GDI發(fā)動機(jī)與渦輪增壓器匹配性能

許恩永， 涂展飛， 唐競， 黃豪中*

(1. 東風(fēng)柳州汽車有限公司， 柳州 545005； 2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南寧 530004)

渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性，以及減少排放污染物方面發(fā)揮了重要作用[1]。渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用在汽油機(jī)上，可在保證動力性的前提下減小發(fā)動機(jī)尺寸，有利于降低發(fā)動機(jī)運(yùn)行負(fù)荷和摩擦損失，提高整車性能[2]。目前，渦輪增壓技術(shù)正朝著車用汽油機(jī)小型化以及高增壓、超高增壓方向發(fā)展，是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

渦輪增壓器在工作時，由廢氣驅(qū)動渦輪機(jī)，壓氣機(jī)在渦輪機(jī)的帶動下對空氣進(jìn)行壓縮，間接地耦合到發(fā)動機(jī)上。增壓器會根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量作出響應(yīng)，但會有一定的滯后[3-4]，在低速工況由于排氣能量的不足，這種響應(yīng)滯后更加明顯。故渦輪增壓器只能滿足發(fā)動機(jī)特定工況的要求，在非設(shè)計工況其性能會惡化[5]。因此對于發(fā)動機(jī)而言，需根據(jù)所關(guān)注的工況選擇合適的渦輪增壓器部件，才能發(fā)揮發(fā)動機(jī)在該工況下的最佳性能[6]。

曲興年等[7]利用AVL Boost軟件建立了簡化的增壓發(fā)動機(jī)模型，對比了不同增壓器的性能。Tang等[8]使用GT-Power對發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)過程進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)蒸汽輔助渦輪增壓可以減少加速過程中的響應(yīng)時間和油耗。Kesgin[9]利用不同的計算方法研究了增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)性能的影響，表明優(yōu)化的發(fā)動機(jī)具有明顯的改進(jìn)潛力。張有等[10]對比了幾種增壓系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)使用混合式脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)時，發(fā)動機(jī)的加速性能更好。彭成成等[11]利用GT-Power軟件分析了不同廢氣旁通閥開度對小流量增壓柴油機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化旁通閥開度可以改善小流量增壓器的壓力平衡，提高中高速的動力性和經(jīng)濟(jì)性。莫錦濤等[12]對一臺機(jī)械增壓器的葉輪型線進(jìn)行了改型設(shè)計，提高了增壓器的流量，并利用Fluent軟件分析了壓比對流量和扭矩的影響。殷勇等[13]利用GT-Power軟件仿真分析了不同電動壓氣機(jī)布置形式對柴油機(jī)性能的影響，并在柴油機(jī)升級的混動平臺上研究了電動增壓效果，研究表明合理的選擇增壓方式與增壓系統(tǒng)能提高整車動力性與經(jīng)濟(jì)性。

雖然目前已有許多改進(jìn)的發(fā)動機(jī)排氣渦輪增壓方法，但有關(guān)新型渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)瞬態(tài)性能參數(shù)的研究結(jié)果仍然很少。因此，對于擴(kuò)大汽油缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection, GDI)發(fā)動機(jī)渦輪增壓與匹配的研究領(lǐng)域，仍需進(jìn)一步研究。

現(xiàn)對一臺GDI發(fā)動機(jī)進(jìn)行增壓器匹配，研究不同流量增壓器方案下的發(fā)動機(jī)性能，得出動力性和經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的增壓器方案，分析不同增壓系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)與增壓器性能的影響，提高了增壓發(fā)動機(jī)的性能。

1 渦輪增壓器匹配

1.1 匹配原理及難點(diǎn)

