李宏剛，李小燕，李 佳

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)性能研究

李宏剛，李小燕，李 佳

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

采用仿真與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的手段，從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等方面研究了電動(dòng)渦輪增壓對(duì)汽油機(jī)性能的影響。通過(guò)非增壓汽油機(jī)GT-POWER仿真模型的模擬結(jié)果與相同條件下的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的合理性，并在非增壓模型的基礎(chǔ)上建立電動(dòng)渦輪增壓仿真模型。增壓與非增壓仿真模擬結(jié)果對(duì)比分析表明：相同工況下，電動(dòng)渦輪增壓能夠較好的改善汽油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

GT-POWER；電動(dòng)渦輪增壓；汽油機(jī)性能

0 引 言

近年來(lái)，隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴(yán)格以及人們對(duì)于汽車動(dòng)力性能的不斷追求，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)得到了快速發(fā)展[1]，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)尤其在國(guó)外更是得到了普遍的應(yīng)用，而我國(guó)汽油機(jī)增壓技術(shù)卻發(fā)展相對(duì)緩慢。

增壓技術(shù)有多種，可分為機(jī)械增壓、氣波增壓、渦輪增壓和復(fù)合增壓[2]。機(jī)械增壓是系統(tǒng)通過(guò)皮帶連接在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上，從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸獲得動(dòng)力來(lái)壓縮空氣，由于消耗了一部分發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，因此增壓效果并不高[3]；氣波增壓是利用高壓尾氣的脈沖氣波迫使空氣壓縮，該系統(tǒng)的增壓效果好，但體積較大，不適合安裝在小型汽車?yán)颷4]；廢氣渦輪增壓通過(guò)高溫廢氣推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)與其同軸的葉輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而壓縮空氣，由于與發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)任何機(jī)械聯(lián)系，可以大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，降低汽車燃油消耗，減少排放等[5]，因此受到了研究人員的廣泛關(guān)注，目前，市場(chǎng)上絕大部分的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用的就是廢氣渦輪增壓技術(shù)。然而由于其動(dòng)力輸出反應(yīng)滯后等缺點(diǎn)，使其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用受到限制。電控渦輪增壓是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，將經(jīng)過(guò)空氣濾清器的空氣吸入壓氣機(jī)殼，高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加并進(jìn)入氣缸。因其響應(yīng)完全獨(dú)立可控，不受制于廢氣的排放，不存在廢氣渦輪增壓反應(yīng)滯后的問(wèn)題，將成為未來(lái)汽油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展方向。

本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件GT-POWER進(jìn)行增壓與非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立及仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以研究電動(dòng)渦輪增壓對(duì)汽油機(jī)性能的影響。

1 汽油機(jī)計(jì)算模型

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)、燃燒現(xiàn)象是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到物理、化學(xué)、傳熱、流體傳動(dòng)等多學(xué)科的知識(shí)[6]。利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法很難得到發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中各種參數(shù)的變化特性或是各個(gè)瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，因此利用發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件建立數(shù)學(xué)模型，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況的工作過(guò)程，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究相互補(bǔ)充，已成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究、性能預(yù)測(cè)以及優(yōu)化的一個(gè)重要手段[7]。

本文利用發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件GT-POWER，分別建立了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓與非增壓仿真模型，以研究電動(dòng)渦輪增壓對(duì)汽油機(jī)性能的影響。模型包括由空氣濾清器、壓氣機(jī)、進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣閥等組成的進(jìn)氣子系統(tǒng)；由排氣支管、排氣總管和排氣閥等組成的排氣子系統(tǒng)；氣缸和曲軸等[8]。

1.1 缸內(nèi)熱力過(guò)程計(jì)算模型

汽油機(jī)氣缸中的燃燒過(guò)程是化學(xué)能、熱能和機(jī)械能等多種能量相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程[9]，因此采用三維模擬計(jì)算不僅需要消耗較多的時(shí)間，而且對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求也較高。采用零維模型不僅計(jì)算求解快，而且也能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)一些參數(shù)的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，因此，本文氣缸內(nèi)工作過(guò)程采用零維模型。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸零維燃燒模型數(shù)學(xué)表達(dá)式：

即假設(shè)與函數(shù)和空間無(wú)關(guān)，并作如下簡(jiǎn)化假設(shè)[10]：

(1)氣缸內(nèi)各點(diǎn)的狀態(tài)是相同的，即氣缸內(nèi)各處的壓力、溫度以及燃料濃度處處相等，不存在差異，并且假設(shè)在進(jìn)氣期間，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣能實(shí)現(xiàn)與缸內(nèi)殘余廢氣的瞬間混合。

(2)微小的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，氣體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

