淺析發動機與渦輪增壓器匹配性能的模擬計算

曲興年 湯書芳

摘要：本文主要是介紹借助AVL BOOST軟件進行柴油機與渦輪增壓器匹配性能模擬計算。

Abstract： This paper mainly introduces the simulation calculation of matching performance between diesel engine and turbocharger with AVL BOOST software.

關鍵詞：發動機;渦輪增壓器;AVL BOOST

Key words： engine;turbocharger;AVL BOOST

中圖分類號：U464.135? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0020-02

0? 引言

隨著發動機模擬仿真技術的日益成熟，發動機的開發又邁向了一個新的臺階。發動機模擬仿真技術可以節約大量的人力物力。本文為節約實驗資源、人力及時間，借助AVL BOOST軟件進行柴油機與渦輪增壓器匹配性能模擬計算。

1? BOOST基本模型建立

在建立BOOST基本模型時，需要大量的工作邊界條件和發動機參數，比如：發動機的基本參數，發動機工作時的邊界條件、增壓器參數、中冷器參數及進排氣管等管道參數等。根據發動機的實體布局和元件布置，在軟件中建立了計算模型。如圖1所示。

本文采用了簡化模式計算，需要的參數有壓氣機壓比、壓氣機效率、渦輪增壓器效率。選擇了2款渦輪增壓器進行匹配，通過模擬計算，比較出與發動機較優匹配的增壓器，現介紹2款渦輪增壓器的相關參數：

1號渦輪增壓器為單級廢氣渦輪增壓器，壓氣機特性圖如圖2所示，從圖2中可以看出壓氣機最高轉速為160000r/min，壓氣機最大效率為75%，壓氣機最大流量0.20m3/s。2號渦輪增壓也為單級廢氣渦輪增壓器，壓氣機特性圖如圖3所示，從圖3中可以看出，壓氣機最高轉速181000r/min，壓氣機最大效率為80%，壓氣機最大流量0.19m3/s。

模擬計算時選擇簡化模型進行仿真，由于2個渦輪增壓器都是廢氣旁通式增壓器，所以計算模式選擇廢氣旁通模式。

2? 模擬結果

在進行不同的渦輪增壓器模擬計算之后，通過對比發動機功率，扭矩性能參數以及比油耗等經濟性參數，來對比不同渦輪增壓器和發動機匹配效果。下面是2款渦輪增壓器的模擬結果對比。

2.1 增壓壓力預測? 圖4為全負荷時增壓壓力的曲線。從圖4中可以看出，2號渦輪增壓器的增壓壓力全都大于1號渦輪增壓器。在額定點2900r/min時，1號渦輪增壓器的增壓壓力為2.3bar，2號渦輪增壓器的增壓壓力為2.4bar。其中，2號渦輪增壓器增壓壓力最大值為2.42bar，1號渦輪增壓器為2.3bar。在發動機最大扭矩點1800r/min時，1號渦輪增壓器的增壓壓力為1.98bar，2號渦輪增壓器的增壓壓力為2.05bar。在轉速1600r/min，1號渦輪增壓器的增壓壓力為1.79bar，2號渦輪增壓器的增壓壓力為1.98bar。

2.2 性能預測

圖5是兩款增壓器功率模擬計算結果，對于功率而言，兩款增壓器都達到了發動機功率的設定性能目標95kW，其中1號渦輪增壓器為95.6kW，2號渦輪增壓器為95.8kW整體功率曲線也符合柴油機功率曲線分布規律。發動機轉速從1000r/min到2000r/min時，1號渦輪增壓器的功率小于2號渦輪增壓器，發動機轉速從2000r/min到2900r/min時，1號渦輪增壓器的功率大于2號渦輪增壓器。

圖6為兩款渦輪增壓器模擬計算的外特性扭矩值。對于扭矩而言，兩款增壓器在1900r/min額定轉速時都能達到380N·m的設定目標，從圖6中可以看出，1號渦輪增壓器的最大扭矩為383.8N·m;2號渦輪增壓器的最大扭矩為384.6N·m。2號渦輪增壓器最大扭矩大于1號渦輪增壓器。2號渦輪增壓器在1600r/min時，就可以輸出380N·m最大扭矩，且扭矩可以維持到1800r/min。發動機從1000r/min到1900r/min時，2號渦輪增壓器的模擬扭矩都大于1號渦輪增壓器的扭矩，轉速從2000r/min到2900r/min時，1號渦輪增壓器的模擬扭矩都大于2號渦輪增壓器。

2.3 油耗預測

圖7為兩款渦輪增壓器模擬計算的比油耗值。從圖7中可以看出，對于外特性最低比油耗點目標200g·（kW·h）而言，匹配兩款增壓器都能達到這個工程設定目標。1號渦輪增壓器外特性最低油耗為200.2g·（kW·h），勉強達到工程設定目標。2號渦輪增壓器外特性最低點油耗為198.9g·（kW·h）。1號渦輪增壓器在發動機額定點的比油耗為222.9g·（kW·h），2號渦輪增壓器在發動機額定點的比油耗為223.8g·（kW·h），2號渦輪增壓器在額定點的比油耗要高于1號渦輪增壓器。在發動機常用轉速區間1000-2000r/min，2號渦輪增壓器的耗油明顯低于1號渦輪增壓器。發動機轉速超過2000后，1號渦輪增壓器的油耗低于2號渦輪增壓器。

3? 結論

通過模型搭建和計算分析比較發動機功率、扭矩、比油耗等參數得出以下結論：在流量接近時，高效率增壓器對性能的貢獻率較高，2號渦輪增壓器，可以滿足功率扭矩目標，能達到油耗設定目標，增壓能力優于1號渦輪增壓器。通過對比1，2號渦輪增壓器的功率、扭矩、油耗等參數后，認為2號渦輪增壓器匹配發動機后，各項指標滿足要求。

參考文獻：

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