涡轮增压汽油机匹配计算及性能预测

4.0 3.5 3.0 海拔3 000 m
效 率/% 0
压比
2.5 平原
50
2.0
1.5 100
1.0 0 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025
折 合 流 量 /kg·s-1
图 4 压气机与发动机联合运行曲线
图 5 为涡轮与发动机的联合运行曲线。 从图中 可以看出涡轮的效率都在 60%以上， 说明此款废气 涡轮增压器与发动机匹配效果良好。
在平原上具有良好的扭矩特性， 将设计点选在平原
工况上，即转速 n=2 000 r/min，功率 pe=45 kW，平均 有效压力 pme=1.82 MPa， 比油耗 ge≤300 g/（kW·h）， 涡轮前压力 pT=160 MPa， 涡轮前温度 TT=940 ℃，中 冷后温度 TS≤320 K。 3.2.1 空气流量和增压压力
最 大 爆 发 压 力/MPa 扭 矩 /N·m
充气系数
燃油消耗率 /g·（kW·h）-1
试验值
8
仿真值
7
6
5
4
1.0
0.9
0.8
160
140
120
350 300 250 200 150
80
60
40
20
40 30 20 10
0 1 500 2 500 3 500 4 500 5 Baidu Nhomakorabea00 6 500
转 速 /r·min-1
2012 年 第 10 期
表 1 1.5VCT 发动机技术参数
缸 径 /mm
75
行 程 /mm
84.8
扭 矩 （转 速 ）/N·m（r/min）
135（5 000）
功 率 （转 速 ）/kW（r/min）
78（6 000）
压缩比
10.5
配气相位
进气排气双 VCT
2.2 发动机建模及标定 所建立的 1.5VCT 发动机一维仿真 模 型 如 图 1
所示。 模型包括进气系统、排气系统、气缸、曲轴等，其
中，空燃比、配气相位等由提供数据直接输入，燃烧 模型采用双区韦伯燃烧模型， 并将试验测得的燃料 50%放热率时对应的曲轴转角和快速燃烧期 （10%90%放热率对应的曲轴所旋转角度） 输入到韦伯模 型中。 韦伯指数 m 选择为 2，机械损失压力 pm 采用 D.E.Winterbone 提出的经验公式进行计算[5]。
燃烧 1 kg 93# 汽油所需的空气量，取 14.7 kg。
根 据 式 （1）和 式 （2）算 得 GS≈182 kg/h，pS≈195
kPa。
3.2.2 涡轮前平均压力
在涡轮前平均压力确定之前， 首先对涡轮前排
气平均温度进行估计， 因为排气温度过高会造成涡
轮的损坏和催化器的烧蚀，所以涡前温度 TT 设定为 1 170 K，涡前压力 pT 可以根据涡轮与增压器的功率 平衡来求得，即：
面积 F=18.2 cm2。
根据以上所得参数选择了某公司提供的一款型
号为 TF035 的增压器。
4 涡轮增压发动机外特性匹配
4.1 涡轮增压发动机模型的建立 在不改变原机结构型式的基础上，增加了涡轮增
压装置，本文只显示了加装增压器后的部分（图 3）。
中冷器 压气机 传动轴
放气阀
涡轮
图 3 增压发动机模型（局部）
图 2 发动机性能试验值与仿真值
功 率 /kW
背 压 /kPa
3 涡轮增压器选型
3.1 设计性能指标的确定
该款涡轮增压发动机的设计要求见表 2 所列。
表 2 增压后发动机性能参数
排 量 /L
1.49
压缩比
9.5
最 大 功 率 （ 转 速 ）/kW（r/min）
115（6 000）
最 大 扭 矩 （ 转 速 ）/N·m（r/min）
·设计·计算·研究·
涡轮增压汽油机匹配计算及性能预测
倪计民 1 李 钊 1 张小矛 2 陈 明 2 （1.同济大学；2.上海汽车集团股份有限公司）
【摘要】应用 GT-power 软件建立了某 1.5 VCT 发动机一维仿真模型，并通过试验数据对模型进行了标定。 根据 涡轮增压发动机的设计要求估算了涡轮增压器的性能参数值，从而选择了一款涡轮增压器。 建立了加装涡轮增压器 之后的发动机模型，增加了放气阀装置，并分别进行了平原、高原环境下的发动机的匹配计算和性能预测。 结果表 明，在平原、高原环境下发动机匹配情况均良好。
