CN110543715B - 基于仿真计算的两级增压系统匹配方法 - Google Patents
基于仿真计算的两级增压系统匹配方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110543715B CN110543715B CN201910802029.4A CN201910802029A CN110543715B CN 110543715 B CN110543715 B CN 110543715B CN 201910802029 A CN201910802029 A CN 201910802029A CN 110543715 B CN110543715 B CN 110543715B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- engine
- supercharger
- matching
- rotating speed
- compressor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Abstract
本发明公开了一种基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，该两级增压采用第一级电动增压、第二级涡轮增压，串联布置，电动增压器设置了旁通管路。两级增压匹配时首先根据发动机的性能开发目标，分析得出发动机进气流量和压力需求，根据需求匹配涡轮与压气机实测性能Map，选取发动机低速扭矩、最大扭矩段、额定功率、高原功率综合最优的方案。在此基础上关闭旁通支路，进行两级增压联合匹配，调整电动增压器转速进行一级增压，提高涡轮增压器进口气压，由涡轮增压器进行二级增压，从而实现提升发动机低速扭矩，扩大最大扭矩段范围的作用。仿真完成后的电动增压转速与涡轮增压废气旁通阀数据将用于台架标定开发。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子系统模拟控制技术领域，具体地指一种基于仿真计算的两级增压系统匹配方法。
背景技术
随着汽油发动机小型化及动力性要求的提升，增压器已经成为现在主机厂的关键技术手段。现在比较成熟的为单级增压的控制研究，两级增压系统由于工况更加的复杂多变，所以必须对两级增压之间的切换模型及全工况的控制结果进行模拟，用于提升实际电子控制系统标定的可行性。目前现有的方法，如公开号为CN103670676A的中国专利《两级涡轮增压器控制系统和方法》所述系统与控制方法，采用的是两级涡轮增压串联布置，匹配控制时需要首先根据期望压力确定第一涡轮增压器的占空因数，然后再确定第二涡轮增压器的占空因数，匹配过程复杂且速度慢，且对相同期望压力，由于第一期望压力不同存在多组不同占空因数匹配结果。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，该方法能满足不同转速下发动机动力性能最优化的要求。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：根据增压发动机扭矩和功率的设计目标，设置对应的增压汽油机燃烧参数、空燃比、增压器进气流量和压比图，并根据设置的增压发动机燃烧参数、空燃比、增压器进气流量和压比图进行增压发动机增压器匹配初步计算，确定初始发动机与增压器联合运行时进气流量及压比的匹配点、运行在该匹配点所需的发动机进气量、增压器进气压力，以及运行在该匹配点时的增压器涡前压力、增压器涡前温度、压气机压比和发动机排气温度；
该匹配点对应的压气机效率大于等于65％且增压器膨胀比不超过预设限值；
步骤2：利用发动机进气量、增压器进气压力、增压器涡前压力、增压器涡前温度和发动机排气温度进行增压器压气机和涡轮机的初选，初选规则中发动机、压气机和增压器需要同时满足如下条件：发动机运行外特性工况对应的压气机进气流量与压比匹配线距离压气机喘振线裕量超过10％；压气机压比不高于设定的进气系统管路零部件对应的压比限值；并且发动机最大功率点满足预设的发动机功率高原性能要求；增压器涡前温度不高于进气系统管路零部件对应的温度限值，增压器涡轮膨胀比不高于进气系统管路零部件对应的膨胀比限值；
步骤3：根据发动机的几何结构参数和目标扭矩，匹配计算得出发动机需要的进气量和增压压力，然后根据发动机需要的进气量和增压压力利用发动机台架性能试验系统对发动机工作过程进行标定，建立没有增压器的发动机工作过程模型；
步骤4：在没有增压器的发动机工作过程模型中填入增压器供应商根据增压器压气机和涡轮机的初选结果提供的增压Map数据，进行增压器和发动机协同通过过程的模拟，得到发动机性能和增压器性能匹配数据，根据发动机性能和增压器性能匹配数据来确定所需增压器的具体型号；
步骤5：根据确定的增压器的具体型号得到包含增压器的发动机工作过程模型，并对包含增压器的发动机工作过程模型进行模拟计算，得到发动机低速(1000～1200rpm转速)扭矩、发动机最大扭矩对应的转速区间、发动机额定功率；
步骤6：通过调节包含增压器的发动机工作过程模型中涡轮机和压气机的性能需求使发动机在1000～1200rpm转速下的扭矩达到预设目标扭矩，同时，发动机最大扭矩对应的转速区间内各个转速下的扭矩均达到预设目标扭矩，并且发动机额定功率达到预设的额定功率，完成增压器与发动机的匹配；