發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣量、轉(zhuǎn)速應(yīng)與渦輪增壓器流量、效率相協(xié)調(diào)，一般用發(fā)動機(jī)與渦輪增壓器的聯(lián)合運(yùn)行線來評估匹配的效果。良好的匹配應(yīng)使聯(lián)合運(yùn)行線穿過壓氣機(jī)點(diǎn)火控制曲線圖(MAP圖)的高效率區(qū)，遠(yuǎn)離喘振線和堵塞線[14]。對于渦輪機(jī)，主要考慮其流通能力，如果渦輪機(jī)流通能力不夠，會導(dǎo)致排氣壓力過大，造成發(fā)動機(jī)泵氣損失升高，經(jīng)濟(jì)性變差；若渦輪機(jī)流通能力過大則會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力不足[15]。由于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化范圍很大，增壓器僅在目標(biāo)工況時提高發(fā)動機(jī)性能，無法滿足所有復(fù)雜工況的需求。所以發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配目標(biāo)為：優(yōu)選增壓器型號與增壓系統(tǒng)[16]，拓寬渦輪機(jī)流量變化范圍，使發(fā)動機(jī)具有較好的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 匹配方法及過程

基于GT-Power軟件，采用仿真模擬的方法進(jìn)行發(fā)動機(jī)與渦輪增壓器的匹配。匹配過程主要分兩個步驟進(jìn)行，首先利用仿真軟件GT-power建立發(fā)動機(jī)與渦輪增壓器聯(lián)合運(yùn)行模型，根據(jù)發(fā)動機(jī)外特性試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型標(biāo)定；然后基于標(biāo)定模型，分析不同增壓結(jié)構(gòu)和不同增壓器方案對發(fā)動機(jī)性能的影響，由此得出最優(yōu)的增壓系統(tǒng)方案。

2 研究對象

2.1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

基于一臺缸內(nèi)直噴4缸汽油機(jī)進(jìn)行增壓器匹配，發(fā)動機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)Table 1 Engine parameters

2.2 渦輪增壓器參數(shù)

表2列出了三種增壓器方案。各方案的壓氣機(jī)MAP相同，僅在渦輪機(jī)MAP上有所差異。所有方案都基于雙流道增壓器結(jié)構(gòu)，且渦前流道的流通面積不同。三種渦輪機(jī)方案的詳細(xì)MAP如圖1所示，主要區(qū)別為：原機(jī)為雙流道完全開啟。方案一和方案二均使用與原機(jī)同型號的增壓器，但僅用其中一個渦前流道作為廢氣入口，方案一使用大流道。方案三采用流通面積更大的另一型號增壓器。由圖1可知，方案一和方案二的效率隨膨脹比增大而增大，方案三效率隨膨脹比增大而減小。

表2 增壓器匹配方案Table 2 Supercharger matching scheme

圖1 渦輪機(jī)方案MAP圖Fig.1 MAP of turbine scheme

3 GT-Power仿真模型建立與標(biāo)定

3.1 GT-power模型的建立

利用GT-power建立增壓GDI發(fā)動機(jī)仿真模型，如圖2所示，包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸、曲軸箱和渦輪增壓系統(tǒng)等基本模塊。該發(fā)動機(jī)采用的渦輪增壓系統(tǒng)為脈沖增壓系統(tǒng)，氣缸排出的廢氣從上、下兩根渦管分別流到渦輪機(jī)，上渦管接2、3缸，下渦管接1、4缸，兩者互不干擾，工作時可以形成排氣脈沖，減少廢氣能量的損失。

圖2 渦輪增壓汽油機(jī)的GT-Power仿真模型Fig.2 GT-Power simulation model of turbocharged gasoline engine

3.2 模型標(biāo)定

為確保所建的計算模型能準(zhǔn)確模擬發(fā)動機(jī)的實際工作狀況，根據(jù)發(fā)動機(jī)的外特性試驗數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過程中，利用控制器控制渦輪機(jī)廢氣旁通閥的開度，使壓氣機(jī)達(dá)到目標(biāo)增壓比，并按實際噴油量控制進(jìn)油。圖3所示為標(biāo)定模型的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比，各參數(shù)曲線吻合良好，誤差均在5%范圍內(nèi)，可用于增壓器的進(jìn)一步匹配計算[17]。

圖3 標(biāo)定模型試驗值與仿真值對比Fig.3 Comparison between calibration model test value and simulation value

