0（m3/s）和涡轮前废气平均温度tr。

空气流量Gc和压比πc是增压参数中最重要的两个参数，一般计算法和图解法得到，本文采用计算法确定增压相关参数。

增压所需空气量Ge（即压气机空气流量Gc）为:
式中，ge为燃油消耗率；a为过量空气系数。

对于四冲程发动机空气流量Gc又可表示为:
式中，n为发动机转速；pc为压气机出口的空气密度；ην为容积效率；ηs为扫气效率；Vh为排量。

由式（1）和（2）可得压气机出口的空气密度:
压气机进口的空气压力为:
式中，Δρ为压气机进口处压降，取为6 kPa
由式（3）、（4）可得压气机压比为:
式中， p0为压气机进口空气密度；ηn为压气机多变效率，取0.76。

2 增压器的选定
（1）根据四冲程柴油机的增压要求，算出平均有效压力 pe值。

（2）选取柴油机每千瓦·小时的空气消耗量Ga值及过量扫气空气系数φk值。

（3）根据 pe及Ga/φk，从图1中可得到空气增压比 pk/p0。

（4）根据四冲程柴油机的汽缸数i、排量Vh、转速n及选取的φk值，算出表征柴油机每分钟容积流量的参数iVhnφk。

（5）根据压比 pk/p0值及iVhn φk值，在图2中可得到空气流量Gk。

（6）利用 pk/p0值及Gk值，在废气涡轮增压器的压气机特性曲线图（由增压器制造厂家提供）上，找出相应的点。

如果相应的点能够落在压气机特性曲线的高效率区内，又不太靠近喘振线，则可认为此废气涡轮增压器基本合适。

选出的废气涡轮增压器与柴油机配套运行，根据联合工作的运行线及柴油机的工作特点，对废气涡轮增压器作修改调整[5]。

本文所选增压器的相关参数如表1所示。

3 柴油机增压模型
表1 所选柴油机和增压器参数表参数名称参数值6缸V 型柴油机J95BS增压
(n=2100r/min)缸径D/mm排量V/L燃油消耗率ge/g·(kW·h)-1环境温度Ta/K
环境压力P0/kPa转速n/r/min过量空气系数ɑ容积效率ηv增压器机械效率增压
器初始转速/r·min-2排气管容积/L涡轮进口叶轮直径/mm涡轮最大效率涡轮排气背压/kPa涡轮工作轮通流截面积/cm2压气机初始效率中冷器冷却系数
13211.92142939021001.70.980.951000008.42683.50.8343.20.750.85
本文采用AVIL-BOOST软件建立柴油机增压模型，将发动机系统分成若干个简单的、易处理的子系统，用所选的柴油机和增压器的结构、热力等参数设置模块变量，通过模型搭建、改变不同工况参数实现柴油机与增压器的匹配分析[6]。

柴油机增
压模型如图1所示，Cl～C6为气缸子系统；进气边界SB1、空气净化器CL1、增压器TC1、中冷器CO1及稳压箱PL2、PL3组成了进气系统；排气边界SB2、增压器TC1及催化转化器CAT1组成排气系统。

进气系统中，清洁空气先经过压气
机进行压缩，然后再经过中冷器进行冷却，为保证各缸的均一性气体经稳压腔后再进入气缸。

为了利用排气中的脉冲能量，排气系统采用三缸一管的结构方式。

将发动机进/排气管道尺寸、配气相位、平均机械损失压力等参数输入模型中，模型中
的环境边界条件与发动机试验环境条件保持一致，增压器模型采用全模型。

气门升程对匹配的结果有较大影响，需要在柴油机定义时对进气门流量系数和排气阀气门升程进行设定，该模型中设置排气门开启时间占340°CA，提前角为
14.5°CA。

增压器工作区域应避开喘振线，留有一定的喘振欲度，所以确定增压模型的喘振线至关重要。

在定义涡轮增压器时，需要采用取样点的方法在压气机特性曲线中找到压气机对应柴油机转速下的运行点。

图1 柴油机增压模型
4 匹配模型的运行结果
选取转速2100 r/min、1900 r/min、1700 r/min三种运行工况，根据柴油机增
压理论，可算出所选增压机三种运行工况下的流量和压比，如表2。

表2 三个转速下的流量和压比发动机转速/r⋅min-1 流量/kg⋅s-1 压比2100 0.485
2.921900 0.43 2.651700 0.375 2.396
运行该模型，发现选定的增压机工作区域有效地避免了喘振，在三个转速工况下可以实现稳定运转，并且所选增压器与实验柴油机的联合运行线穿过了压气机的高效率区，离喘振线有一定的裕度，这说明了所选择的增压器基本可以适合实验柴油机，利用AVL-BOOST软件可以比较准确地进行增压器与柴油机的匹配仿真，从而减
少了增压器选定过程中的工作量。

5 结论
综上所述，本文提出的增压模型运用boost软件仿真方法，可为柴油机与增压器
的良好匹配提供了依据。

但由于柴油机发动机与增压器的良好匹配是比较复杂的过程，因此在用此方法进行计算、匹配时，应充分考虑到与柴油机发动机匹配有关的各种问题，如压气机的喘振，增压压力的升高和降低，以及涡轮进口温度的升高，并经过不断的匹配试验、调整，最终实现满足柴油机发动机的预期性能要求的涡轮增压器。

参考文献:
【相关文献】
[1]张哲，马朝臣.VGT的发展及可调结构配合间隙优化方法的研究[J].车辆与动力技术，2005，
(2):57-62.
[2]杨世友，顾宏中等.柴油机涡轮增压系统研究现状进展[J].柴油机.Diesel Engine，2001，(4):1-5.
[3]孟德千.涡轮增压器与车用柴油机匹配研究[J].柴油机设计与制造，2007，3，(15):33～35.
[4]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社，2009，1，(2):60～76.
[5]沈权.内燃机增压技术[M].北京:中国铁道出版社，1990:120～146.
[6]赵艳婷，殷勇.柴油机涡轮增压器建模与匹配[J].
[7]王军，苏铁熊，张俊跃.车用柴油机增压匹配数值模拟研究[J].内燃机工程，2007，10，(5):48～51.。