电动涡轮增压汽油机性能研究

李宏刚，李小燕，李 佳

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



电动涡轮增压汽油机性能研究

李宏刚，李小燕，李 佳

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

采用仿真与实验研究相结合的手段，从动力性和经济性等方面研究了电动涡轮增压对汽油机性能的影响。通过非增压汽油机GT-POWER仿真模型的模拟结果与相同条件下的台架试验数据进行对比，验证了仿真模型的合理性，并在非增压模型的基础上建立电动涡轮增压仿真模型。增压与非增压仿真模拟结果对比分析表明：相同工况下，电动涡轮增压能够较好的改善汽油机的动力性和经济性。

GT-POWER；电动涡轮增压；汽油机性能

0 引 言

近年来，随着汽车排放法规的日益严格以及人们对于汽车动力性能的不断追求，发动机增压技术得到了快速发展[1]，增压发动机尤其在国外更是得到了普遍的应用，而我国汽油机增压技术却发展相对缓慢。

增压技术有多种，可分为机械增压、气波增压、涡轮增压和复合增压[2]。机械增压是系统通过皮带连接在发动机曲轴上，从发动机输出轴获得动力来压缩空气，由于消耗了一部分发动机动力，因此增压效果并不高[3]；气波增压是利用高压尾气的脉冲气波迫使空气压缩，该系统的增压效果好，但体积较大，不适合安装在小型汽车里[4]；废气涡轮增压通过高温废气推动涡轮旋转，涡轮带动与其同轴的叶轮同速转动，进而压缩空气，由于与发动机无任何机械联系，可以大幅度提高发动机的输出功率，降低汽车燃油消耗，减少排放等[5]，因此受到了研究人员的广泛关注，目前，市场上绝大部分的增压发动机采用的就是废气涡轮增压技术。然而由于其动力输出反应滞后等缺点，使其进一步的发展应用受到限制。电控涡轮增压是利用高速转动的电动马达带动叶轮旋转，将经过空气滤清器的空气吸入压气机壳，高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮的外缘，使其速度和压力增加并进入气缸。因其响应完全独立可控，不受制于废气的排放，不存在废气涡轮增压反应滞后的问题，将成为未来汽油机增压技术的发展方向。

本文采用发动机性能仿真软件GT-POWER进行增压与非增压发动机模型的建立及仿真，并将仿真结果与实验数据进行对比分析，以研究电动涡轮增压对汽油机性能的影响。

1 汽油机计算模型

发动机内的流动、燃烧现象是一个非常复杂的过程，它涉及到物理、化学、传热、流体传动等多学科的知识[6]。利用传统的实验方法很难得到发动机工作过程中各种参数的变化特性或是各个瞬时发动机的工作状态，因此利用发动机仿真软件建立数学模型，模拟发动机各个工况的工作过程，研究各个参数对发动机性能的影响，再通过实验研究相互补充，已成为发动机研究、性能预测以及优化的一个重要手段[7]。

本文利用发动机仿真软件GT-POWER，分别建立了发动机增压与非增压仿真模型，以研究电动涡轮增压对汽油机性能的影响。模型包括由空气滤清器、压气机、进气总管、进气歧管和进气阀等组成的进气子系统；由排气支管、排气总管和排气阀等组成的排气子系统；气缸和曲轴等[8]。

1.1 缸内热力过程计算模型

汽油机气缸中的燃烧过程是化学能、热能和机械能等多种能量相互转化的过程[9]，因此采用三维模拟计算不仅需要消耗较多的时间，而且对计算机性能的要求也较高。采用零维模型不仅计算求解快，而且也能够准确预测一些参数的变化对发动机性能的影响，因此，本文气缸内工作过程采用零维模型。发动机气缸零维燃烧模型数学表达式：

即假设与函数和空间无关，并作如下简化假设[10]：

(1)气缸内各点的状态是相同的，即气缸内各处的压力、温度以及燃料浓度处处相等，不存在差异，并且假设在进气期间，进入气缸的新鲜空气能实现与缸内残余废气的瞬间混合。

(2)微小的时间步长内，气体流动为稳态流动。

(3)工质为理想气体。

(4)进、出口的动能忽略不计。

1.2 进排气管热力过程计算模型

由于发动机进排气管的轴向尺寸(进排气管的长度)，相比其径向尺寸(直径)来说大得多，因此可以忽略其径向尺寸的影响，即认为在发动机的仿真性能计算过程中，同一截面内的气体成分、浓度、压力以及温度是相同的[11]；又由于发动机进排气管中的气体流动状态非常复杂，可以看作是非定常流动，因此，进排气管内的气体流动认为是一维非定常流动[12]。

