基于CAE仿真的某汽油機增壓器高原能力研究

張應(yīng)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(yīng)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(fā)動機，運用CAE仿真手段分析該款發(fā)動機所匹配的增壓器性能。通過標(biāo)定平原狀態(tài)下整機仿真模型，預(yù)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(xiàn)了預(yù)測增壓器高原性能、挖掘整機潛能，并對增壓器設(shè)計開發(fā)及整機匹配起到一定的指導(dǎo)作用。

CAE；汽油機；增壓器；高原

0　引言

眾所周知,當(dāng)前汽車工業(yè)向著高動力、低油耗、低排放方向發(fā)展，而發(fā)動機作為汽車主要的動力源，起著至關(guān)重要的作用[1]。渦輪增壓技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了工程師們對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放等性能指標(biāo)的要求[2]。因此，渦輪增壓器的性能對發(fā)動機及整車至關(guān)重要。其中，增壓器在不同海拔高原處的性能表現(xiàn)直接影響整機及整車性能表現(xiàn)。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(yù)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(fā)動機，該發(fā)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(yīng)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(gòu)成。將發(fā)動機發(fā)出的廢氣引入渦輪機，廢氣的能量推動渦輪機葉輪旋轉(zhuǎn)，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(nèi)增壓后進入氣缸，見圖1。

渦輪增壓的最大優(yōu)點是燃油經(jīng)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(qū)大氣氣壓低、溫度低、空氣稀薄，這會嚴(yán)重影響渦輪增壓器的發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的性能表現(xiàn)；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(qū)域(葉輪可能發(fā)生破壞的極限不穩(wěn)定狀態(tài))，從而造成增壓器的損壞。因此，研究增壓器高原性能表現(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)包括進排氣管路結(jié)構(gòu)尺寸(管徑、管長、彎曲度等)、氣缸參數(shù)(缸徑、沖程等)、燃燒數(shù)據(jù)(試驗測量)、空濾器以及中冷器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能數(shù)據(jù)等。

不同海拔高原下，大氣狀態(tài)參數(shù)關(guān)系見表1。

表1　大氣狀態(tài)參數(shù)表

2.2仿真模型標(biāo)定

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

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

圖2　發(fā)動機性能試驗測量值與CAE仿真值對比結(jié)果

對比項目最大差值低端扭矩最大扭矩最大功率結(jié)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(yù)測

從學(xué)生的實際出發(fā)，創(chuàng)編行之有效的教學(xué)情境是小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的突破口，學(xué)生在不自覺中達到認知活動與情感活動有機的“滲透”與“融合”，使學(xué)生的情感和興趣始終處于最佳狀態(tài)，全身心的投入到學(xué)習(xí)之中，從而保證教學(xué)活動的有效性和預(yù)見性。同時，通過對教材中教學(xué)情境的研究，在如何有效的應(yīng)用主題圖和練習(xí)中的情境圖方面提供有實際操作價值的成功經(jīng)驗和具體做法。

結(jié)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(yù)測，并作對比分析。

(1)發(fā)動機性能預(yù)測

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

相對于平原性能預(yù)測結(jié)果，2 000 m海拔高原工況，發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)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(jié)果不難看出:由于增壓器性能的限制，發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速區(qū)域動力性、經(jīng)濟性均有不同程度的惡化，而中等轉(zhuǎn)速區(qū)域無影響。

圖3　平原0 km與高原2 km工況整機扭矩對比結(jié)果

圖4　平原0 km與高原2 km工況整機功率對比結(jié)果

圖5　平原0 km與高原2 km工況整機比油耗對比結(jié)果

(2)增壓器性能分析

隨著海拔升高，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫蜏囟认陆怠⒖諝庀”?、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(jié)果，中高轉(zhuǎn)速壓比均有提高;而低轉(zhuǎn)速區(qū)域壓比反而降低，這是由于在低轉(zhuǎn)速區(qū)域發(fā)動機廢氣量較小，不足以驅(qū)動渦輪高速轉(zhuǎn)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(guān)傳感設(shè)備，其次中冷器性能能否滿足發(fā)動機對進氣冷卻效果的目標(biāo)。圖8為增壓器效率對比結(jié)果，發(fā)動機處于中低轉(zhuǎn)速時，該款增壓器在高原工況時的效率高于平原；而高轉(zhuǎn)速區(qū)域較低。

圖9為壓氣機運行工況圖，橫坐標(biāo)為進氣體積流量、縱坐標(biāo)為壓比，圖中還包含了等效率線和轉(zhuǎn)速線以及喘振線，具體見圖中標(biāo)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(shè)計增壓器時盡可能將發(fā)動機工況點運行在高等效率線附近：發(fā)動機低轉(zhuǎn)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(wěn)定、長期容易造成損壞；發(fā)動機高轉(zhuǎn)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(fā)動機各個工況點下對應(yīng)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(fā)動機處于低轉(zhuǎn)速、低流量時，壓比已經(jīng)接近左側(cè)喘振線，若海拔再提高，進氣壓比也無提升空間；發(fā)動機處于中等轉(zhuǎn)速區(qū)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(zhuǎn)速區(qū)域接近阻塞線和最大轉(zhuǎn)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(xiàn)不同程度的動力性下降、油耗增加。

3　結(jié)論

通過文中的仿真分析，得出以下結(jié)論：

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

(2)通過CAE仿真方法預(yù)測增壓器高原能力，提供了一種研究增壓器的方法，對指導(dǎo)增壓器開發(fā)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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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(yīng)兵(1979—)，男，工程師，研究方向為發(fā)動機產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。E-mail：414205610@qq.com。

U464.135+.1

B

1674-1986(2016)08-041-04