某小排量增压汽油机热力学开发
王军范习民路明朱凌云姚炜
安徽江淮汽车股份有限公司
摘要：本文利用A VL BOOST 和EXCITE Timing Drive等软件为平台，对某小排量增压汽油机进行了正向概念开发设计，完成了初步的增压器匹配，正时，关键部件尺寸等，最终的开发结果达到了设计
目标。
关键词：汽油机；增压器；性能
主要软件：BOOST，EXCITE Timing Drive
1引言
随着传统汽车能源越来紧缺，节能汽车越来越受到消费者的青睐，国家也在引导和激励国民使用小排量节油的汽车产品，购置税的减免就是一个很好的说明，为此开发小排量增压机型不仅能够迎合国家节能减排的政策，也能为消费者提供驾乘乐趣的同时节省更多的成本。
本文主要介绍了我公司正在开发的一款小排量汽油机，运用BOOST软件进行正向开发的主要过程。计算的主要内容包括：确定进排气系统的关键尺寸，确定初步的进排气凸轮轴的正时角度范围，确定初步的VVT工作策略，增压器的匹配，预测目标值。
2计算过程
2.1增压器匹配
预研究阶段从增压器厂家得到了三款增压器的性能数据。根据计算结果一号增压器的高速效率差，超出堵塞区；二号增压器高速效率较好，超速余量足够；三号增压器与二号相比高速效率略差，低速响应性也不好；最终选择了二号增压器进行了匹配。
图1a  一号增压器匹配结果图1b  二号增压器匹配结果
图1c  三号增压器匹配结果
2.2凸轮型线及正时计算
为了表明气门正时的影响，因此在转速1000rpm、5000rpm进行计算。分别对进气门关闭时刻，
排气门开启时刻，重叠角进行优化计算。所有这些结果基于以下边界得出：
•相同的过量空气系数
•相同的放热率曲线
•相同的压缩比
•相同的增压效率
变化的结果通过对平均有效压力、比油耗、空气输入率和残余废气的影响来评估。
根据发动机性能表现，大的气门重叠角仅适合低的发动机转速当出现压缩比比排气压力高的情况，在这种情况下这种气门重叠角可以用来净化缸体内的新鲜空气和去除残留的气体。另外，净化
过程增加了通过压气机的新鲜空气的流量。从而运行时压气机会平稳运行。在中高转速时，排气压
力将比压缩比高，因此必须通过改变进排气角降低气门重叠以避免在缸内残留大量的气体和改善气
体的交换。
当排气门关闭和进气开启正时确定时，可以通过改变进气门关闭来改变进气门关闭时刻。这主
要影响空气的交换率，排气门开启时刻对发动机制动平均有效压力和燃油消耗的影响。
图2凸轮型线优化结果
自动挡车档位p r n d l介绍在以上对凸轮进行优化计算后对新的进排气型线进行正时计算，结果如下：
气门升程实际开启角度 1mm开启角度最大升程角度1mm关闭角度实际关闭角度蓝实线：进气锁死360 383 484 583 604 红实线：排气锁死123 145 240 333 355 蓝虚线：进气-50deg310 338 434 533 554 红虚线：排气50deg173 195 290 372 405
小排量汽车v a l v e  l i f t (m m )
crankangle(deg)
图3配气正时及变化范围
2.3进排气道的影响雅马哈巧格
麻阳高速通过改变流量系数来研究进排气道的影响，流量系数分别增加和缩小10%如图4所示。显示了
额定转速时对制动平均有效压力、发动机功率的输出、空气传输率和燃料消耗的影响。进气道主要影响空气传输率，排气道对发动机的燃料消耗具有很大的影响。
图4进排气道的影响
2.4压力损失影响
额定功率输出时研究进气压降、中冷器的压力损失和排气背压对发动机性能的影响，为了说明影响在此使用不变增压器特性同时压缩比保持不变。改变进气压力损失、背压和中冷器压力损失的计算是基于以下的边界
•  相同的过量空气系数 •  相同的放热率曲线 •  相同的压缩比
•  相同的增压效率
为了改变排气背压需要对燃烧时刻进行调整以改变残留气体量，这些因素影响发动机的爆震。更高的残余废气含量要求燃烧正时推迟。改变的结果如图5所示，结果显示进口的压力损失对发动机的性能有较大的影响，因此应尽量减小进气的压力损失当然其他部分的压力损失也应尽可能的小。
中中中中
DP_CAC(mbar)B M E P (b a r )
P o w e r (k W )
B S F
C (g /(k W .h ))
DP_cleaner(mbar)B M E P (b a r )
P o w e r (k W )
B S F
C (g /(k W .h ))
背背中中
DP_EXH(mbar)
B M E P (b a r )
P o w e r (k W )
B S F
C (g /(k W .h ))
图5 各处压力损失对整机影响
2.5进排气歧管尺寸影响
进气歧管对低速和中高速存在相互的制约，为了兼顾低速的性能，选择了有利于低速的设计尺寸。为了得到最好的瞬时响应，排气歧管在排气门和涡轮进口间的体积应尽可能的小。尤其是低转速低负荷时，小的排气歧管体积能够确保最大的脉冲力到达涡轮从而增加低速时的推力从而保持发动机的性能。另外增压器的响应也需要改进，但是小的直径增加了发动机高转速时的流动损失从而导致高的充气损失并且使发动机的性能恶化。所以考虑排气歧管的直径时这两方面的影响均应考虑。
图7排气歧管的直径选择为27mm 。虽然增加直径能加强发动机在额定转速时的性能但是对中低转速的作用很小，大的直径会使发动机的瞬态性能恶化所以大的歧管直径也不予以推荐。
同时为了降低系统的压力损失，所有其他流通的管路均应光滑，直角管或弯曲半径低于管半径3倍的管应避免使用。在管过渡到缸盖法兰面处的地方应该倒圆角，连接缸盖的管应是圆的必须考虑铸造公差。
intake_dia ratio(-)
B M E P (b a r )
P o w e r (k W )
B S F
C (g /(k W .h ))
intake_dia ratio(-)
B M E P (b a r )
P o w e r (k W )东风集团
B S F
C (g /(k W .h ))
intake_dia ratio(-)
A i r  D e l i v e r y  R a t i o  I n t (-)
P M E P (b a r )
R e s i d u a l G a s (-)
迈巴赫标志图片
intake_dia ratio(-)
A i r  D e l i v e r y  R a t i o  I n t (-)
P M E P (b a r )
T o t a l R e s i d u a l G a s C o n c (-)
图6 进气歧管直径对高低速影响
图7 排气歧管直径对高低速影响