2 非增压发动机仿真模型的建立及结果分析

2.1 非增压发动机仿真模型的建立

采用GT-POWER软件模拟汽油机的工作状态时，一般将非增压汽油机模型划分为进气系统、排气系统和气缸三个独立的系统[13]。各个系统之间则通过热量与质量的传递相互联系[14]。

(1)进气系统。非增压汽油机的进气系统一般由空气滤清器、进气总管、谐振腔、进气歧管以及进气阀等组成[15]。由于本次实验测得的是空气滤清器后进气总管中的压力和温度，为了保证结果的准确性，忽略由于边界条件的不同对结果造成的影响，因而在仿真模型中没有加空气滤清器，进口边界即为发动机台架试验实测的进气管中气体的压力和温度等。

(2)气缸。在保证结果的准确性又减小计算复杂程度的情况下，一般假定在极短的瞬间，气缸内的气体压力、温度和气体浓度是处处相同的。

(3)排气系统。排气系统主要由排气歧管、排气阀以及排气总管等组成。排气系统的计算方法有两种：有限容积法和特征线法[16]。有限容积法假设：在每一瞬时，排气管内各点的气体压力和温度处处相同，即其仅是时间的函数；特征线法则认为：在每一时刻，排气管内的压力和温度沿管长方向是变化的，虽然其计算精度高，但其计算过程比较复杂，对计算机要求较高。因此，在本次的计算中，对发动机排气管采用有限容积法。

本文根据1.5 L非增压发动机的一些主要结构参数(见表1)，将发动机简化成由进气系统、排气系统、气缸、喷油系统、环境边界以及相应连接管路等模型组成的计算模型。气缸内的燃烧模型采用单区韦伯函数[17]，换热系数由沃西尼1978年提出的经验公式计算得出。

表1 发动机结构参数Tab.1 The structural parameters of the engine

续表1 发动机结构参数Tab.1 The structural parameters of the engine

其具体的GT-POWER仿真模型如图1所示。

2.2 非增压汽油机仿真结果分析

反映发动机运行状况时常用外特性曲线，本文按外特性运行的7个工况点对发动机进行了模拟计算，转速分别设置为1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000r/min。仿真结果见表2。

2.3 非增压发动机台架试验研究

非增压发动机台架试验采用了FC2000发动机自动测控系统、电涡流测功机GW160、蓄电瓶、油耗仪、水温表、排气温度表、大气压力计和431故障诊断仪等设备。电涡流测功机GW160参数见表3。

按发动机外特性运行的6个工况点进行试验，其结果见表4。

图1 非增压汽油机GT-POWER仿真模型Fig.1 The GT-POWER simulation model of the non-turbocharged engine

转速/(r·min-1)功率/kW转矩/(N·m)燃油消耗率/(g·kW-1·h-1)进口压力/kPa10008.4981.05392.1497.8150012.9582.45348.0098.3200019.5393.23321.8397.8250025.5093.94322.5096.8300029.5197.42306.3895.4350040.12109.45301.9195.9400048.14114.93299.8295.2

表3 电涡流测功机GW160Tab.3 The dynamometer GW160

表4 非增压发动机外特性台架试验结果Tab.4 The external characteristic bench test results of the non-turbocharged engine

2.4 非增压发动机仿真结果与台架试验数据对比分析

非增压发动机仿真结果与台架试验数据对比曲线如图2所示。

图2 非增压汽油机仿真结果与台架试验数据对比曲线Fig.2 The comparison curves between the simulation and the testes results of the non-turbocharged engine

由图2仿真结果与实验数据的对比曲线可以看出：转矩仅在发动机转速为1 500r/min和3 000r/min时，两者之间的偏差超过了15%；燃油消耗率仅在3 000r/min时有较大偏差，综合分析，产生偏差的原因主要来源于韦伯燃烧模型的限制，所做的假设均是理想状态，另一方面可能来源于实验环节。其他转速下功率、转矩和燃油消耗率的偏差都在5%之内，且仿真实验数据偏低一些。仿真结果与实验数据基本吻合，说明本文所建的仿真模型以及相关参数的选择、边界条件的设置较合理，为电动涡轮增压发动机仿真模型的建立奠定了基础。

