电动增压高热效率汽油机热力学循环模拟分析

摘要

改变能源使用结构，开发利用新型能源及节能技术以减少对不可再生能源的依赖、减少大气污染已成为各国发展的共识，越来越严格的汽车油耗和排放法规陆续出台，世界各个汽车制造企业相继制定提高发动机热效率的决策和技术途径。本文旨在结合目前最新的电动增压技术，应用数值循环模拟方法，基于热力学原理，研究电动增压技术提升汽油机热效率的创新技术途径，并分析其预期成效，解决中低速和中低负荷下的热效率低下的问题。本文具体工作与相关结论如下：
　　根据某车用2.0L汽油机的实际的几何结构参数，采用并行测试仿真建模理念，建立2.0L四缸汽油机仿真模型，并对建立的四缸自然吸气汽油机模型进行校正和实验验证。软件模拟中，结合专门的驱动模块与压气机模块，建立电动增压器模型。嵌入汽油机爆震仿真模型，预测和评估电动增压导致的爆震燃烧。同时，建立节气门 PID控制仿真模型，调整发动机的性能输出。在四缸汽油机仿真模型的基础上，结合电动增压器模型、汽油机爆震仿真模型以及 PID控制模型，建立了四缸电动增压汽油机热力学仿真模型。
　　本章基于热力学原理，提出电动增压无回流米勒循环的创新技术途径，解决汽油机部分负荷燃油经济性差的问题。通过进气门早关来实现无回流的米勒循环，形成膨胀比大于压缩比的效果，且使得进气真空膨胀降温，提升热效率的同时抑制爆震。电动增压器进行进气增压，可使进气压比的变化与汽油机转速负荷毫不相关，弥补因运行米勒循环而产生的动力性低减。最终技术途径为：进气门升程曲线为IVC468 oCA(即下止点前72 oCA)，增压器为Rotrex电动增压器C15-20，汽油机几何压缩比为12.5063(保持有效压缩比9.3766不变)。循环模拟结果为：Rotrex-C15-20电动增压器与该汽油机匹配较好，电动增压无回流米勒循环技术方案使得汽油机在中低负荷下，有效热效率得到较大的提升，整体提升平均保持在5%~8%，最大有效热效率提升为11.47%。在保证汽油机不爆震的前提下，动力性输出也有提高和改善。
　　提出创新的“电动增压可变米勒循环”，基于电动增压支配性智能控制汽油机进气充量，通过可变气门正时机构调节进气门关闭时刻，获得有效压缩比小于几何压缩比、膨胀比大于有效压缩比的可调等效米勒循环（Miller Cycle）效应。最终技术途径为：在小负荷工况下，进气门升程曲线为IVC490-IVO386oCA，此时电动增压器不工作，以大几何压缩比(定值15.4225)、大有效压缩比(变量15.15)运行。在大负荷工况， VVT使气门升程曲线左移40oCA，同时采用电动增压，变更为大几何压缩比(定值15.4225)、小有效压缩比(变量9.3766，与原始曲线的有效压缩比保持不变)运行，避免爆震的发生。循环模拟结果为：Rotrex-C15-20电动增压器与该方案下汽油机匹配合理，实现汽油机大几何压缩比设计(15.4225)，汽油机部分负荷下燃油经济性进一步得到提高，最大提升热效率为12.41%。
　　对两种技术途径进行综合比较与对比分析。方案1为电动增压无回流米勒循环汽油机方案，方案2为电动增压VVT可变有效压缩比方案。方案1在高速高负荷下动力性输出和方案可行性方面略好于方案2。方案2实现了汽油机大几何压缩比设计(15.4225)，中低负荷下的高热效率区间扩大，且整体热效率和最大热效率提高都优于方案1，极大改善了汽油机的燃油经济性。综合对比考虑：方案2优于方案1。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状及趋势

1.3 本文的研究内容

2 电动增压汽油机热力学仿真模型建立

2.1 四缸汽油机基础仿真模型建立

2.2 四缸汽油机基础仿真模型验证

2.3 电动增压器模型

2.4 汽油机爆震仿真模型

2.5 PID控制模型

2.6 电动增压汽油机热力学仿真模型

2.7 本章小结

3 电动增压无回流米勒循环汽油机模拟

3.1 方案综述与选择

3.2 方案确定与具体实施方式

3.4 方案调整与最终方案确定

3.5 运行结果与分析探讨

3.6 本章小结

4 电动增压可变气门正时可变有效压缩比模拟

4.1 方案综述与选择

4.2 两种方案的差异性分析

4.3 方案调整与最终方案确定

4.4 运行结果与分析探讨

4.5 两种方案的综合比较与对比分析

4.6 本章小结

5 工作总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间发表的专利目录：