汽油机涡轮增压系统匹配的通流模拟研究

论文摘要

增压发动机在汽车上的应用已经非常广泛,增压器的模拟和设计已成为提高增压发动机性能的关键因素之一。随着对增压器的理论和试验研究不断深入,增压控制技术也不断成熟,这些都使得增压技术在汽油机上的应用成为可能。如今,增压汽油机数量不断上升,采用增压小排量汽油机已成为降低汽车燃油消耗和有害气体排放的有效措施之一。目前发动机仿真软件还缺乏涡轮增压流动模型,现有对增压器的处理方法主要是基于发动机基本性能需求估算增压器空气流量及增压压力等,初步选定某一涡轮增压器型号,利用该增压器试验获得的压气机和涡轮性能MAP图进行插值和外推计算,并用于发动机性能模拟。这种基于试验MAP图的增压匹配方法具有很大的局限性,针对传统MAP图增压匹配方法的不足,进行了新的增压匹配方法的研究。新方法将航空叶轮机械领域普遍使用的通流计算方法引入到汽车涡轮增压器的设计开发中。为了对增压器性能进行分析预测,本文利用一维叶轮机械设计分别建立了压气机和涡轮通流模型,并利用试验数据对该模型进行了校核。利用该方法生成增压器性能MAP图具有以下特点:（1）利用增压通流模型进行增压器性能预测,仅需较少的试验数据对模型进行校核,对试验的依赖程度较小;（2）该模型是基于一维连续方程、动量方程和能量方程进行增压器内部流动模拟,其计算量较小;（3）该模型是基于增压器具体几何形状和真实物理模型,因此可以避免试验测试工况不全的问题以及利用数学方法进行插值和外推引起的误差,计算精度较高;（4）该模型可以根据特定发动机的性能需求改变增压器几何形状,因而使得增压器的匹配更加简单有效。本文的主要工作是将增压通流模型与发动机系统仿真模型进行了耦合。在发动机每循环仿真过程中,利用增压通流模型替代原有系统仿真模型中的增压器MAP模型来进行联合仿真,这样便可以考虑发动机运行工况如排气脉冲等对增压器性能的影响。在每个联合仿真过程中,计算数据在发动机整机模型和增压通流模型间进行循环交换。发动机整机模型计算得出发动机性能参数,并将其传递给增压通流模型,后者根据上述参数计算得到压气机和涡轮流量、效率等并将其传递给发动机整机模型进行发动机性能模拟。。本文针对某型增压汽油机建立了发动机整机模型和增压通流模型,并利用整机试验数据对模型进行了校核。利用上述模型,论文进行了增压器尺寸对发动机性能影响的研究。通过在GT-Power设置相似系数,连接程序可以自动对增压器尺寸大小进行缩放,而不改变压气机及涡轮的具体叶型,这样便可以研究不同大小增压器与发动机的匹配特性,从而进行增压器与发动机的一体化设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 Research background
• 1.1 Fundamentals of turbocharging
• 1.1.1 Supercharging
• 1.1.2 Turbocharging
• 1.1.3 Advantages and disadvantages of turbocharging
• 1.1.4 Place of the turbocharger in the engine
• 1.1.5 History of the development of turbocharging
• 1.2 Traditional turbocharger performance map generation
• 1.2.1 Compressor performance map
• 1.2.2 Turbine performance map
• 1.2.3 Turbine efficiency definition
• 1.2.4 Turbocharger performance simulation
• 1.3 Engine simulation model
• 1.3.1 One-dimensional engine simulation
• 1.3.2 Turbocharger model
• 1.3.3 Piping model
• 1.3.4 Combustion model
• 1.3.5 Turbocharger friction model
• 1.4 Calibration work
• 1.4.1 Calibration is necessary
• 1.4.2 What are the coefficients to be calibrated?
• 1.4.3 Calibration sequence
• 2 Turbo matching and turbo system integration
• 2.1 The traditional map generation
• 2.1.1 Problems in the traditional map generation
• 2.1.2 Objective
• 2.2 The through-flow model
• 2.2.1 Introduction about the through-flow model
• 2.2.2 Compressor through-flow model
• 2.2.3 Turbine through-flow model
• 2.3 Development of a new map generation method
• 2.3.1 Objective
• 2.3.2 Development steps
• 2.3.3 Calibration of the semi-empirical correlation models
• 2.3.4 Exemple of correlation model calibration
• 2.3.5 Results
• 3 Turbocharged engine through-flow simulation platform
• 3.1 Problem of the traditional engine simulation method
• 3.2 Through-flow engine simulation method
• 3.3 Parameter exchange between the engine model and the trubine through-flow model
• 3.4 Parameter exchange between the engine model and the compressor through-flow model
• 3.4.1 The iterative calculation
• 3.4.2 Estimation of the mass flow rate
• 3.5 User defined functions in GT-Power
• 3.6 Simulation calculation improvements
• 3.6.1 Compressor outlet pressure difference criterium
• 3.6.2 Influence of the turbocharger initial rotational speed
• 3.6.3 First cycles of the simulation
• 3.6.4 Calculation time improvement inside a cycle
• 3.6.5 Calculation time improvement between cycles
• 3.6.6 Calculation time improvement of the compressor side
• 3.6.7 Improvement of compressor mass flow convergence
• 3.6.8 Non convergence problem in the compressor side
• 3.6.9 Calculation problems in the turbine side
• 3.6.10 Interpolation method inside a non coupled cycle
• 3.6.11 Extrapolation method inside a coupled cycle
• 3.7 Turbocharger scaling for matching work
• 4 Modeling for gasoline engine turbo system integration
• 4.1 Turbocharged gasoline engine model
• 4.2 Non coupled simulations
• 4.3 Parameter study of the “between cycle modulo”value
• 4.4 Parameter study of the “inside cycle modulo”value
• 4.5 Parameter study of the “criterium”value
• 4.6 Interpolation method in a non coupled calculation
• 4.7 Extrapolation method in a coupled calculation
• 4.8 Comparison with similar research work
• 4.9 Comparison between MAP based/through-flow simulations
• 4.10 Turbocharger scaling for matching work
• 5 Conclusion and future works
• 5.1 Conclusion
• 5.2 Future works
• References
• 致谢
• Resume