4 仿真結(jié)果分析

4.1 兩種增壓系統(tǒng)仿真結(jié)果對比

汽油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)主要有定壓增壓和脈沖增壓兩種結(jié)構(gòu)形式。原機(jī)采用脈沖增壓系統(tǒng)，利用排氣支管把相鄰發(fā)火氣缸的排氣分隔開，減少氣缸排氣壓力波的干擾。而定壓增壓系統(tǒng)則將發(fā)動機(jī)所有氣缸排出的廢氣匯聚在一個體積較大的排氣總管內(nèi)，排氣總管起到穩(wěn)壓作用，可以維持進(jìn)入渦輪機(jī)氣流的壓力穩(wěn)定。

在現(xiàn)有仿真模型的基礎(chǔ)上，將四根排氣支管并聯(lián)在一根大體積排氣總管上，形成定壓增壓系統(tǒng)，如圖4所示。此時四個缸輪流排氣，通過排氣總管穩(wěn)壓之后，再通入到渦輪機(jī)。增壓器MAP與原機(jī)保持一致。

圖4 定壓增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of constant pressure supercharging system

計算過程中按目標(biāo)空燃比控制噴油量，并控制扭矩與原機(jī)一致，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知，采用定壓增壓結(jié)構(gòu)，低速工況下扭矩較小。其原因是低速時排氣脈沖能量對增壓器性能影響較大，定壓系統(tǒng)的增壓能力不足，噴油量減少，無法達(dá)到目標(biāo)扭矩。在高速時由于增壓度的提升，脈沖能量對增壓器性能的影響相對較小，定壓系統(tǒng)的增壓進(jìn)氣能力與脈沖系統(tǒng)基本一致，故能達(dá)到目標(biāo)扭矩。特別是在1 000 r/min工況時，扭矩降幅最大，達(dá)29.6%。

從圖5(b)可以看出，采用定壓增壓結(jié)構(gòu)時，發(fā)動機(jī)的比油耗更低，表現(xiàn)出更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合圖5(c)和圖5(d)分析原因，高速工況定壓增壓系統(tǒng)的泵氣損失(泵氣負(fù)功)明顯減少，熱效率提高，相同扭矩下油耗更低。低速工況時，盡管定壓增壓結(jié)構(gòu)無法達(dá)到目標(biāo)扭矩，但采用該結(jié)構(gòu)時排氣的流動損失較小，獲得的泵氣正功增多，提高了發(fā)動機(jī)熱效率。且定壓結(jié)構(gòu)的渦端效率高于脈沖結(jié)構(gòu)，所以前者的比油耗在低速工況時較低。

從圖5(e)可以看出，脈沖增壓系統(tǒng)有利于提高充量系數(shù)，起到改善氣缸內(nèi)掃氣的作用。圖5(f)則顯示，采用定壓增壓結(jié)構(gòu)時整機(jī)的渦前排溫較高，且已超出限值950 ℃。

圖5 兩種增壓系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of two supercharging systems

從圖6可以看出，采用定壓增壓系統(tǒng)喘振裕度較小。這是因為定壓增壓系統(tǒng)的排氣能量利用率較低，低速時由于排氣量少，無法提供足夠驅(qū)動力，壓氣機(jī)的增壓能力不足，無法達(dá)到指定增壓比和目標(biāo)進(jìn)氣量，更易發(fā)生喘振。

圖6 兩種增壓系統(tǒng)壓氣機(jī)效率MAP圖Fig.6 MAP of compressor efficiency of the two supercharging systems

綜合以上分析，發(fā)動機(jī)在增壓度較高的情況，定壓增壓系統(tǒng)泵氣損失較小，有效熱效率較高，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，但低轉(zhuǎn)速工況轉(zhuǎn)矩性能較差，渦前排氣溫度較高。對于車用發(fā)動機(jī)而言，其不需要過大的增壓度，但對加速性能和低速轉(zhuǎn)矩性能要求較高，因此宜采用脈沖增壓結(jié)構(gòu)。脈沖增壓能改善發(fā)動機(jī)掃氣，有利于提高發(fā)動機(jī)的低速性能，不易發(fā)生喘振。

4.2 不同方案仿真結(jié)果

由于脈沖增壓結(jié)構(gòu)的熱效率較低，為降低整機(jī)油耗，需設(shè)計適宜的增壓器方案。本文開展了三種增壓器方案的匹配計算，得到了采用不同增壓器時發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)。