步骤7：对完成增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型进行高原环境下发动机额定功率的计算，如果高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以上，则增压器与发动机匹配完成，如果高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以下，则将增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型中的增压器更换为偏向高速工况的增压器，并根据步骤4～6的方式进行增压器与发动机匹配，使高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以上。
本发明通过仿真手段实现了电动、涡轮两级增压优化匹配。传统串联两级增压，需要先进行第一级匹配分析，完成后根据第一级匹配结果进行第二级增压器匹配，若第二级匹配不达标需要反复进行第一级增压器匹配调整。本发明采用串联带旁通布置，中高负荷时采用单涡轮增压，低速是采用电动、涡轮两级增压，先进行第二级涡轮增压器匹配，完成后与第一级电动增压联合匹配，提升发动机低速扭矩与最大扭矩段范围。
附图说明
图1为本发明中两级增压匹配后的外特性扭矩对比图。横坐标为发动机转速，纵坐标为发动机扭矩。采用基于仿真的两级增压匹配后，发动机低速扭矩提升，最大扭矩段范围扩大。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
增压发动机要获得良好性能，必须要解决好增压器与发动机的联合工作，也即匹配问题。故如何实现增压器与发动机的良好匹配是一个十分重要的问题。为了保证发动机与增压器的良好匹配，也即达到预定的增压发动机各项性能指标，首先要正确确定增压参数，因为它是设计或选择增压器的依据。
增压参数主要有:
(1)增压压力Pc或压比πc；
(2)空气流量Gc(kg/s)或容积流量V0(m3/s)；
(3)涡轮前废气平均温度Tt
确定增压参数最重要的是确定流量Gc和增压压力Pc或压比πc。如果Gc选择的不当，不但使增压器与发动机匹配不好，更重要的是涡轮流通能力确定不当，从而导致联合工作时Pc远离设计值的严重后果。如Pc选的过低，将达不到预定的增压发动机功率和出现发动机排气温度过高的后果；如Pc选的过高，又会导致不必要的过高的发动机最高燃烧压力以及增压器过高的转速。
增压后发动机所需的空气流量Gc(即压气机流量)
式中，Gc为发动机所需的空气流量，kg/s，Ne为发动机功率，kW，α为过量空气系数(为了适应降低发动机的热负荷、降低排气温度以及提高扭矩系数一般比不增压时大10％～30％)；ηs为扫气系数；ge为发动机的燃油消耗率，g/kW.h，一般比不增压降低5％～10％.为了满足最大功率和最大扭矩的要求,应在发动机的外特性工况下进行计算。
压气机的压比为:
实际测量中常用：
式中，ρc为压气机出口的空气密度；ρ0为发动机所需的中冷后增压空气的密度；ηn为压气机多变效率；P0为环境压力；Pc为压气机出口压力；Pc1为压气机进口压力。
压气机效率为：
式中，tc1为压气机进口温度(℃)；tc为压气机出口温度(℃)。
两级增压器模型化工作说明：发动机转速小于等于一定转速(该转速是单级涡轮增压不能单独达成处)时，电动增压工作，此时E-boost出口压力大于进口压力，单向阀关闭，气体不经过旁通支路。大于该转速时，电动增压不工作，该路气流阻力很大，气体基本都从并联的单向阀支路通过。
如图1所示的基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：通过GT-Power仿真软件，根据增压发动机扭矩和功率的设计目标，设置对应的增压汽油机燃烧参数、空燃比、增压器进气流量和压比图，并根据设置的增压发动机燃烧参数、空燃比、增压器进气流量和压比图进行增压发动机增压器匹配初步计算，确定初始发动机与增压器联合运行时进气流量及压比的匹配点、运行在该匹配点所需的发动机进气量、增压器进气压力，以及运行在该匹配点时的增压器涡前压力、增压器涡前温度、压气机压比和发动机排气温度；
该匹配点对应的压气机效率大于等于65％且增压器膨胀比不超过预设限值(2.5)；
步骤2：利用发动机进气量、增压器进气压力、增压器涡前压力、增压器涡前温度和发动机排气温度进行增压器压气机和涡轮机的初选，初选规则中发动机、压气机和增压器需要同时满足如下条件：发动机运行外特性工况对应的压气机进气流量与压比匹配线距离压气机喘振线裕量超过10％；压气机压比不高于设定的进气系统管路零部件对应的压比限值；并且发动机最大功率点满足预设的发动机功率高原性能要求(所述高原性能要求为海拔4750m，发动机功率损失相对于平原地区降低不超过40％)；增压器涡前温度不高于进气系统管路零部件对应的温度限值(950℃)，增压器涡轮膨胀比不高于进气系统管路零部件对应的膨胀比限值(2.5)；
步骤3：根据发动机的几何结构参数和目标扭矩，匹配计算得出发动机需要的进气量和增压压力，然后根据发动机需要的进气量和增压压力利用发动机台架性能试验系统对发动机工作过程进行标定，建立没有增压器的发动机工作过程模型；
步骤4：在没有增压器的发动机工作过程模型中填入增压器供应商根据增压器压气机和涡轮机的初选结果提供的增压Map数据，进行增压器和发动机协同通过过程的模拟，得到发动机性能和增压器性能匹配数据，根据发动机性能和增压器性能匹配数据来确定所需增压器的具体型号；
