一种基于整车性能的涡轮增压器匹配选型方法与流程

本发明涉及汽车发动机技术领域，具体说是一种涡轮增压器匹配方法。

背景技术：

废气涡轮增压已经成为了汽油机节能减排的关键技术。20世纪70年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，得到了迅速的发展，并且，美国、欧洲、日本的汽车一些汽车公司已经推出了自己成熟的产品，并处于完善和推广应用阶段。传统的增压器匹配方法只考虑增压器与发动机的匹配情况，以单个设计点进行匹配工作，这种匹配方法有一定的局限性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于整车性能的涡轮增压器匹配选型方法，通过分析整车对发动机的性能要求，发动机对涡轮增压器的性能要求，进行涡轮增压器匹配选型；具体技术方案为：

(1)原汽油机一维模型建立的建立：根据汽油机基本参数，应用GT-Power软件建立原机数值仿真模型，在GT-Power软件模块库中有相应的预定义模块用来建立发动机仿真模型；

(2)增压汽油机一维模型的建立：原汽油机模型加装增压器模型后，添加中冷器、废气旁通阀模块，最终建立的增压汽油机GT-Power模型；

(3)整车一维模型的建立：GT-Power软件建立整车稳态计算模型、运动学计算模型、动力学计算模型；进行仿真计算，分别对整车的90km/h等速油耗，循环工况油耗和百公里加速时间三个参数进行分析，这三个模型中整车参数都保持一致；根据分析数据，选择多款涡轮增压器，分别针对整车NEDC循环工况、外特性工况、高原工况对多款涡轮增压器与发动机进行匹配分析，以选出符合多工况要求的增压器；

针对NEDC循环下发动机工况点比较离散的特点，为便于匹配标定，将发动机工况点区域分为10个部分，并对各部分进行频度分布统计；频度即为各部分所占NEDC循环运行的时间；

对选择的多款增压器再进行发动机外特性以及高原工况的匹配研究，以期选出更符合多工况要求的涡轮增压器；将选择的多款增压器数据输入到GT-Power软件中进行外特性匹配计算；综合NEDC循环 工况、外特性工况及高原3000m工况匹配分析结果，选择最终增压器型号。

本发明的优点是：根据实际车型增压匹配的需求，从整车性能出发，进行增压器的匹配分析，提高了发动机的性能。

附图说明

图1增压器1在NEDC循环工况下联合运行图

图2增压器2在NEDC循环工况下联合运行图

图3增压器3在NEDC循环工况下联合运行图

图4增压器4在NEDC循环工况下联合运行图

图5发动机扭矩随时间变化规律

图6发动机转速随时间变化规律

图7 NEDC循环发动机运行工况点

图8增压器1外特性及高原工况下联合运行图

图9增压器2外特性及高原工况下联合运行图

图10增压器3外特性及高原工况下联合运行图

图11增压器4外特性及高原工况下联合运行图

具体实施方式

下面结合具体实施例说明本发明。

增压器-发动机仿真平台、整车仿真平台

原汽油机一维模型建立

针对某款1.5L汽油发动机增压化的研究，基于GT-SUIT建立了增压器-发动机仿真平台以及整车仿真平台。在增压器选型阶段，考虑所选增压器对整车性能的影响，并把对整车性能的影响作为评价所选增压器的指标之一。

以某国产1.5L自然吸气四缸四冲程汽油机为载体，汽油机基本参数如表1所示。

表1汽油机基本参数

应用GT-Power软件建立原机数值仿真模型，在GT-Power软件模 块库中有相应的预定义模块用来建立发动机仿真模型，最终建立的发动机仿真模型。

试验值由台架试验得出，结果表明模型外特性仿真数值与试验数据较为吻合，发动机各项性能参数的误差能都在5％以内。

增压汽油机一维模型建立

此款涡轮增压发动机的设计要求如表2所示。

表2增压后发动机性能参数要求

原机模型加装增压器模型后进行多次调试，添加中冷器、废气旁通阀模块，最终建立的增压汽油机GT-Power模型。

整车一维模型建立

原自然吸气发动机匹配的是某款国内自主品牌汽车，整车相关参数如表3所示。

表3整车参数

建立整车稳态计算模型、运动学计算模型、动力学计算模型，进行仿真计算，分别对整车的90km/h等速油耗，循环工况油耗和百公里加速时间三个参数进行分析，这三个模型中整车参数都保持一致。

仿真结果与试验值的误差不超过5％，如表4所示，模型的精度满足工程需要，可以进行下一步计算。

表4整车性能仿真值与试验值对比

3基于整车需求的多工况增压器匹配

选择增压器时需要先初步确定增压器的主要性能参数，增压参数主要有增压压力、空气流量、涡轮前废气平均温度和几何当量流通面积。

3.1空气流量和增压压力

汽油机增压时，空气流量和增压压力的计算公式如下：

空气流量

增压压力

在式中，取过量空气系数α＝0.9，取扫气系数充气系数 取值则为0.9；L₀为理论完全燃烧1kg汽油所需的空气量，取14.7kg，根据式3-1、式3-2算得G_c＝0.051kg/s、p_c＝1.92bar。