结合发动机外特性试验数据对模型进行了标 定，结果如图 2 所示。 从图 2 可看出，计算值和实测 值的曲线趋势比较吻合， 并且误差均在 5%以内，满
—1—
·设计·计算·研究· 足工程计算需要， 因此所建模型可以进行与涡轮增 压器的匹配工作。
进 气 歧 管
排 气 气歧 缸管
消声器与催化器
曲轴
图 1 1.5VCT 发动机一维仿真模型
汽车技术
·设计·计算·研究·
286 J/（kg·K）；GT 为 排 气 流 量 ，GT=（1.02~1.03）GS；pa 和 Ta 分 别 为 大 气 压 力 与 温 度 ， 取 pa=0.1 MPa，Ta= 298 K；pT0 为涡后压力，pT0=pa+（0.002~0.005）MPa。
除 pT 外，式（3）中其他参数值均已知，因此可以 求得 pT≈155 MPa。 3.2.3 几何当量流通面积
空气流量与增压压力计算公式如式（1）和式（2）
所 示 [6，7]。
空气流量：
GS=
pe 1
geαφs 000
L0
（1）
增压压力：
pS=
αφspmeTSge 878ηvφs
（2）
增压后的进气压力 pS 必须保证进 入 气 缸 足 够
的空气量。 因此，取充气系数 ηv=0.9；取过量空气系
数 α=0.9；扫气系数 φs 取值为 1.02；L0 为理论上完全
215（2 000~4 500）
配气相位
进气相位可变
汽油机采用涡轮增压受到爆震的限制， 所以压 —2—
缩比由原来的 10.5 降为 9.5，同时，为了提高排气能
量传递效率，减小了排气门的开启提前角，增大了排
气门的气门升程。
3.2 涡轮增压器性能指标估算
对涡轮增压器进行匹配之前， 应该首先对增压
参数进行估算来选择合适的增压器。 增压参数主要
ηTb
GT 75
kT kT-1
RTTT
≈1-（pT/pT0）
（k -1）/k
T
T
≈
=
GS 75
k k-1
RTa ≈（ps/pa）（k-1）/k-1
≈
（3）
式中，ηTb 为涡轮增 压 器 总 效 率 ；kT 为 涡 轮 前 等 熵 指 数 ，kT＝1.33；k 为 大 气 等 熵 指 数 ，k＝1.4；R 为 大 气 气 体常数，R=287 J/（kg·K）；RT 为涡轮前气体常数，RT=
0.014 0.012 0.010
效 率/% 15
折 合 流 量 /kg·s-1
0.008
海拔3 000 m
0.006
35
平原
0.004
0.002 70
0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
压比
图 5 涡轮与发动机联合运行曲线
4.3 发动机性能预测
通过仿真计算，得出了平原上以及海拔3 000 m
本文针对某款国产 1.5 L 废气涡轮增压发动机 的前期开发， 通过公式计算对涡轮增压器进行了选 型， 并应用 GT-power 仿真软件对发动机进行了平 原和高原的匹配研究以及性能预测。
2 数值模型的建立及标定
2.1 发动机基本参数 本文所采用的匹配机型为 1.5 VCT 发动机，其
具体技术参数见表 1 所列。
有 ： 所 需 空 气 流 量 GS、 增 压 压 力 pS、 涡 前 平 均 压 力 pT、涡前平均温度 TT 和几何当量流通面积 F。
车用增压内燃机为了获得低速大扭矩和良好的
加速性，涡轮增压器需按内燃机低速、小流量设计，
乘用车用增压器的设计转速常为内燃机标定转速的
40%。 由于该款发动机主要在平原上运行，为保证其
4.1.1 放气阀 在发动机最大扭矩点选配涡轮增压器可能使增
压器在额定工况点出现超速现象。 为了在大扭矩时 确保良好的匹配特性， 而在额定工况下又不致于增 压过量， 可以采用放气调节。 本文采用在涡轮前放 气的方法， 使一部分排气不经过涡轮做功而直接排 入排气管中。 GT-power 中的 Wastegate 模块可以实 现这个功能，自动对放气阀执行 PID 控制来达到目 标进气压力要求。 4.1.2 燃烧模型
燃烧参数在涡轮增压器匹配过程中十分重要， 因为加入涡轮增压器后，由于会考虑到爆震的影响，
2012 年 第 10 期