計算過程中按目標(biāo)空燃比控制噴油量，并保持各方案的目標(biāo)扭矩與原機(jī)一致，如圖7(a)所示。從圖7(b)油耗結(jié)果上看，相比于原機(jī)，方案一和方案二在1 000 r/min時油耗更低，中高速工況下油耗明顯提升。方案三則表現(xiàn)出相反的趨勢，除1 000 r/min外其余工況的油耗均低于原機(jī)。相比于原機(jī)，采用方案三時，最大扭矩點(diǎn)比油耗降幅為2.9 g/(kW·h) @2 000 r/min，最大功率點(diǎn)比油耗降幅11.7 g/(kW·h) @5 500 r/min。

由圖7(c)可知，采用大流量渦輪機(jī)方案三時，高速工況時泵氣損失明顯減少，最大降幅0.075 MPa；低速工況時泵氣功增加。故發(fā)動機(jī)所做的有用功增加，熱效率提高，比油耗降低，且在高速工況降幅明顯。而方案一和方案二，由于采用單渦前流道，流通面積和流量較小，排氣壓力較高，泵氣損失增多，因此比油耗增大，且方案二的比油耗最大。在1 000 r/min時，由于排氣量少，采用小流量的方案一和方案二時，渦輪機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)更好，提高了發(fā)動機(jī)熱效率，比油耗降低。

圖7 三種方案仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of three schemes

由圖7(e)可知，增大渦前流道面積后，充量系數(shù)有所降低，方案三的充量系數(shù)最小，對缸內(nèi)掃氣產(chǎn)生一定的不利影響。但增大流道流通面積有助于降低排溫。由圖7(f)可以看出，方案一和方案二的渦前排溫超出了限值950 ℃，方案三的渦前排溫相比原機(jī)下降，且未超限值。

從圖8中可以看到，各方案的聯(lián)合運(yùn)行線在高速工況時表現(xiàn)出較大差異，低速工況時基本一致。各方案增壓器均未超速運(yùn)行，聯(lián)合運(yùn)行線處在中高效率區(qū)。低速工況時靠近喘振線，喘振裕度較?。桓咚俟r時遠(yuǎn)離堵塞線。

圖8 三種方案壓氣機(jī)效率MAP圖Fig.8 Compressor efficiency MAP of the three schemes

由于流通面積更大，排氣流速減慢，方案三的瞬態(tài)響應(yīng)相對較弱，增壓壓力的上升速度緩慢。且大流量方案需要更多的廢氣能量驅(qū)動渦輪機(jī)，因此方案三的增壓比最小，聯(lián)合運(yùn)行線低于其余方案，穿過最高效率區(qū)。方案三遠(yuǎn)離最高轉(zhuǎn)速線，工作范圍相比其他方案更為廣泛。

根據(jù)以上對比分析，在輸出扭矩一致的情況下，增大渦前流道的流通面積，采用大流量渦輪機(jī)方案，有利于減少泵氣損失，提高發(fā)動機(jī)熱效率，降低比油耗，減小超速風(fēng)險。

5 結(jié)論

通過GT-Power軟件對一臺GDI發(fā)動機(jī)進(jìn)行增壓器匹配計算，得到以下結(jié)論。

(1)定壓增壓結(jié)構(gòu)減少了氣缸排氣壓力波的干擾，有助于減小泵氣損失，提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。但其低速工況轉(zhuǎn)矩特性較差，壓氣機(jī)易發(fā)生喘振現(xiàn)象，充量系數(shù)較小。

(2)脈沖增壓系統(tǒng)對排氣能量的利用率較高，在低速時的扭矩特性表現(xiàn)良好，且充量系數(shù)大，有助于發(fā)動機(jī)缸內(nèi)掃氣。但該結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較高的泵氣損失，降低了渦輪機(jī)效率和發(fā)動機(jī)熱效率，比油耗高于定壓增壓系統(tǒng)。

(3)為了提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，基于脈沖增壓系統(tǒng)，設(shè)計了大流量的渦輪機(jī)方案。使用該方案提高了充量系數(shù)，顯著減少了泵氣損失，有助于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣能力和熱效率的提升，使最大功率點(diǎn)比油耗降幅11.7 g/(kW·h-1)，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足了開發(fā)需求。