EGR和VVT在汽油机涡轮增压中的应用

摘要

废气涡轮增压是目前汽油机重要的发展方向之一。某型2.0L气道喷射自然吸气汽油机匹配废气涡轮增压器后，厂家实验数据显示，相比于原自然吸气汽油机，增压后功率和扭矩得到显著提升，但平均有效燃油消耗率也增加了约10％。本文的研究目的是对该型汽油机的增压匹配进行评估，寻找出匹配中存在的问题，提出相应的解决方法，并进行仿真模拟分析。
　　首先搭建了该型增压汽油机的GT-POWER仿真模型，并利用台架实验数据对仿真模型进行标定，验证其有效性。在此基础上，对增压器与发动机的匹配情况进行了考察和评估。分析实验数据发现，外特性下2000r/min~4800r/min转速范围内，增压后发动机的输出扭矩为280N·m，未达到设计目标值290N·m；而且增压后发动机有效燃油消耗率平均增加约10%。此外通过仿真分析发现，低速全负荷下压气机喘振裕度不足，有发生喘振的可能性。
　　针对外特性下低转速容易发生喘振和中高转速段扭矩不足的问题，分析了VVT技术对提高喘振裕度和增大输出扭矩的效果。在分析进、排气可变配气正时对增压汽油机动力性、经济性影响的基础上，以扭矩输出最大为优化目标，以进、排气 VVT开度为优化变量，优化分析结果表明：优化后最不利转速时的喘振裕度由10.9%提升到22%，低速区扭矩平均增加4%，但低速区的燃油经济性有所下降；中高转速区扭矩提升有限；最大功率提升1.5kW。
　　针对汽油机增压后有效燃油消耗率增加较多的问题，分析了其产生的原因。主要原因是增压后爆震倾向增加、排气温度上升，为了避免爆震而推迟点火又促使排气温度进一步上升，为保护涡轮采用浓混合气来控制排气温度，从而增加了油耗。
　　为了降低油耗，本文提出了采用外部冷却EGR技术来改善增压汽油机燃油经济性的措施。通过建立GT-POWER仿真模型，对加入EGR后的增压汽油机进行模拟计算分析，结果表明：EGR能够有效降低爆震倾向，降低涡轮前排气温度，但会使扭矩和功率有所下降。
　　为了提高扭矩和功率，本文进一步采取了提高进气压力的方法。研究结果表明：在5%EGR率下，通过优化 CA50、CA90、进气压力和燃空当量比，可实现扭矩基本保持在加入 EGR前水平的前提下，有效燃油消耗率平均降低约10%，涡轮前排气温度降低约20℃。
　　在此基础上，本文进一步研究了通过优化CA50、CA90、进气压力、燃空当量比、进气VVT开度、排气VVT开度来改善增压汽油机的性能。模拟研究结果表明：在保证加入EGR前后扭矩不降低的条件下，进一步使有效燃油消耗率平均降低约7%。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2 课题研究现状

1.2.1 汽油机废气涡轮增压技术研究现状

1.2.2 汽油机可变配气正时技术研究现状

1.2.3 汽油机EGR技术研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 增压汽油机仿真模型建立及增压器匹配评价

2.1 增压汽油机仿真模型的建立

2.1.1 进气系统搭建

2.1.2 缸内热力过程模型

2.1.3 排气系统建模

2.1.4 配气系统建模

2.1.5 涡轮增压器建模

2.1.6 PID控制系统

2.2 模型有效性验证

2.3 涡轮增压汽油机匹配评价

2.3.1 发动机与涡轮增压系统的匹配评价规范

2.3.2 涡轮增压系统匹配评价

2.4 本章小结

第3章 VVT对增压汽油机性能影响的研究

3.1 进排气基础相位角

3.2 进气可变正时对增压汽油机性能的影响

3.2.1 低转速下进气可变正时对增压汽油机性能的影响

3.2.2 中间转速下进气可变正时对增压汽油机性能的影响

3.2.3 高转速下进气可变正时对增压汽油机性能的影响

3.3 排气可变正时对增压汽油机性能的影响分析

3.3.1 低转速下排气可变正时对增压汽油机性能的影响

3.3.2 中间转速下排气可变正时对增压汽油机性能的影响

3.3.3 高转速下排气可变正时对增压汽油机性能的影响

3.4 进排气可变正时的优化

3.4.1 进排气可变正时优化初选相位角的选择

3.4.2 进排气可变正时优化结果分析

3.5 本章小结

第4章 EGR对气道喷射增压汽油机性能改善的研究

4.1 EGR系统的选择和布置

4.2 低转速EGR系统的实现

4.2.1 排气扩压

4.2.2 进气节流降压

4.3 中高转速下EGR对增压汽油机性能改善的研究

4.3.1 爆震模型的修正

4.3.2 EGR对增压汽油机性能的影响

4.3.3 点火提前角对引入EGR后增压汽油机性能的改善

4.3.4 引入EGR后增压汽油机性能的多因素优化分析

4.4 中高速下EGR与VVT协同作用的研究

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