步骤5：根据确定的增压器的具体型号得到包含增压器的发动机工作过程模型，并对包含增压器的发动机工作过程模型进行模拟计算，得到发动机在1000～1200rpm转速下的扭矩、发动机最大扭矩对应的转速区间、发动机额定功率；
步骤6：通过调节包含增压器的发动机工作过程模型中涡轮机和压气机的性能需求使发动机在1000～1200rpm转速下的扭矩达到1000～1200rpm转速对应的预设目标扭矩，同时，发动机最大扭矩对应的转速区间内各个转速下的扭矩均达到对应的各转速预设目标扭矩，并且发动机额定功率达到预设的额定功率，完成增压器与发动机的匹配；
步骤7：对完成增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型进行高原环境(设置环境海拔4750m)下发动机额定功率的计算，如果高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以上则，增压器与发动机匹配完成，如果高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以下，则将增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型中的增压器更换为与原始增压器相比更高转速工况的增压器(即压气机，涡轮机流量覆盖范围偏向更大流量)，并根据步骤4-6的方式进行增压器与发动机匹配，使高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以上。
步骤8：在步骤7确定的增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型中，加入电子增压器模块，并调节电动增压器转速，与涡轮增压器共同匹配，至发动机高低转速扭矩全面达标为止。在第一轮涡轮增压匹配的基础上，进行电动+涡轮两级增压匹配开发。电动涡轮采用串联带旁通的布置方式。
上述技术方案中，所述增压汽油机燃烧参数包括50％放热率对应的曲轴转角、燃烧持续期、韦伯因子。
上述技术方案中，所述没有增压器的发动机工作过程模型中爆燃控制模块(该模块为调节燃烧参数、增压器执行器等变量来限值爆燃指数低于限值的模块)的设定得根据具体的增压器决定，如果增压器可以电子控制，爆燃的控制参数就包括点火提前角和涡轮增压器结构参数(如废气阀的开度、VGT结构参数)；如果不是电子控制增压器，爆燃的控制只包括点火提前角，排气温度的控制。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：根据增压发动机扭矩和功率的设计目标，设置对应的增压汽油机燃烧参数、空燃比、增压器进气流量和压比图，并根据设置的增压发动机燃烧参数、空燃比、增压器进气流量和压比图进行增压发动机增压器匹配初步计算，确定初始发动机与增压器联合运行时进气流量及压比的匹配点、运行在该匹配点所需的发动机进气量、增压器进气压力，以及运行在该匹配点时的增压器涡前压力、增压器涡前温度、压气机压比和发动机排气温度；
该匹配点对应的压气机效率大于等于65％且增压器膨胀比不超过预设限值；
步骤2：利用发动机进气量、增压器进气压力、增压器涡前压力、增压器涡前温度和发动机排气温度进行增压器压气机和涡轮机的初选，初选规则中发动机、压气机和增压器需要同时满足如下条件：发动机运行外特性工况对应的压气机进气流量与压比匹配线距离压气机喘振线裕量超过10％；压气机压比不高于设定的进气系统管路零部件对应的压比限值；并且发动机最大功率点满足预设的发动机功率高原性能要求；增压器涡前温度不高于进气系统管路零部件对应的温度限值，增压器涡轮膨胀比不高于进气系统管路零部件对应的膨胀比限值；
步骤3：根据发动机的几何结构参数和目标扭矩，匹配计算得出发动机需要的进气量和增压压力，然后根据发动机需要的进气量和增压压力利用发动机台架性能试验系统对发动机工作过程进行标定，建立没有增压器的发动机工作过程模型；
步骤4：在没有增压器的发动机工作过程模型中填入增压器供应商根据增压器压气机和涡轮机的初选结果提供的增压Map数据，进行增压器和发动机协同通过过程的模拟，得到发动机性能和增压器性能匹配数据，根据发动机性能和增压器性能匹配数据来确定所需增压器的具体型号；
步骤5：根据确定的增压器的具体型号得到包含增压器的发动机工作过程模型，并对包含增压器的发动机工作过程模型进行模拟计算，得到发动机在1000～1200rpm转速下的扭矩、发动机最大扭矩对应的转速区间、发动机额定功率；
步骤6：通过调节包含增压器的发动机工作过程模型中涡轮机和压气机的性能需求使发动机在1000～1200rpm转速下的扭矩达到1000～1200rpm转速对应的预设目标扭矩，同时，发动机最大扭矩对应的转速区间内各个转速下的扭矩均达到对应的各转速预设目标扭矩，并且发动机额定功率达到预设的额定功率，完成增压器与发动机的匹配。
