涡轮增压气道喷射汽油机工作过程性能优化
摘要：本文对某涡轮增压气道喷射汽油机进行了工作过程性能优化。首先根据实验结果，进行了同系列自然吸气汽油机工作数值模拟模型的标定；然后以该标定后模型为基础，建立了涡轮增压气道喷射汽油机工作过程数值模拟模型；再利用此模型进行了7种涡轮增压器的选型和匹配计算，确定了合适的涡轮增压器；最后分析了压缩比、进排气歧管结构、凸轮升程与配气相位等对该汽油机动力性、经济性的影响，并进行了相应的汽油机参数和结构优化。
关键词：涡轮增压汽油机；工作过程数值模拟；增压匹配；性能优化
中图分类号：U464.171 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）01-0061-05
Working Process of Optimization Performance of Turbocharged PFI
Gasoline Engine by Numerical Simulation
WANG Zhao-wen 1，2， WANG Wei-ming 2， JIANG Guo-ying 2， HUANG Rong-hua 1， Zhang Xue-en 2， HUANG Ping 2
（1.School of Energy and Power Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 43007，China；
2.Technical Center， Dongfeng Motor Corporation，Wuhan 430056，China）
Abstract：In the paper， performance of one turbocharged port fuel injection gasoline engine is optimized by numerical simulation of working process. First， on the basis of experiment result， the same series naturally aspirated gasoline engine model of working process numerical simulation is calibrated， then with this model， a turbocharged port fuel injection gasoline engine model of working process numerical simulation is established based on method of target control.7 kinds of option calculation and matching calculation of turbocharger are made depending on the model，and an appropriate turbocharged is chosen，At last，the impact of compression ratio， intake and exhaust manifold structure，cam lift and valve timing on gasoline engine power performance and fuel efficiency performance is analyzed，and the structure data of gasoline engine is optimized.
Key words：turbocharged gasoline engine；numerical simulation of working process；turbocharger matching；performance optimization
随着石油资源的日益短缺，汽油机小型化已成趋势。数据表明，相同功率的汽油机轿车，涡轮增压可使汽油机排量减少约30%，使整车燃油经济性改善约8%～10%［1］。
在汽油机研究与开发过程中，工作过程数值模拟已经成为十分重要的开发手段。通过工作过程数值模拟计算，可以预测汽油机的基本性能，实现汽油机结构与性能参数的优化，从而大大缩短开发周期，减少开发费用［2］。本文研究对象为某轿车用涡轮增压气道喷射（T-MPI）汽油机。其基本参数及主要性能指标如表1所示。
1 工作过程模拟基础模型的建立
1.1 基础机型工作过程模型的建立及试验验证
本文研究的涡轮增压气道喷射汽油机为新开发汽油机，为了提高工作过程数值模拟的精度，首先建立了其基础机型，某自然吸气气道喷射（MPI）汽油机的工作过程数值模拟模型，并通过发动机台架实验进行了该数值模拟模型的验证和标定。
图1为利用GT-POWER软件建立的基础机型工作过程数值模拟模型。
图2给出了基础机型发动机扭矩的模拟结果与试验结果的对比分析，由图可知，扭矩特性的最大误差为2.58％，两者吻合较好。
本文使用的燃烧模型为汽油机常用的单韦伯模型［3］，燃烧参数主要通过前期的试验结果调试给出。为了进一步进行燃烧模型的验证，进行了缸内压力模拟结果和实验结果的对比分析。
图3为转速为额定点6 000 r/min时，第一缸的缸内压力计算结果与试验数据对比情况，由图可知，模拟值与实验值吻合良好。由此可知，基础机型的工作过程数值模拟模型与实际汽油机具有较好的一致性，可以作为同系列机型工作过程数值模型的基础。
1.2 增压汽油机工作过程模拟模型的建立
在基础机型工作过程数值模拟模型基础上，建立的同系列涡轮增压气道喷射汽油机工作过程数值模拟模型见图4。该数值模拟模型在基础机型数值模拟模型的基础上，主要修改了发动机缸径、行程等结构参数以及压缩比、摩擦功等性能参数，并增加了涡轮模型、压气机模型、进气中冷器等子模型。
2 工作过程数值模拟优化及结果分析
2.1 涡轮增压器的匹配计算
增压汽油机中，增压器选择直接影响着汽油机的动力性和经济性。在进行增压器匹配计算之前，应先进行增压参数初始计算，得到初始压比、增压器流量等增压参数，为增压器的初选提供数据支持。本文以这些增压初始参数为基础，先后选择了7个涡轮增压器进行匹配计算。
