摘 要

给发动机增压并不是最近才兴起的理念，第一次世界大战时增压器就登上了历史的舞台，以前很长一段时间涡轮增压技术主要广泛应用于柴油机，但随着现代汽油机趋向于小型化，小排量涡轮增压汽油机成为研发热点。

本毕业设计是针对某型1.4L汽油机进行涡轮增压系统的设计、选型与仿真分析。绪论中主要介绍了涡轮增压器的应用背景和为发动机匹配涡轮增压器的目的和意义，涡轮增压的技术特点以及工作过程和工作特性等。接着完成了涡轮增压器的匹配计算工作，对涡轮增压器进行选型。准备工作完成后建立基于GT-Power的汽油机与废气涡轮增压器匹配仿真模型，首先是建立原型机的模型，通过调整参数使得模型与原型机的性能参数接近后在模型中添加涡轮增压器以期达到增压目标，最后采用了优化进气歧管和配气正时的方法来进一步优化涡轮增压发动机的性能参数。

关键词：汽油机；涡轮增压；GT-Power；仿真优化

Abstract

Boosting the engine is not a recent concept, the supercharger on the first world war was on the stage of history. For a long time, turbocharging technology was mainly used in diesel engines, but with the trend of miniaturization for modern gasoline engines, small displacement turbocharged gasoline engines have become a hot spot for research and development.

The graduation project is designed, selected and simulated for a turbocharger system of a 1.4L gasoline engine. The introduction mainly introduces the application background of the turbocharger and the purpose and significance of matching the turbocharger to the engine, the technical characteristics of the turbocharger, and the working process and working characteristics. Then, the matching calculation work of the turbocharger is completed, and the turbocharger is selected. After the preparation is completed, use GT-Power modeling and simulation analysis. First, build the model of the prototype. After adjusting the parameters so that the model and the performance parameters of the prototype are close, add a turbocharger to the model to achieve the supercharging target. A method of optimizing the intake manifold to further optimize the performance parameters of the turbocharged engine.

Key Words: Gasoline Engine, Turbocharging, GT-Power, Simulation Analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1前言 1

1.2目的及意义 1

1.3进气增压系统的分类 2

1.4汽油机涡轮增压技术的特点 2

1.5汽油机涡轮增压系统的工作过程与工作特性 3

第2章 涡轮增压系统的设计与匹配 6

2.1涡轮增压系统的设计 6

2.2涡轮增压系统的匹配原则 6

2.3涡轮增压系统的匹配计算 7

2.4本章小结 9

第3章 涡轮增压发动机模型建立与仿真 10

3.1关于GT-Power 10

3.2原型机的建模仿真与验证 10

3.3增压发动机建模 21

3.4本章小结 25

第4章 涡轮增压器的匹配结果与评价 26

4.1涡轮增压器与发动机匹配结果分析 26

4.2增压后发动机的经济性对比分析 28

4.3增压后发动机的动力性对比分析 28

4.4本章小结 29

第5章 涡轮增压汽油机的优化分析 30

5.1进气歧管的优化 30

5.2进排气正时的优化分析 36

5.3本章小结 41

第6章 总结与展望 43

6.1总结 43

6.2展望 44

第1章 绪论

1.1前言

曾几何时，拥有一辆小轿车可以看成财富和地位的象征，随着社会经济的发展和科学技术的进步，汽车也步入寻常百姓家里，成为亲民便捷的交通工具。改革开放四十年以来，中国复兴的历程全世界有目共睹，而由国内汽车的生产和销售数量就可见一斑，截止到2018年，中国已经连续10年问鼎世界第一大汽车产销国。而随着汽车保有量的增加，伴随的社会问题也日益显露出来，交通拥堵带来的心烦意造和尾气排放带来的空气污染给人们带来了深深地困扰。不仅如此，我国的能源自给不足，严重依赖进口，而战略能源事关国家安全和社会稳定，故由于能源危机和节能减排的需求，传统内燃机需要进行改进和采用新技术才能够适应未来的发展趋势^[1]。当前发动机常用的技术有缸内直喷、分层燃烧、可变气门正时、增压技术等等，因为进气增压技术使得发动机具有很多优点，增压后的功率与原来的发动机相比可以提高40%~60%，平均有效压力在增压后甚至最高可达3MPa，发动机的排放和燃油经济性也有所改善,由于电控技术的发展和小型增压器自身性能及耐高温能力的改善，对爆震控制能力有了大大的提高，过去广泛应用于柴油机的增压技术开始在汽油机上大显身手，路上随处可见带“T”汽车的身影，增压、降低排量是当前汽油机的发展方向^[2]。