点火提前角一般会推迟；同时，由于压力的变化和缸 内气流的影响， 燃烧持续期也会相应的变化。 如果 燃烧参数不改变，这样会对仿真结果造成很大误差。 在进行涡轮增压发动机变工况运行特性计算时，韦 伯燃 烧 函 数 中 指 数 m、50%放 热 率 对 应 的 曲 轴 转 角 φZ 和快速燃烧期应做出相应的调整，根据以往发动 机试验数据以及经验， 增大 50%放热率对应的曲轴 转角 φZ，以减小快速燃烧期。 4.2 涡轮增压器匹配情况
主题词：汽油机 涡轮增压器 匹配 性能预测 中图分类号：U464.171 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2012）10－0001－03
Turbocharging Engine Matching and Performance Prediction
Ni Jimin1, Li Zhao1, Zhang Xiaomao2, Chen Ming2 （1.Tongji University; 2.SAIC）
在平原地区，选择在 2 000~5 000 r/min 转速范围 内，保证其扭矩达到 215 N·m 左右。 在高原地区，根 据企业设计要求，保证在 2 000~5 000 r/min 转速范围 内功率损失不超过 15%。 压气机与发动机联合仿真 结果如图 4 所示。 由图 4 可以看出，运行工况曲线穿 过压气机高效率区域内， 并且没有喘振和超速的情 况发生；高原的联合运行曲线高于平原，这主要原因 是高原地区空气稀薄，气压低，所以为了使发动机达 到目标功率和扭矩，压比和折合流量会相应升高。
Key words：Gasoline engine， Turbocharger， Matching， Performance prediction
1 前言
废气涡轮增压技术已经成为了汽油机节能 减 排 的 关 键 技 术 [1]，20 世 纪 70 年 代 末 国 外 汽 油 机 开始逐渐采用增压技术，且美国、欧洲、日本一些汽 车 公 司 已 经 推 出 了 自 己 的 成 熟 产 品[2]。 近 些 年 ， 国 内 也 进 行 了 越 来 越 多 的 相 关 研 究 ，如 文 献[3]对一 款涡轮增压汽油机进行了匹配研究，即通过电算法 分别对不同增压器进行匹配计算，并最终选择了一 款综合性能最优的涡轮增压器；文献[4]优化了某涡 轮增压器特性曲线，并进行了涡轮增压发动机排气 歧管的匹配。
根据排气流量 GT 与涡轮前排气平均压力 pT 和 温度 TT，可以估算涡轮的有效当量流通面积 ψF：
姨 姨 姨 姨 姨 姨 GT姨TT pT
=ψF
2 RT
kT kT-1
×
pT0 pT
2/kT
-
pT0 pT
（kT +1）kT
（4）
通过式（4），可得 ψF=19.2 cm2，其中 ψ 为流量系
数，由 ψ 的经验数据选定 ψ=1.05，则几何当 量 流 通
【Abstract】A 1-D model of a 1.5 VCT engine was with GT-power software was built and calibrated with the test data. Performance parameters of the turbocharger was estimated according to design requirement of turbocharged engine, thus a turbocharger is selected. An engine model added with turbocharger is established, in which a relief valve is added, and engine match calculation and performance predication are made under plain and plateau environment. The results show that the engine match is quite good both in plain and plateau environment.