基于CAE仿真的某汽油机增压器高原能力研究

张应兵，王军，雷蕾

(江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022)



基于CAE仿真的某汽油机增压器高原能力研究

张应兵，王军，雷蕾

(江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022)

针对某款增压型汽油发动机，运用CAE仿真手段分析该款发动机所匹配的增压器性能。通过标定平原状态下整机仿真模型，预测不同海拔高原工况下增压器性能并进行对比分析。通过CAE仿真分析，实现了预测增压器高原性能、挖掘整机潜能，并对增压器设计开发及整机匹配起到一定的指导作用。

CAE；汽油机；增压器；高原

0　引言

众所周知,当前汽车工业向着高动力、低油耗、低排放方向发展，而发动机作为汽车主要的动力源，起着至关重要的作用[1]。涡轮增压技术的出现很好地解决了工程师们对发动机动力性、经济性和排放等性能指标的要求[2]。因此，涡轮增压器的性能对发动机及整车至关重要。其中，增压器在不同海拔高原处的性能表现直接影响整机及整车性能表现。由此可见，分析研究增压器性能是一个非常有意义的课题[3]。

作者运用CAE仿真方法分析预测增压器高原工况性能,并分析和评价增压器性能。

1　研究对象

文中研究对象为某增压汽油发动机，该发动机匹配了某涡轮增压器。增压的基本类型分涡轮增压、机械增压、气波增压3种，对应的增压器称涡轮增压器、机械增压器、气波增压器。涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。将发动机发出的废气引入涡轮机，废气的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸，见图1。

涡轮增压的最大优点是燃油经济性好，并可大幅度降低有害气体的排放和噪声水平；而其缺点是低速时排气能量低，增压效果差，低速加速性能较差[4]。而海拔较高的高原地区大气气压低、温度低、空气稀薄，这会严重影响涡轮增压器的发动机在低转速区域内的性能表现；与此同时，压气机为了输出更高的压比来提高进气量，可能会使得压气机工作在喘振区域(叶轮可能发生破坏的极限不稳定状态)，从而造成增压器的损坏。因此，研究增压器高原性能表现具有重要工程意义。

图1　涡轮增压器工作示意图

2　仿真分析及结果

运用某一维分析软件，搭建该汽油机与增压器仿真分析模型。需求数据包括进排气管路结构尺寸(管径、管长、弯曲度等)、气缸参数(缸径、冲程等)、燃烧数据(试验测量)、空滤器以及中冷器相关结构参数和性能数据等。

不同海拔高原下，大气状态参数关系见表1。

表1　大气状态参数表

2.2仿真模型标定

在预测增压器高原性能之前，需要进行整机平原性能标定，即依据可信的试验数据参数作为输入边界和目标对模型进行仿真，并不断修正仿真模型中的各项参数，直至与试验参数相同或相近(误差3%以内)[3]。

仿真分析结果与试验结果在数值上与曲线形状上吻合性均较好，见图2；主要性能指标包括扭矩、功率及比油耗，误差最大均低于限值4%，关键点低于2%，表明试验与仿真对比验证结果相一致，具体见表2。结合以上分析：该仿真模型分析精度可满足工程要求，具备准确预测高原性能的条件。

图2　发动机性能试验测量值与CAE仿真值对比结果

对比项目最大差值低端扭矩最大扭矩最大功率结论扭矩/(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高原性能预测

从学生的实际出发，创编行之有效的教学情境是小学数学教学的突破口，学生在不自觉中达到认知活动与情感活动有机的“渗透”与“融合”，使学生的情感和兴趣始终处于最佳状态，全身心的投入到学习之中，从而保证教学活动的有效性和预见性。同时，通过对教材中教学情境的研究，在如何有效的应用主题图和练习中的情境图方面提供有实际操作价值的成功经验和具体做法。

结合前文分析，针对平原海拔0 km与高原海拔2 000 m工况进行整机性能与增压器性能预测，并作对比分析。

(1)发动机性能预测

增压器运行状态直接影响到发动机性能，因此可以从发动机性能表现来直接判断增压器运行性能。评价增压型发动机性能主要从低端转速(1 000 r/min)、最大扭矩出现起始转速点、最大扭矩结束转速点、额定转速点等工况的动力性、经济性进行分析。

相对于平原性能预测结果，2 000 m海拔高原工况，发动机1 000 r/min扭矩下降16.2%；4 000～5 000 r/min扭矩下降3.7%～18.7%，其中额定转速(5 000 r/min)工况功率下降最高，达18.7%；整机比油耗(油耗量与功率之比)较平原均有提高，低端转速与额定转速燃油消耗提高约4%、全负荷最小燃油消耗提高约0.3%，具体见图3—5。从分析结果不难看出:由于增压器性能的限制，发动机在低转速和高转速区域动力性、经济性均有不同程度的恶化，而中等转速区域无影响。

图3　平原0 km与高原2 km工况整机扭矩对比结果

图4　平原0 km与高原2 km工况整机功率对比结果

图5　平原0 km与高原2 km工况整机比油耗对比结果

(2)增压器性能分析

随着海拔升高，当地大气压力和温度下降、空气稀薄、含氧量低，因此需要增压器提高压气机压比增加进气压力，以保证进气量。图6为压比对比结果，中高转速压比均有提高;而低转速区域压比反而降低，这是由于在低转速区域发动机废气量较小，不足以驱动涡轮高速转动，从而无法带动同轴的压气机压缩进气做功，因此压比较小。图7为压气机出口处气体温度，可得：高原工况下压后温度大幅提升，这就对中冷器性能提出一定要求：首先要满足不会损坏中冷器及相关传感设备，其次中冷器性能能否满足发动机对进气冷却效果的目标。图8为增压器效率对比结果，发动机处于中低转速时，该款增压器在高原工况时的效率高于平原；而高转速区域较低。

图9为压气机运行工况图，横坐标为进气体积流量、纵坐标为压比，图中还包含了等效率线和转速线以及喘振线，具体见图中标注所示。

图6　压气机压比对比

图7　压气机出口气体温度对比

图8　增压器效率对比

图9　压气机试验运行工况图

压气机匹配原则：在选择和设计增压器时尽可能将发动机工况点运行在高等效率线附近：发动机低转速运行工况不能超出图中喘振线以外，否则压气机工作不稳定、长期容易造成损坏；发动机高转速工况不能运行在图中阻塞线以外，否则造成压气机进气阻塞、效率低下。

将发动机各个工况点下对应的进气流量、压比在图9中描出，可得到图10所示的压气机匹配图。

图10　压气机匹配图

从图10不难看出：高原2 000 m时，发动机处于低转速、低流量时，压比已经接近左侧喘振线，若海拔再提高，进气压比也无提升空间；发动机处于中等转速区域的工况，压气机效率较平原远离最高等效率线，此时压气机效率降低；高转速区域接近阻塞线和最大转速线，压比提升空间非常小，因此

2 000 m高原工况整机性能在低速和高速均出现不同程度的动力性下降、油耗增加。

3　结论

通过文中的仿真分析，得出以下结论：

(1)通过仿真分析，预测了高原2 000 m增压器运行状态以及其与发动机整机的匹配效果，预测和挖掘了该增压器的高原能力。

(2)通过CAE仿真方法预测增压器高原能力，提供了一种研究增压器的方法，对指导增压器开发设计具有一定的指导意义。

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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

张应兵(1979—)，男，工程师，研究方向为发动机产品的设计开发。E-mail：414205610@qq.com。

U464.135+.1

B

1674-1986(2016)08-041-04