增压器的选配原则是：在满足扭矩要求的前提下，尽可能优化燃油消耗率。为使发动机整体性能较优，本文先后进行了两轮共7个增压器的匹配优化，计算结果见图5、图6。
由图5可知，选用增压器方案1～3时，输出扭矩都不能达到该汽油机开发目标，而方案4～7则都可达到发动机动力性开发目标。再由图6可知，方案4和方案5在低速扭矩点1 800 r/min时，油耗相对较高，这表明两种方案的增压器供气能力不足，为了使输出扭矩达到开发目标，发动机燃烧时需对油气混合气进行加浓，从而导致燃油消耗率升高。方案6和方案7则能在保证动力性要求的前提下，燃油经济性较优，尤其是方案7，整个转速范围内燃油经济性都最优。
2.2 压缩比的优化计算
对汽油机而言，压缩比的选择直接影响着发动机的爆震强度和热效率，随着压缩比的增高，汽油机的热效率增大，燃油经济性改善，但同时其爆震趋势也大大增加。
本文基础机型压缩比为10.3，根据增压汽油机压缩比选择经验公式及国内相似机型压缩比情况，本增压汽油机压缩比初定为8.6，并根据汽油机压缩比发展趋势，初步选择8.3、8.6、8.9、9.2、9.5这五个压缩比进行优化。
图7和图8分别显示了不同压缩比对燃油消耗率和爆震强度的影响。由压缩比对燃油消耗率的影响情况可知：在绝大部分转速工况下，随着压缩比的增大，燃油经济性明显改善。但在低速大负荷时，随着压缩比增大，爆震强度增大，使点火提前角后移，后燃加剧，从而导致大压缩比时燃油经济性和指示效率相对较差。从整体而言，在压缩比8.3～9.5范围内，随着压缩比的增大，绝大多数工况下因膨胀比增大使燃油经济性不断改善、指示效率不断提高。这表明，在满足发动机强度、爆震要求的前提下，在8.3～9.5范围内，可选用较高压缩比。
由压缩比对爆震强度影响规律可知：随着压缩比的提高，爆震强度显著提高，这对发动机可靠性产生影响；同时还可知，压缩比9.2的爆震强度系数为0.415，大于经验值0.4［4］。综上所述，较优压缩比为8.9。
3.3 进、排气歧管结构优化
进气歧管的形状除了对进气能力及各缸均匀性有较大影响外，为了提高充气效率［5］，本文对增压汽油机进气歧管结构进行了优化。
本文根据增压发动机进气歧管特点，在工作过程模拟时，分别选择进气歧管长度50~130 mm，直径34~ 42 mm进行DOE分析，得出的扭矩云图见图9、图10。
由图可知，在给定的进气歧管长度和直径范围内，都可得到较佳的动力性，这表明增压后，由于进气歧管内进气压力较大，容积效率较高，进气歧管结构对发动机性能影响相对较小。故可以结合发动机整体布置和零部件通用性来进行进气歧管设计，本文中进气歧管结构最终确定为直径36.5 mm，长度110 mm。
为了提高脉冲能量，增压汽油机排气歧管通常都设计成短而细。本文增压汽油机工作过程数值模拟中，选择排气歧管长度80~230 mm，直径28~34 mm分别进行DOE分析，得出的扭矩云图如图11和图12所示。
由图可知，低速端，排气歧管长度为110 mm时汽油机动力性能最佳；高速端，排气歧管长度为140 mm最佳，但110 mm时性能较差。综合考虑低速端、高速端动力性以及增压器布置，初步确定直径30 mm，长度分别为140 mm或160 mm的两种较优方案。
3.4 进、排气门升程及配气相位的优化
气门升程及配气相位对发动机的容积效率、泵气功大小以及排气能量利用等均有重要影响，其中对发动机性能影响最大的是气门升程、进气迟闭角以及排气提前角。
3.4.1 进、排气门升程及配气相位优化方案
气门升程的优化主要是通过凸轮型线的优化来实现，凸轮型线优化主要包括最大凸轮升程优化和凸轮持续包角优化。在基础机型凸轮型线的基础上，依据工程经验，本文对其凸轮型线进行了多种变形设计，并进行了不同凸轮型线及不同配气相位的DOE工作过程分析。
3.4.2 优化结果分析
（1）进气门优化计算结果
图13、图14显示了进气门采用不同最大升程和配气相位下，发动机1 800 r/min时的扭矩分布和压气机运行点分布情况。由图可见，将进气凸轮的最大升程减小至基础凸轮的0.85倍，并将最大升程对应的相位由474.5°提前到470°，可以提高发动机1 800 r/min的扭矩，并且使压气机运行线与喘振线的距离由18.7%增加到了20.3%。
（2）排气门优化结果
不同排气门最大升程和配气相位下发动机1 800 r/min时扭矩分布和压气机运行特性如图15、图16所示。
由图可见，将排气凸轮的最大升程由8.5 mm降低到7.65 mm，并将最大升程减小至基础凸轮的0.9倍，可以使压气机运行点离喘振线的距离由20.3%增加到20.6%，压气机运行更加安全。
（3）进、排气门组合优化结果
以上气门升程及配气相位的优化是仅针对进气门的优化或仅针对排气门的优化，发动机最终性能是由进、排气特性同时决定的，因此，需进行进、排气门的组合优化。图17、图18给出了同时采用上述进、排气门优化方案后的燃油经济性情况和增压器匹配情况。由图可知，通过同时优化进、排气门的凸轮型线和配气相位，该汽油机燃油经济性有所改善，进气系统对增压器的要求降低，使增压器离喘振线及堵塞线更远，增压器工作更可靠。
4 结论
（1）通过实验验证，本文采用GT-POWER软件建立的某增压气道喷射（MPI）汽油机的基础机型工作过程数值模拟模型，具有较高的模拟精度。
（2）通过对增压器匹配、压缩比选择、进、排气歧管结构、气门升程及配气相位等的工作过程模拟及优化，本文研究的某增压气道喷射汽油机各项性能指标都得到了较优改善，从而初步确定了该发动机的主要技术方案和各主要零部件的结构设计，为后续的零部件详细设计提供了技术指导。
参考文献：
［1］ Henning Kleeberg，Dean Tomazic.Future Potential and Development Methods for High Output Turbocharged Direct Injected Gasoline Engines［J］. SAE 2006-01-0046.
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［5］ 许元默，帅石金，王建新.进气歧管对电喷汽油机充气效率的影响［J］.内燃机工程，2004，25（1）：27-34.2