摘 要

随着世界各地排放和油耗法规的日益严苛，对于内燃机整体性能的要求也越来越高，当代应用率最高的废气涡轮增压技术已经逐渐无法满足人们的要求以及越来越高的排放标准。因此越来越多的目光投递到复合增压这一技术上。

本文为了改善传统涡轮增压式发动机的“低速迟滞”的问题，尝试以发动机模拟计算软件GT-Power搭建一款小排量的1.6L四缸复合增压式发动机。以一市面上广泛应用的四缸涡轮增压发动机为基本数据参考，设计一机械增压器，使其组合成复合增压系统，仿真研究其与废气涡轮的动力性，燃油经济性变化。得到复合增压发动机在低速低转矩时的性能得到改善。

随后以通过对比功率、转矩和缸内充气效率，验证本文中所取得的仿真结果，并进行了凸轮型线的优化设计。

关键词：复合增压；GT-POWER仿真计算；优化设计

Abstract

With the increasingly stringent emission and fuel consumption regulations in various countries in the world, the pursuit of thermal efficiency of internal combustion engines is gradually improving, and the exhaust gas turbocharging technology with the highest application rate has gradually failed to meet people's requirements and increasingly higher emission standards.Therefore, more and more attention has been paid to the composite supercharging technology.

In order to improve the "low speed lag" of traditional turbocharged engines, this paper tries to build a 1.6L four-cylinder composite turbocharged engine with small displacement by using engine simulation software gt-power.Based on the basic data of a four-cylinder turbocharged engine widely used in the market, a supercharger is designed and combined into a composite supercharging system. The dynamic performance and fuel economy of the supercharger and the exhaust gas turbine are simulated.The performance of the composite supercharged engine is improved at low speed and low torque.

Then the simulation results obtained in this paper are verified by comparing the power, torque and in-cylinder charging efficiency, and the optimal design of the intake manifold is realized.

Key words: compound pressurization;Gt-power simulation calculation;The optimization design

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究意义 2

1.4 发动机增压的方式 3

1.5 汽油机增压的障碍以及工作过程 3

第2章 汽油机和增压器的匹配问题 6

2.1涡轮增压系统的设计 6

2.2双增压系统的匹配设计 6

2.2.1压气机参数计算 6

2.2.2压气机和涡轮机的匹配 8

2.3机械增压器和发动机的匹配 8

2.4 本章小结 8

第3章 原型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

3.2.1边界环境的建模 10

3.2.2进、排气管和进、排气道的建模 11

3.2.3进排气门建模 13

3.2.4气缸的建模 14

3.2.5喷油器建模 16

3.2.6曲轴箱的建模 17

3.3增压发动机部分建模 19

3.3.1中冷器建模 19

3.3.2涡轮增压器建模 20

3.4原型机的建成及验证 22

3.5本章小结 27

第4章 复合增压模型的建立及分析 28

4.1复合增压模型设计的基本方案 28

4.2机械增压器的建立 29

4.2.1机械增压器模块 29

4.2.2离合器模块 29

4.2.3进气单向阀模块 30

4.2.4齿轮模块 31

4.3复合增压发动机结果验证及分析 32

4.4本章小结 35

第5章 复合增压发动机的优化分析 36

5.1原复合增压方案凸轮型线 36

5.2凸轮型线优化的具体方案 36

5.3本章小结 38

第6章 总结与展望 39

6.1总结 39

6.2展望 39

参考文献 40

致 谢 42

附录 43

第1章 绪论

1.1 背景

随着现代工业的不断发展，人们对汽车的动力性、经济型的要求越来越高。但现如今应用最广泛的废气涡轮增压发动机由于其增压器与发动机没有实际机械上的连接，导致其在低速范围内扭矩增加不多，在发动机改变工况时，瞬态响应又较差。显然已经无法满足当代需求。为了改善这种“低速迟滞”现象，本文将讨论将其改进为机械-涡轮复合增压系统，即在原有的1.6L四缸涡轮增压汽油机上增添一个机械增压器，使其在高低转速都能拥有适合的输出转矩。

1.2 研究现状

国内外对于发动机增压技术进行了诸多方面的研究，包括减少排量研究、双增压系统的开发研究、机械增压和涡轮增压系统的优化等等。

国内的范振阳在传统废气涡轮增压发动机的基础上对模型进行改进，在GT-Power中进行仿真，发现引入冷却EGR可以提升约10%的发动机性能^[1]； 单炯毅针对目前市场需求，开发一款新型小排量废气涡轮增压发动机，通过设计采用滚子摇臂配气机构、低摩擦静音正时链条、PVD 镀层活塞环、电子节温器和变排量机油泵等技术，对设计具有参考意义^[2]；于栋设计制造了简易电涡流厚度传感器并就废气涡轮增压技术的发展趋势进行浅要分析。得出废气涡轮增压技术能够有效节能减排，且与当近节能环保的大趋势相匹配的结论^[3]；同样的，洪耀杰也对废气涡轮增压技术进行研究，提出采用新的耐高温材料以及新的平衡技术和润滑油轴承系统都有助于提高运行质量和运行效率^[4]；凌旭则是针对传统汽油机进行优化分析，在进气歧管长且粗的情况下，增压器喘振越小^[5]；

范文可对符合当下排放基准的小排量增压汽油机进行研究，同时采用涡轮增压和可变式气门正时技术，可以大大改善发动机现有性能^[6]；杜爱民针对涡轮增压发动机的消声进行研究，设计了一款新型弯管型多腔穿孔消声器,安装于空气滤清器出口管处，可以大大减弱噪声^[7]；徐政等人开发了一款新型涡轮增压发动机，得到了采用燃烧系统优化及Miller循环应用，燃烧系统、增压器和冷却水套等一系列设计优化，喷雾油束优化和35 MPa高压喷油系统应用，可提高汽车的多方面性能^[8]；由于当前市面上大部分汽车搭载的时废气涡轮增压发动机，故关于其优化设计较多，以上观点中，单炯毅、徐政意在开发一款新型小排量的涡轮增压发动机；凌旭、杜爱民则从噪声方面出发，分别设计机构来改善噪声，其余则针对各方面对发动机进行优化设计；对于机械增压汽油机，王晓滕针对如何改善机械增压2.4L直喷汽油机的燃油经济性及低速扭矩进行研究，在通过改动齿轮传动比降低发动机转速以及进气道开发下，直列4缸机械增压汽油机的燃油经济性及性能都得到提高^[9]；针对本文主题，国内近年也有许多关于双增压发动机的研究。