1.2目的及意义

早些年间，“黄金动力”成为了大众公司涡轮增压发动机和双离合变速器的代名词，随之而来的还有小排量涡轮增压浪潮，如1.4T发动机，这背后除了燃油经济性和排放法规外，排量税也是很重要的原因，而1.4T发动机刚好满足了这样的要求，在中小排量里堪称“黄金排量”，且动力性和经济性表现也不错。基于1.4T发动机的良好表现，本人经过市场调研与比较，选择一款合适的某型1.4T发动机作为研究对象。对于当前汽车的发展趋势，近年来，汽车主要生产消费国的“节能减排”政策日益严格。日本已经提出至2020年的轻型汽车燃油经济性标准，欧盟于2009年通过强制性的法律手段取代自愿性的CO2减排协议，美国于2012年发布了2017-2025（第二阶段）的轻型车燃料经济性及温室气体排放规定，我国于2012年发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》,大力发展和推广应用汽车节能技术。由于采用涡轮增压技术的发动机有着较低燃油消耗、低排放的特点，中国、印度和美国等汽车大国对于涡轮增压器的应用越来越多。因此，无论政府还是民众都希望汽车既能够保证最优的燃油经济性和最低的尾气排放，又能满足驾驶员对驾驶舒适性和动力性的追求。

目前设计涡轮增压系统最直观的原因就是为了提高发动机的动力性和经济性以及减少排放污染，适应汽车行业发展的要求，响应国家的政策法规号召，特别是新推出的国六排放标准。

由此可见涡轮增压系统对于当前发动机的发展是至关重要、必不可少的组成部分。而如何为一款发动机设计匹配与之相适应的涡轮增压系统也是值得我们去深入研究的。本毕业设计的目的是为某型1.4L汽油机匹配设计一个涡轮增压系统，并基于GT-Power对其建模仿真，之后对匹配结果进行评价，最后优化。

1.3进气增压系统的分类

发动机增压系统指的是发动机实现增压所需各种附件的组合体，其中最根本的就是涡轮增压器，按增压的工作原理增压系统可以分为以下几种：

废气涡轮增压系统：废气涡轮增压是利用发动机做功后排出的废气中的能量通过涡轮机转化为机械能带动压气机工作实现增压的。按涡轮进气方式的不同，废气涡轮增压可以分为径流式涡轮增压器、轴流式涡轮增压器和混流式涡轮增压。

机械增压系统：发动机的曲轴通过带、齿轮、链等传动装置直接驱动压气机工作的增压方式即为机械式增压。根据压气机结构的不同，机械增压系统可以分为叶片式增压器、活塞式增压器、罗茨增压器、螺旋转子式增压器、机械轴流式增压器和机械离心式增压器。

进气谐波增压系统：进气谐波增压系统也叫惯性增压系统，它不需要增压器，它是使用空气在进气管中的惯性效应和波动效应从而达到增压的目的的。

复合式增压系统：复合式增压系统是涡轮增压系统和机械增压系统的组合形式，其中涡轮增压为主，机械增压为辅。复合式增压系统的主要四种类型是:并联式增压系统、串联式增压系统、串并混合式增压系统和复合式发动机。其中最基本的复合式增压系统是前面两种，其他的复合增压系统可以看成是前两种基本系统的变型。

其他增压系统：其他的增压系统包括利用进气引射原理的冲压式增压系统、利用排气的膨胀波和压缩波来传递能量的气波增压系统和利用排气管的隐射作用的增压系统。

1.4汽油机涡轮增压技术的特点

由于汽油机和柴油机的工作特点有很大的不同，因此在涡轮增压技术上采取的措施也有很大的差异。

汽油机进气之后，在压缩行程中压缩的是可燃混合气体，如果压缩的压力太大，将会引起爆震现象。所以汽油机的增压度会受到热负荷和爆震燃烧的限制，因此比柴油机的增压度提高潜力要小。另外，汽油机由于受到燃料辛烷值的限制，压缩比不高，过量空气系数的范围也很小，燃料经济性不好，且对点火系统的要求非常高。汽油机增压使用电子控制燃油喷射系统，可以实现进气容量不变时的燃料随增压压力升高的自动补偿。汽油机在采用混合气扫气时会增加燃料的消耗，同时增高排气温度，进而使得排气系统温度和涡轮工作温度升高。所以汽油机不能使用混合气强化扫气，需要在配气相位上有所设计，同时需要使用更耐高温的材料制造涡轮机。由于汽油机的速度范围较宽，且速度范围内的功率差别也较大，所以汽油机的增压需要使用排气放气阀或其他的装置实现合理的匹配。