3 电动涡轮增压发动机仿真模型的建立及结果分析

3.1 电动涡轮增压汽油机仿真模型的建立

电动涡轮增压汽油机仿真模型是以非增压汽油机的仿真模型为基础进行改进的，需要改动的部分如下：

(1)添加压气机。在原非增压汽油机模型中添加压气机。

(2)调整进气歧管模型参数。由于增加了压气机，所以需对原模型进气歧管进行调整。

(3)压气机控制。由于电动马达系统过于复杂，因此使用速度信号对压气机进行控制。

建立的电动涡轮增压汽油机GT-POWER仿真模型如图3所示。

3.2 电动涡轮增压汽油机仿真结果分析

由于仿真模型中涡轮的结构形式与电动涡轮不同，且对于不同结构、不同尺寸的涡轮来说，获得同样的增压值，其对应转速存在很大差异，因此，为了消除电动涡轮结构与转速对结果的影响，本文在仿真计算时通过调整电动涡轮的转速来控制进气压力，进而分析电动涡轮对汽油机性能的影响。

根据所建立的电动涡轮增压汽油机仿真模型，通过调整涡轮转速使进气压力控制在比非增压发动机高5 kPa左右，按外特性运行的6个工况点(发动机转速分别设置为1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500r/min)进行了模拟计算。其仿真结果见表5。

图3 电动涡轮增压汽油机GT-POWER仿真模型Fig.3 The GT-POWER simulation model of the turbocharged engine

转速/(r·min-1)转矩/(N·m)功率/kW油耗量/(kg·h-1)油耗率/(g·kW-1·h-1)进口压力/kPa100086.0013.73.41347.69102.150099.3020.04.83321.63102.82000108.0026.66.45309.30102.32500105.4031.38.42303.97100.83000113.5036.810.18294.0099.803500118.0046.411.53275.5099.80

4 增压与非增压汽油机仿真性能对比分析

增压与非增压汽油机性能仿真曲线如图4所示。

5 结 论

(1)本文通过一维发动机性能仿真软件GT-POWER建立了非增压发动机的仿真模型，并将其仿真结果与非增压发动机台架试验进行了比较。计算结果与试验数据较吻合，说明所建立的计算模型是合理的，能够反映发动机的工作性能及其变化。

(2)通过增压与非增压汽油机仿真性能进行对比，分析了电动涡轮对汽油机性能的影响。结果表明：在相同工况下，汽车运行的转速范围内，增压与非增压汽油机进气压力相差5 kPa左右时，发动机的功率、转矩基本上都有一定程度的提高，转矩平均提升13.15%，燃油消耗率平均下降6.93%，在一定程度上改善了汽油机的动力性和经济性。

图4 增压与非增压发动机外特性仿真结果对比曲线Fig.4 Comparison curves of the external characteristic simulation results between the turbocharged and the non-turbocharged engine

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凝胶色谱是根据多肽分子的大小、形状差异进行分离的一种方法。根据分子筛原理，分子量大的部分出峰时间早，保留时间短；分子量小的部分出峰时间晚，保留时间长。本试验中经凝胶液相色谱分析后，标准肽样品与出峰时间拟合直线方程为y=-0.3383x+7.3451，R2=0.9917，表明各标准肽样品的相对分子量对数与洗脱时间呈现良好的相关性，可以准确地测定样品中多肽的分子量分布。

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Study on the Performance of Electric Turbocharged Gasoline Engine

Li Honggang ，Li Xiaoyan ，Li Jia

(Traffic College Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The performance of an electric turbocharged gasoline engine was studied in the terms of powerful and economical perspectives by employing the combination of simulation and experimental study in this paper.The simulation results of the GT-POWER simulation model of non-supercharged engine was compared to the bench tested results under the same condition.The rationality of the simulation model was verified and the electric turbo simulation model was established based on the non-supercharged simulation model.The results showed that the electric turbo can better improve engine performance and fuel economy under the same working condition.

GT-POWER；electric turbocharged；the performance of gasoline

2016-04-13

引进国际先进林业科学技术项目(948项目)(2015-4-33)

李宏刚，硕士，副教授。研究方向：载运工具功能创新。E-mail：1394379038@qq.com

李宏刚，李小燕，李 佳.电动涡轮增压汽油机性能研究[J].森林工程，2016，32(6)：71-76.

U464.135

A

1001-005X(2016)06-0071-06