摘 要

当前全世界范围内都在推进节能减排，越来越多的汽车厂商将目光聚集在小型涡轮增压汽车上。为满足法律法规和市场以及消费者多方面要求，全球各地的乘用车汽油发动机均呈现小型化增压的发展趋势。本文为某型1.4L涡轮增压直喷汽油机进行了总体开发设计与性能仿真分析，首先对市面上现有的1.4L涡轮增压直喷发动机的机型参数进行了调研，确定目标机型的基本参数，再分别从曲轴飞轮组、连杆组、活塞组以及机体与气缸盖等方面对某型1.4L直喷汽油机进行了整机设计，确定了发动机具体参数。之后本文利用GT-Power软件对涡轮增压机与发动机进行了匹配模拟，确定了涡轮机的选型，最后对进气系统、排气系统、配气机构等进行了仿真模拟和优化设计，获得了发动机动力性能指标随进排气歧管长度、直径以及进排气门正时变化的规律，并确定了可使发动机获得最佳动力性能的进排气系统和配气相位的参数，最终完成某型1.4L的涡轮增压直喷汽油机的选型与优化。

关键字：涡轮增压直喷汽油机，整机开发，增压器匹配，整机优化，GT-POWER

Abstract

With the worldwide push for energy efficiency and emission reduction, more and more auto makers are focusing on small turbocharged cars. In order to meet the requirements of laws, regulations, market and consumers, the gasoline engines of passenger cars all over the world are showing the development trend of miniaturization and supercharging. This article for a certain type of 1.4 L turbocharged direct injection gasoline engine design and performance simulation analysis, has carried on the overall development of existing on the market of the 1.4 L turbocharged engine straight model parameters for the research, basic parameter of the target models, then respectively from flycoheel crankshaft, connecting rod, piston group as well as the body and cylinder head of a certain type of 1.4 L the whole machine is designed for direct injection gasoline engine, the engine specific parameter is determined. After using GT - Power software of turbocharger and engine matching simulation, determine the turbine type selection, the final valve-train of air intake system, exhaust system, such as simulation and optimization design was carried out, the engine Power performance index with the inlet and exhaust manifold length, diameter, and changes into the exhaust valve timing, and determine the can make the engine to obtain the best dynamic performance of inlet and exhaust system and the parameters of the distribution phase, finishing a certain type of 1.4 L turbocharged direct injection gasoline engine selection and optimization.

Key word：Turbocharged and direct injection gasoline, Turbocharger match, Optimization, GT-POWER

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3主要研究内容 3

1.4本章小结 3

第2章 市场机型调研及目标机型参数确定 4

2.1市场参数调研 4

2.2参数确定 5

2.3本章小结 5

第3章 1.4L某型涡轮增压直喷汽油机整机设计 6

3.1汽油机类型的选择 6

3.2汽油机主要参数的选择 6

3.3曲轴飞轮组的设计 7

3.4连杆组的结构设计 8

3.5 活塞组的设计 10

3.6机体与缸盖的设计 12

3.7本章小结 13

第4章 1.4L某型涡轮增压直喷汽油机仿真模型的建立 14

4.1建模软件GT-POWER简介 14

4.2 增压直喷汽油机仿真模型的建立 15

4.3直喷汽油机与涡轮增压器选型匹配和仿真研究 36

4.4本章小结 44

第5章 模型仿真模拟检验 45

5.1参数选择 45

5.2模拟仿真 45

5.3本章小结 46

第6章 涡轮增压汽油机的整机优化 47

6.1 增压直喷汽油机进气歧管的优化 47

6.2 增压直喷汽油机排气歧管的优化 53

6.3 配气相位对发动机动力性能的优化 60

6.4本章小结 67

第7章 总结与展望 68

7.1结论 68

7.2展望 69

致谢 70

参考文献 71

第1章 绪论

1.1研究背景

近年来，由于我国汽车保有量的快速增加，汽车尾气排放对环境的破坏越发严重。国务院在《节能与新能源汽车产业发展规划》中确定，到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5升/百公里以下；商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。

目前，市面上主要有两种实现发动机节能与减排的方法。第一种方法是利用新动力，发展新能源汽车，但是目前新能源技术尚处于起步阶段，许多问题依然存在。例如纯电动车的续航里程较短，城市基建相关的硬件并未跟进，电池技术并不完善等等。另一种方法则是对使用传统动力的汽车进行技术升级。各大车企纷纷进行技术升级，有的采用缸内直喷，有的使用可变气门正时，有的则使用涡轮增压发动机代替自然吸气发动机。其中，涡轮增压直喷汽油机污染物排放量较低、有效燃油消耗率较低耗、并且发动机输出扭矩和输出功率较高。这些优点使其得到越来越广泛的应用。

缸内直喷发动机使用了低压共轨电控的喷油系统。低压共轨电控喷油系统的喷射时间可以根据实际情况进行调整，并且具有良好的喷雾特性，可以满足缸内直喷汽油机的需要。发动机可采用均匀混合燃烧系统，更加方便的解决尾气排放的问题。故相对于进气道喷射的发动机，缸内直喷发动机在控制污染物排放方面具有较大的优势。其次，发动机动力更好，充量系数较高，故最大扭矩较高。而由于爆燃倾向的降低 ，发动机的压缩比可以得到提高，从而可以提高热效率，燃油经济性更好，发动机的排量可以减少。