(3)工質(zhì)為理想氣體。

(4)進(jìn)、出口的動(dòng)能忽略不計(jì)。

1.2 進(jìn)排氣管熱力過(guò)程計(jì)算模型

由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管的軸向尺寸(進(jìn)排氣管的長(zhǎng)度)，相比其徑向尺寸(直徑)來(lái)說(shuō)大得多，因此可以忽略其徑向尺寸的影響，即認(rèn)為在發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真性能計(jì)算過(guò)程中，同一截面內(nèi)的氣體成分、濃度、壓力以及溫度是相同的[11]；又由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管中的氣體流動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，可以看作是非定常流動(dòng)，因此，進(jìn)排氣管內(nèi)的氣體流動(dòng)認(rèn)為是一維非定常流動(dòng)[12]。

2 非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的建立及結(jié)果分析

2.1 非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的建立

采用GT-POWER軟件模擬汽油機(jī)的工作狀態(tài)時(shí)，一般將非增壓汽油機(jī)模型劃分為進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和氣缸三個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)[13]。各個(gè)系統(tǒng)之間則通過(guò)熱量與質(zhì)量的傳遞相互聯(lián)系[14]。

(1)進(jìn)氣系統(tǒng)。非增壓汽油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)一般由空氣濾清器、進(jìn)氣總管、諧振腔、進(jìn)氣歧管以及進(jìn)氣閥等組成[15]。由于本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的是空氣濾清器后進(jìn)氣總管中的壓力和溫度，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，忽略由于邊界條件的不同對(duì)結(jié)果造成的影響，因而在仿真模型中沒(méi)有加空氣濾清器，進(jìn)口邊界即為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)測(cè)的進(jìn)氣管中氣體的壓力和溫度等。

(2)氣缸。在保證結(jié)果的準(zhǔn)確性又減小計(jì)算復(fù)雜程度的情況下，一般假定在極短的瞬間，氣缸內(nèi)的氣體壓力、溫度和氣體濃度是處處相同的。

(3)排氣系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管、排氣閥以及排氣總管等組成。排氣系統(tǒng)的計(jì)算方法有兩種：有限容積法和特征線法[16]。有限容積法假設(shè)：在每一瞬時(shí)，排氣管內(nèi)各點(diǎn)的氣體壓力和溫度處處相同，即其僅是時(shí)間的函數(shù)；特征線法則認(rèn)為：在每一時(shí)刻，排氣管內(nèi)的壓力和溫度沿管長(zhǎng)方向是變化的，雖然其計(jì)算精度高，但其計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高。因此，在本次的計(jì)算中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管采用有限容積法。

本文根據(jù)1.5 L非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一些主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(見(jiàn)表1)，將發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化成由進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、氣缸、噴油系統(tǒng)、環(huán)境邊界以及相應(yīng)連接管路等模型組成的計(jì)算模型。氣缸內(nèi)的燃燒模型采用單區(qū)韋伯函數(shù)[17]，換熱系數(shù)由沃西尼1978年提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The structural parameters of the engine

續(xù)表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The structural parameters of the engine

其具體的GT-POWER仿真模型如圖1所示。

2.2 非增壓汽油機(jī)仿真結(jié)果分析

反映發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況時(shí)常用外特性曲線，本文按外特性運(yùn)行的7個(gè)工況點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算，轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000r/min。仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究

非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)采用了FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、電渦流測(cè)功機(jī)GW160、蓄電瓶、油耗儀、水溫表、排氣溫度表、大氣壓力計(jì)和431故障診斷儀等設(shè)備。電渦流測(cè)功機(jī)GW160參數(shù)見(jiàn)表3。

按發(fā)動(dòng)機(jī)外特性運(yùn)行的6個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 非增壓汽油機(jī)GT-POWER仿真模型Fig.1 The GT-POWER simulation model of the non-turbocharged engine

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)功率/kW轉(zhuǎn)矩/(N·m)燃油消耗率/(g·kW-1·h-1)進(jìn)口壓力/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 電渦流測(cè)功機(jī)GW160Tab.3 The dynamometer GW160

表4 非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)外特性臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The external characteristic bench test results of the non-turbocharged engine

2.4 非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線如圖2所示。

圖2 非增壓汽油機(jī)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線Fig.2 The comparison curves between the simulation and the testes results of the non-turbocharged engine

由圖2仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線可以看出：轉(zhuǎn)矩僅在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500r/min和3 000r/min時(shí)，兩者之間的偏差超過(guò)了15%；燃油消耗率僅在3 000r/min時(shí)有較大偏差，綜合分析，產(chǎn)生偏差的原因主要來(lái)源于韋伯燃燒模型的限制，所做的假設(shè)均是理想狀態(tài)，另一方面可能來(lái)源于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。其他轉(zhuǎn)速下功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率的偏差都在5%之內(nèi)，且仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低一些。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明本文所建的仿真模型以及相關(guān)參數(shù)的選擇、邊界條件的設(shè)置較合理，為電動(dòng)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的建立奠定了基礎(chǔ)。

