某柴油机增压器匹配计算

高东东，王军

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

某柴油机增压器匹配计算

高东东，王军

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

利用AVL BOOST软件对某款涡轮增压中冷柴油机进行增压器匹配选型。通过计算模型的标定，计算结果和试验数据吻合较好，证明计算模型的准确性。在标定模型的基础上，提高目标扭矩，基于相同的全负荷和增压比，计算增压器一和增压器二的匹配效果。计算结果表明：增压器一的匹配效果明显优于增压器二，建议选用增压器一匹配新机型。

柴油机；增压器匹配；模型标定

0 引言

涡轮增压系统是发动机领域内强化升功率、改善燃油经济性、降低排放和恢复发动机高原动力性的有效技术措施[1-2]。现如今，增压机型已成为内燃机的基本型[3]。为了使增压器对发动机性能的改善效果达到最佳，除了要求发动机及增压器本身的良好性能外[4]，两者匹配合适与否也对发动机的性能产生直接影响[5]，因此对增压器进行匹配计算具有重要意义。

1 计算模型

1.1 计算说明

基于AVL BOOST软件对一款2.0 L四缸废气涡轮增压中冷柴油机进行增压器匹配计算。计算思路是在标定基本型的基础上，提升目标最大扭矩至310 N·m(设计部门要求)，基于相同的全负荷和增压比，计算两个厂家提供的增压器(后面简称增压器一和增压器二)的匹配效果。

1.2 模型标定

2.0 L基本型发动机采用的是增压器二。根据发动机各零部件的实际几何尺寸和特性参数搭建BOOST计算模型，如图1所示。

为了验证计算模型的正确性，必须采用试验数据对其进行标定。即通过试验数据修正BOOST模型参数，使计算结果逼近试验测量结果。文中依据最新试验数据进行基本型的性能标定，标定结果如图2—11所示。

从上述一系列的对比图中可以看出，除低速涡前压力偏差较大以外，其他计算结果与试验数据能很好地吻合。

在1 000～1 800 r/min转速范围内，试验涡前压力与软件计算值差异较大。对比该机型的其他版本涡前压力测量数据，发现其数据一致性较差，涡前压力测量值波动大。公司1.9 L柴油机与此次分析的2.0 L柴油机排量相近，且增压器类型相同，因此，1.9 L柴油机试验数据具备比较意义。表1即为两款发动机涡前压力数据对比，可以看出1.9 L柴油机试验值与2.0 L柴油机试验值差异较大，而与2.0 L柴油机计算值差值保持在10～20 kPa内，且变化趋势一致。由此可以初步判定，该版本涡前压力数据测量误差较大，失去对比的意义。综上所述，可以认为该模型准确，能够用于后续数据分析及性能预测。

表1 涡前压力对比

2 增压器匹配分析

2.1 计算边界校核

在进行增压器匹配计算时，计算结果需要满足表2中所列的参数要求。

表2 计算边界

基于相同目标扭矩、功率和压比的前提下(图12—14)，表2中所列参数计算结果如图15—18所示。

匹配增压器二的发动机涡前压力(图15)和涡前温度(图16)比增压器一略高，但仍然满足限值要求。增压器一的最高转速比增压器二略高(图17)，也满足限值要求。匹配两款增压器的缸内最大爆压相当(图18)，均满足限值要求。综上所述，4项参数均满足表中限值要求，可通过此计算结果进行增压器的匹配效果评判。

2.2 匹配结果分析

在压气机特性曲线图上，将外特性工况下以增压比和空气流量表征的增压器和柴油机联合运行点确定下来。这样，当柴油机按某一特性运行时的所有工况点都可在压气机特性曲线上确定下来，从而形成了图19—20所示的特性曲线，通常称为增压器和柴油机联合工作后的联合运行线。联合运行线反映了增压器与柴油机匹配运行时两方面的综合情况，因此通常都借助于联合运行线来判断增压器与柴油机的匹配是否合适[3]。

增压器一联合运行线(图19)：压气机工况点没有喘振和堵塞的风险，喘振裕度约为18%，同时，堵塞裕度较大；发动机的最大扭矩工况点运行于压气机较高效率范围内，且运行曲线的高效率范围较大。

增压器二联合运行线(图20)：压气机低速工况点已经在喘振线上，压气机发生喘振的可能性较大；压气机堵塞裕度较大；最大扭矩工况点运行于压气机较高效率范围，运行曲线的高效率范围与增压器一相当。

图21—23为两个增压器在整个转速范围内的运行效率对比结果。

可以看出：增压器一的运行总效率明显高于增压器二，特别是涡轮机效率最大差值高达6%,而两个压气机运行效率相差不大。

综上所述：增压器一的压气机喘振余量较大，运行曲线的高效率范围较大，匹配较好；增压器二压气机低速工况点已经在喘振线上，发生喘振的可能性较大，匹配不佳。

2.3 整机性能对比

重要整机性能参数的计算结果对比如图24—28所示。由于增压器二的涡轮机运行效率和总效率均低于增压器一，从而导致增压器二的排温较高(图25)、比油耗较高(图26)。此外，增压器二的空气流量及过量空气系数要略低于增压器一(图27—28)。

从上述整机性能对比可以看出，匹配增压器一的整机性能要优于匹配增压器二的发动机性能。

3 结束语

通过上述模型标定和匹配分析,可以得出如下结论:

(1)增压器一的压气机喘振余量较大，运行曲线的高效率范围较大，匹配较好；增压器二的压气机低速工况点已经在喘振线上，发生喘振的可能性较大，匹配不佳。

(2)两个增压器均能满足当前的动力需求，但匹配增压器一的整机比油耗、过量空气系数和排气温度等参数要优于匹配增压器二的发动机。

综上所述,增压器一匹配效果优于增压器二，建议采用增压器一匹配新机型。

【1】曾文,宋崇林.直喷汽油机燃料与空气混合过程的大涡模拟[J].沈阳工业大学学报,2010,32(3):258-265.

【2】杨世友,顾宏中,郭中朝.柴油机涡轮增压系统研究现状与进展[J].柴油机,2001(4):1-5.

【3】陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

【4】梅芬,王军.某国Ⅴ柴油机增压器匹配计算[J].汽车制造业，2013(13):42-44.

【5】颜平涛,王超,杨陈，等.基于AVL-BOOST软件汽油机增压器匹配研究[J].小型内燃机与摩托车，2013,42(3):10-15.

Turbocharger Matching and Calculation for a Diesel Engine

GAO Dongdong, WANG Jun

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

Turbocharger matching and selection for a turbocharged and intercooled diesel engine were done by AVL BOOST software. By calibrating the calculation model, the calculated results had good agreement with the test data, which verified the accuracy of calculation model. On the basis of the calibration model, to boost target torque, matching effects of turbochager one and turbocharger two were calculated based on same full load and pressure ratio. The calculation results indicate that matching effect of turbochager one is better than that of turbochager two, so turbochager one is typically recommended to match new model.

Diesel engine;Turbocharger matching; Model calibration

2015-07-20

高东东(1984—)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为发动机性能分析。E-mail:goden1001@126.com。