涡轮增压发动机与自然吸气发动机相比，具有如下突出优点：第一，动力性更好。采用涡轮增压后，发动机的升功率会得到大幅度提升，最大扭矩和最大功率也会增加。第二，燃油经济性得到提升。涡轮增压技术提高了发动机的强化程度，给整车带来轻量化的好处。在相同功率下，增压发动机的排量可以比自然吸气式发动机降低 18%～35%，燃油经济性则可提高10%左右。第三，污染排放低，噪声低。采用增压技术后，气缸内的工质可以得到更加充分的燃烧。常见排放物，例如碳氢化合物、一氧化碳的排放率均较低。而进一步采用增压中冷措施后，氮氧化物的排放量也会得到大幅度改善。第四，环境适应性好。涡轮增压发动机不仅可以平原正常工作，在高原地区工作时涡轮增压发动机也具有优秀的工作性能。因为发动机在进气时进行了增压，故发动机在高原地区工作时仍可保持较高的效率。

近年来，政府一直在号召车企进行节能减排，中小排量涡轮增压车型开始成为时代的新宠儿。徐政在《车用1.5L涡轮增压直喷汽油发动机开发》一文中指出，在国际乘用车汽油发动机领域，人们更加倾向于降低汽油机排量并使用涡轮增压技术，来满足法规和市场消费者多方面的要求。随着汽车轻量化技术的发展，热门乘用车的排量将会逐渐下移。几年前热门乘用车的排量为2.0L，之后分别降1.8L、1.8L，未来1.4L甚至更低的排量都有可能成为新的黄金排量。其中，大众在国内多款畅销车型上使用1.4T发动机，更加预示着1.4L发动机的前景广阔。与此同时，搭载1.8L排量及以下发动机的乘用车可以享受购置税减半的优惠政策。1.4L发动机市场前景广阔。

基于以上考虑，本文最终将1.4L涡轮增压直喷汽油机作为研究对象。本文选用GT-POWER软件对涡轮增压直喷汽油机进行整机仿真分析与优化研究。首先对市面机型进行调研，选择恰当的增压直喷汽油机的结构参数和性能参数；再分别对发动机子系统进行优化设计，提升增压直喷汽油机的动力性能，最终达到开发一款性能优异的1.4L涡轮增压直喷汽油机的目的。

1.2国内外研究现状

徐政在2018年第9卷第3期的《汽车安全与节能学报》中的文献《车用 1.5 L 涡轮增压直喷汽油发动机开发》一文中指出，为降低燃油消耗率油耗、降低污染物的排放、提高发动机性能并使发动机噪音处于较低的水平，上汽乘用车开发投产了包括主力机型 1.5 升涡轮增压直喷汽油发动机在内的小排量SGE系列“蓝芯动力”发动机。上汽开发投产的SGE1.5T发动机搭载在荣威、名爵等一系列热销车型上，展示了市场领先的性能和油耗。例如，荣威 i6 达到100 km加速8.5 s，在新欧洲行驶循环工况下每行驶100 km油耗5.9 L，极具市场竞争性^[1]。

武汉东风汽车集团股份有限公司技术中心的田宁和刘明涛在《东风1.4 L增压直喷高性能汽油机开发》一文中对增压直喷发动机进行了优化设计。他们用于优化的机型为东风1.4 L增压直喷汽油发动机。文章分别对发动机的直喷燃烧系统的优化设计、涡轮增压器的选型、振动与声振粗糙度的降低等关键技术进行了论述。论文画了大量篇幅描写发动机的控制策略和优化方案，通过理论设计、建模模拟、台架试验相结合的设计方法，完成了NVH的标定开发、降低了发动机的排放，最后完成了东风1.4L增压直喷发动机的设计目标^[2]。

据本田研发有限公司的学者Mitsutaka Jono在《Development of a New 2.0L I4 Turbocharged Gasoline Direct》的论述，本田公司于2016年研制出一种小型涡轮增压的2.0L汽油直喷发动机。该发动机可同时实现良好的动力性能和环保性能，发动机部件包括一个高翻滚的阀门，一个双气门正时控制装置，一个可变排气阀升程机构，已与气缸盖合为一体的两件式水套作为的排气歧管，单向滚动的涡轮增压器和配有冷却通道和轻型曲轴的活塞。该发动机实现最大扭矩为400Nm，最大输出功率为228kW，同时在欧盟燃油经济性测试循环(最大热效率为36.6%)中实现二氧化碳排放量为170g/km，尾气排放可达欧六标准^[3]。