3 電動(dòng)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的建立及結(jié)果分析

3.1 電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)仿真模型的建立

電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)仿真模型是以非增壓汽油機(jī)的仿真模型為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)的，需要改動(dòng)的部分如下：

(1)添加壓氣機(jī)。在原非增壓汽油機(jī)模型中添加壓氣機(jī)。

(2)調(diào)整進(jìn)氣歧管模型參數(shù)。由于增加了壓氣機(jī)，所以需對(duì)原模型進(jìn)氣歧管進(jìn)行調(diào)整。

(3)壓氣機(jī)控制。由于電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，因此使用速度信號(hào)對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行控制。

建立的電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)GT-POWER仿真模型如圖3所示。

3.2 電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)仿真結(jié)果分析

由于仿真模型中渦輪的結(jié)構(gòu)形式與電動(dòng)渦輪不同，且對(duì)于不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的渦輪來(lái)說(shuō)，獲得同樣的增壓值，其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速存在很大差異，因此，為了消除電動(dòng)渦輪結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)果的影響，本文在仿真計(jì)算時(shí)通過(guò)調(diào)整電動(dòng)渦輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制進(jìn)氣壓力，進(jìn)而分析電動(dòng)渦輪對(duì)汽油機(jī)性能的影響。

根據(jù)所建立的電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)仿真模型，通過(guò)調(diào)整渦輪轉(zhuǎn)速使進(jìn)氣壓力控制在比非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)高5 kPa左右，按外特性運(yùn)行的6個(gè)工況點(diǎn)(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500r/min)進(jìn)行了模擬計(jì)算。其仿真結(jié)果見(jiàn)表5。

圖3 電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)GT-POWER仿真模型Fig.3 The GT-POWER simulation model of the turbocharged engine

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)轉(zhuǎn)矩/(N·m)功率/kW油耗量/(kg·h-1)油耗率/(g·kW-1·h-1)進(jìn)口壓力/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 增壓與非增壓汽油機(jī)仿真性能對(duì)比分析

增壓與非增壓汽油機(jī)性能仿真曲線如圖4所示。

5 結(jié) 論

(1)本文通過(guò)一維發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件GT-POWER建立了非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，并將其仿真結(jié)果與非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了比較。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，說(shuō)明所建立的計(jì)算模型是合理的，能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能及其變化。

(2)通過(guò)增壓與非增壓汽油機(jī)仿真性能進(jìn)行對(duì)比，分析了電動(dòng)渦輪對(duì)汽油機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：在相同工況下，汽車運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，增壓與非增壓汽油機(jī)進(jìn)氣壓力相差5 kPa左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩基本上都有一定程度的提高，轉(zhuǎn)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機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

圖4 增壓與非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)外特性仿真結(jié)果對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curves of the external characteristic simulation results between the turbocharged and the non-turbocharged engine

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凝膠色譜是根據(jù)多肽分子的大小、形狀差異進(jìn)行分離的一種方法。根據(jù)分子篩原理，分子量大的部分出峰時(shí)間早，保留時(shí)間短；分子量小的部分出峰時(shí)間晚，保留時(shí)間長(zhǎng)。本試驗(yàn)中經(jīng)凝膠液相色譜分析后，標(biāo)準(zhǔn)肽樣品與出峰時(shí)間擬合直線方程為y=-0.3383x+7.3451，R2=0.9917，表明各標(biāo)準(zhǔn)肽樣品的相對(duì)分子量對(duì)數(shù)與洗脫時(shí)間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，可以準(zhǔn)確地測(cè)定樣品中多肽的分子量分布。

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[17]馬 巖，程森杰，任長(zhǎng)清，等.新型自走鋸切除冰雪設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44(3)：8-11+15.

[18]徐 春，張煜盛.基于不同燃燒模型的二甲基醚發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程模擬研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003，32(4)：1-4.

[19]侯立臣，趙振偉，于建國(guó)，等.XKJ-4000型打捆機(jī)的電氣和液壓系統(tǒng)故障分析及排除方法[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44(3)：36-39.

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

引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(948項(xiàng)目)(2015-4-33)

李宏剛，碩士，副教授。研究方向：載運(yùn)工具功能創(chuàng)新。E-mail：1394379038@qq.com

李宏剛，李小燕，李 佳.電動(dòng)渦輪增壓汽油機(jī)性能研究[J].森林工程，2016，32(6)：71-76.

U464.135

A

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