1.5汽油机涡轮增压系统的工作过程与工作特性

1.5.1汽油机涡轮增压系统的工作过程

一个完整的涡轮增压系统除了包括涡轮增压器之外，还有中间冷却器、涡轮增压器的支撑装置、涡轮增压器的润滑与机油散热器和增压器的密封装置。

图1.1 涡轮增压器结构图

涡轮增压器其结构组成包括压气机、中间壳和涡轮机，通过涡轮吸收发动机的废气能量并转化为机械能以此驱动增压器的压气机部分工作来压缩气体。高温高压的废气从发动机中排出后进入面积逐渐收缩的涡轮壳喷嘴环，废气在高速状态以固定方向冲击涡轮，涡轮因此高速旋转。因为压气机和涡轮的转子是同轴的，从而涡轮机转动带动压气机转动工作将吸入的空气甩向叶轮边缘实现气体的压缩。

空气流在增压之后，为了降低温度增加充气量和提高充气密度，并改善发动机的经济性和热负荷，需要设置一个中间冷却器。提高充气密度可以增加喷油量，提高平均有效压力，让过量空气系数有余，从而倾向于形成稀薄燃烧，这样来一方面可以降低进气温度，从而降低燃烧时的最高温度，减少排气中的含量，获得排气烟度降低的效果。

图1.2 涡轮增压工作原理图

综上所述，涡轮增压系统的正常工作过程即首先涡轮机吸收发动机排气中的能量并使之转化为机械能，然后带动同轴的压气机工作使吸入的空气流增压提高其密度，接着增压后的空气流经过中冷器降温处理，最后输往发动机的进气管，这样就构成了一个涡轮增压系统的工作循环。

1.5.2涡轮增压器的工作特性

涡轮增压器的核心部件就是涡轮机和压气机。涡轮机按废气的流动方式可以分为径流式、轴流式和混流式，径流式涡轮工作时，废气是沿径向流动的，效率不太高，但是质量轻且容易制造，适合在小流量的工作范围内使用，多应用于小型涡轮增压器，其中径流式还分为向心式和离心式，但离心式径流式涡轮很少被采用。同样，压气机也是分为轴流式、径流式和混流式，车用涡轮增压器上用的则是离心式压气机。综上所述，这里讲的即为径流式涡轮机和离心式压气机。

涡轮机的工作特性是指废气流量、膨胀比、涡轮机效率和涡轮转速这四个主要参数工作时的对应关系。其中废气流量是每秒通过的废气流量，膨胀比是废气涡轮前后的压力比。当转速一定时，流量与膨胀比是正相关的，一直到膨胀比增到界限值时而停止增加，发生堵塞，因为此时涡轮机喷嘴的最小截面（即喉部）处废气的速度已经达到声速，膨胀比的增加对流量变化没有了影响。

关于离心式压气机的工作特性也包括四个工作特性，即流量、增压比、绝热效率和转速。其中压气机的流量是在单位时间内通过压气机的气体体积或质量，取决于由发动机转速、排量及充气系数等确定的发动机空气消耗量。压气机的增压比是出口压力与进口压力之比。压气机工作的完善程度由绝热效率来评定，它是理想绝热压气机的压缩空气功和实际压气机所消耗功之比。因为涡轮机和压气机同轴，所以压气机和涡轮机的转速是一样的。

第2章 涡轮增压系统的设计与匹配

2.1涡轮增压系统的设计

四缸发动机、缸内直喷、脉冲增压、单级涡轮增压。

通过前期对市面上1.4L涡轮增压汽油机的调研，选定某型1.4L汽油机作为增压对象，并根据原参数拟定增压目标，其具体参数如下：

表2.1 原始机型参数与增压目标

2.2涡轮增压系统的匹配原则

压气机和涡轮的联合运行工作特性在宽广的范围内与发动机的良好配合才能使增压发动机有良好的性能，这就是发动机与涡轮增压器的匹配。发动机与涡轮增压器的匹配包括稳定工况和变工况的特性匹配，需要遵循以下原则:

（1）空气流量、增压压力、燃油消耗率和内燃机功率等参数在设计的工况下要达到设计要求。

（2）部分负荷工况的性能较好，且高负荷时发动机不能超出冒烟极限，需要较好的燃油经济性。

（3）在发动机的各种工况下，涡轮增压器都能高效率的运行。涡轮增压器和发动机的联合运行线需要尽量与压气机特性的等效率曲线平行，且应穿过压气机特性的高效率区，并且没有堵塞和喘振现象。

（4）在各种工况下发动机和涡轮增压器应能可靠、稳定地工作，增压器不会出现超速现象，零件的热负荷和排温都能控制在合理的范围内。

（5）车用发动机的外特性需要具有足够的转速储备和转矩储备，较好的瞬态加速响应性能。^[3]

2.3涡轮增压系统的匹配计算

汽油机与涡轮增压器匹配过程中的增压参数是关键内容^[4]，选取发动机最大转速的50%~60%作为匹配工况点对发动机进行涡轮增压器匹配^[5]，对于原型机，取n=4000r/min，对应的有效功率=53kW,扭矩=132N·m,有效燃油消耗率=380g/(kW·h)。

1. 需要的空气质量流量

（2.1）

上式中：

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