3.2涡轮前排气平均压力

涡轮前排气平均压力可以根据涡轮与增压器的功率平衡来计算，即：

式中，η_Tb为涡轮增压器总效率，k_T＝1.33，k＝1.4，R＝287J/(kg.K)，R_T＝286J/(kg.K)；G_T为排气流量，G_T＝(1.02～1.03)G_c；p_a和T_a为大气压力和温度；p_T0＝p_a+(0.002～0.005)MPa；式中除p_T外，其它参数均已知，因此可求得p_T≈1.55bar。

3.3涡轮几何当量流通面积

涡轮几何当量流通面积可由下式算出：

有了排气流量G_T与涡轮前排气平均压力p_T和温度T_T，就可以估算涡轮的通流面积，涡轮通流面积由喷嘴环出口面积和动叶轮出口面积组成。一般使用ψF来代表有效涡轮当量流通面积。通过式3-4，可得ψF＝19.2cm²，根据涡轮ψ的经验数据，选定ψ＝1.05，则几何当量通流面积F＝18.2cm²。

根据以上计算的设计点的数据，从企业生产的几款汽油机涡轮增压器中初步选择了4款涡轮增压器，四款增压器的参数如表5所示。

表5四款增压器基本参数

分别针对整车NEDC循环工况、外特性工况、高原工况对四款涡轮增压器与发动机进行匹配分析，以期选出符合多工况要求的增压器。

1)NEDC循环工况增压器匹配分析

根据NEDC循环工况下的工况分布对增压器进行匹配分析。绘制匹配四款增压器的发动机在NEDC循环工况下的联合运行图，结果如图1-图4所示。

对于增压器1，NEDC循环匹配的工况点接近喘振线，汽油机在低速运行时有可能发生喘振现象，主要工况点基本都集中在效率较低的区域，因此增压器1对发动机来说压气机的匹配流量偏大。对于增压器2，其匹配情况与增压器1相似，NEDC循环匹配的工况点接近喘振线，效率较低，匹配流量过大。对于增压器3，NEDC匹配工况点远离喘振线与堵塞线，也有经过高效率区域的工况点。对于增压器4，可以看到多数工况点处于低效率区，匹配流量偏大。

以匹配增压器4的发动机性能为例，发动机的工况点可以由转速 及其相对应的扭矩表示，由此计算出发动机扭矩与转速随时间的变化规律，并得到基于NEDC驾驶循环工况的发动机高频工况点在万有特性图上的分布，结果如图5-图7所示。

由图可见，NEDC循环工况发动机的工况点基本都落在中低速、中低负荷中。也就是说，在城市工况中，车辆发动机很难一直在全负荷外特性工况中运行，中低负荷是车辆发动机的常用工况，因此基于NEDC循环工况下发动机高频工况点的涡轮增压器的匹配研究是很有必要的。

针对NEDC循环下发动机工况点比较离散的特点，为便于匹配标定，将发动机工况点区域分为10个部分，并对各部分进行频度分布统计。频度即为各部分所占NEDC循环运行的时间，各工况区的转速和扭矩范围以及该区内工况的频度如表6所示。

表6各工况转速和扭矩范围及频度

为了进一步验证匹配结果，分别将匹配四款增压器的发动机数据代入到GT-Drive整车模型中，计算得到NEDC循环工况下百公里油耗，结果如表7所示。

表7四款增压器NEDC循环工况油耗

4外特性及高原工况增压器匹配分析

对选择的几款增压器再进行发动机外特性以及高原工况的匹配研究，以期选出更符合多工况要求的涡轮增压器。将选择的四款增压器数据输入到软件中进行外特性匹配计算，绘制出发动机与增压器的外特性联合运行曲线，如图8-图11所示。

综合NEDC循环工况、外特性工况及高原3000m工况匹配分析结果，该发动机选配增压器1和增压器2其压气机的流量偏大。增压器3在三种工况下的匹配情况均良好，因此，选择增压器3为匹配增压器。

5发动机性能计算

对重选匹配增压器的发动机进行外特性性能计算，该款涡轮增压汽油机在2000～4500r/min转速范围内，其扭矩达到215N·m左右，在6000r/min转速的最高功率也达到了115kW左右，达到了设计性能目标。有效燃油消耗率增压后在高速时有一定增加，燃油经济性有一定下降，这是由于增压后进气量增加，虽然燃烧效率有提高，但喷油量增加，油耗率会有一定提高。而在高原3000m工况下保证了功率损失不超过30％，达到了高原工况对发动机性能的要求。