本田研发有限公司的另一个学者Yusuke Wada在《一种新型1.5L直列四缸涡轮增压直喷汽油机的研发》一文中研制了一种可以取代1.8 - 2.4升的自然吸气级发动机的1.5L小型涡轮增压发动机，可实现驱动性能和环境性能的双重要求。该发动机使用长冲程结构，可实现快速燃烧和均匀混合。此结构由多孔的喷油器、浅盘形状的活塞和高转筒口组合而成。发动机最大输出功率为130千瓦，比1.8 L NA发动机相比提高21%。同时，扭矩增加了百分之二十六，而发动机转速每分钟下降了两千六百转，最低有效燃油消耗率为220 g/kWh，最高热效率为38%，成功达到了当前的排放标准^[4]。

Alberto Boretti于《Super-Turbocharging the Gasoline Engine》一文中对超级涡轮增压在四缸直喷汽油机中应用进行论述，将VanDyne超级涡轮增压器和Tototrak变速比增压器结合起来，将两者在柴油机上的仿真结果推广到汽油机上，最终在理论证实了超级涡轮增压在直喷汽油机上的可行。设计出的发动机燃料转换效率超过30%，低速时增压器转速可得到显著提高。同时，超级涡轮增压器可以增加制动平均有效压力，回收废气能量，提高能量转换效率^[5]。

1.3主要研究内容

本毕业设计为某型1.4L涡轮增压直喷汽油机进行了总体开发设计与性能仿真分析，利用GT-Power对燃烧系统、增压系统、配气系统以及其他机构进行了仿真模拟和参数验证，最终开发了一款性能优异1.4L的涡轮增压直喷汽油机。研究的基本内容包括以下几点：

1. 了解涡轮增压直喷汽油机技术的工作过程与工作特性；
2. 通过调研现有机型的系统参数，确定设计的1.4L增压直喷汽油机关键参数目标值；
3. 利用GT-POWER构建发动机整机性能仿真模型；
4. 利用GT-POWER对构建的发动机仿真模型进行优化设计；
5. 分析模拟计算结果并确定各个子系统的最终参数，完成发动机整机选型。

1.4本章小结

本章首先对小排量涡轮增压发动机的前景进行了说明，再论述了当前国内外小排量涡轮增压汽油机的研究现状，最后确定了本文的主要研究内容，确定了本文的主要研究方向。

第2章 市场机型调研及目标机型参数确定

2.1市场参数调研

本文旨在开发一款1.4L涡轮增压发动机，具有与当前1.4L涡轮增压汽油机相近的性能参数。故在对发动机机型参数选型阶段，本文对当前市面具有相似技术的排量为1.4L的涡轮增压汽油机的机型参数进行了调研，并通过综合对比确定了自己设计的目标机型的参数。下表为不同车型上的车型参数调研。

表2.1 市面发动机机型参数调研表

2.2参数确定

本文通过对比当前市面常见1.4L涡轮增压汽油机的机型参数，确定了自己目标机型的基本参数，两者的对比情况如下表。

表2.2 目标机型参数

开发机型为直列四缸涡轮增压直喷汽油机，设计的缸径为74.5mm，行程为80mm，经过计算，排量为1384mL，即1.4L。目标最大功率为110kW，目标最大扭矩为250N·M。

2.3本章小结

本章通过调研当前市面1.4L涡轮增压发动机机型的基本参数，确定了所设计目标机型的参数。初步确定缸径为74.5mm，行程为80mm，目标最大功率为110kW，目标最大扭矩为250N·m。

第3章 1.4L某型涡轮增压直喷汽油机整机设计

3.1汽油机类型的选择

3.1.1冲程数的选择

四冲程内燃机试用可靠，工作柔和，耐磨性好。经济性好，性能指标稳定，排放性能和经济性能较好，并且前人积累了大量关于四冲程发动机的生产与开发经验。参考同类型发动机，本文用四冲程内燃机，即τ= 4。

3.1.2冷却方式

发动机冷却方式主要分为风冷、水冷两种方式。风冷发动机气缸盖和机体表面铸有散热片，无水套，主要依靠空气流动带走内燃机散发的热量。而水冷发动机机体和气缸盖内部都铸有水套，内燃机主要依靠循环水带走热量。水冷发动机冷却均匀，散热效果好；充气效率大。平均有效压力大；受外界环境影响较小。参考同类型发动机，本文用水冷方式。

3.1.3气缸数与气缸布置方式

发动机气缸的布置形式主要有直列式、V型、W型等。内燃机气缸的布置方式主要参照发动机的使用环境决定。直列式气缸所有气缸排成一列，体积紧凑、应用广泛，多见于2.5L以下小排量车型。参考同类型发动机并考虑到本机排量，本文选择四缸内燃机。即Z=4。

3.2汽油机主要参数的选择

3.2.1行程缸径比S/D的选择

长行程发动机：转矩特性较好，起步加速性能好，最高车速不是特别高。一般家用轿车/柴油车会采用长行程设计；短行程发动机：发动机转速较高，最高车速较高，最大转矩对应的转速较高。一般高转发动机会采用大缸径 短行程设计；等行程发动机：综合二者特点，较均衡。一般汽车发动机不会刻意的追求等行程。

最终选择长行程的发动机，确定的行程缸径比：S/D = 1.07。

3.2.2气缸工作容积Vs以及缸径D的选择

根据发动机原理一书中的公式：

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