2.根据权利要求1所述的基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于：所述步骤6后还包括步骤7：对完成增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型进行高原环境下发动机额定功率的计算，如果高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以上则，增压器与发动机匹配完成，如果高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以下，则将增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型中的增压器更换为与原始增压器相比更高转速工况的增压器，并根据步骤4-6的方式进行增压器与发动机匹配，使高原环境下发动机额定功率为平原工况功率的60％以上。
3.根据权利要求2所述的基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于：在步骤7确定的增压器与发动机匹配的发动机工作过程模型中，加入电子增压器模块。
4.根据权利要求1所述的基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于：所述增压汽油机燃烧参数包括50％放热率对应的曲轴转角、燃烧持续期、韦伯因子。
5.根据权利要求1所述的基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于：所述没有增压器的发动机工作过程模型中爆燃控制模块的设定得根据具体的增压器决定，如果增压器由电子控制，爆燃的控制参数就包括点火提前角和涡轮增压器结构参数；如果不是电子控制增压器，爆燃的控制只包括点火提前角，排气温度的控制。
6.根据权利要求1所述的基于仿真计算的两级增压系统匹配方法，其特征在于：所述高原性能要求为海拔4750m，发动机功率损失相对于平原地区降低不超过40％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910802029.4A CN110543715B (zh) | 2019-08-28 | 2019-08-28 | 基于仿真计算的两级增压系统匹配方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910802029.4A CN110543715B (zh) | 2019-08-28 | 2019-08-28 | 基于仿真计算的两级增压系统匹配方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110543715A CN110543715A (zh) | 2019-12-06 |
| CN110543715B true CN110543715B (zh) | 2021-04-27 |
Family
ID=68712299
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910802029.4A Active CN110543715B (zh) | 2019-08-28 | 2019-08-28 | 基于仿真计算的两级增压系统匹配方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110543715B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112668217B (zh) * | 2020-12-17 | 2022-09-13 | 东风汽车集团有限公司 | 基于设计型线的主轴承液体动力润滑的分析方法及装置 |
| CN112800591B (zh) * | 2021-01-08 | 2023-03-21 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 一种预测发动机性能参数修改量的方法及相关装置 |
| CN115220364B (zh) * | 2021-04-26 | 2024-01-30 | 广州汽车集团股份有限公司 | 双增压系统的性能匹配选型方法、系统、设备及存储介质 |
| CN113503262B (zh) * | 2021-08-11 | 2022-06-24 | 北京理工大学 | 一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法 |
| CN113530851B (zh) * | 2021-08-11 | 2022-07-22 | 北京理工大学 | 一种两级增压系统高低压级压气机的仿真方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100263375A1 (en) * | 2009-04-15 | 2010-10-21 | Malcolm James Grieve | Twin-Charged Boosting System for Internal Combustion Engines |
| JP2012026379A (ja) * | 2010-07-26 | 2012-02-09 | Ihi Corp | エンジンのシミュレーション装置及び方法 |
| CN103207083B (zh) * | 2012-12-30 | 2015-10-07 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种分析涡轮效率的方法及装置 |
| CN103745132B (zh) * | 2014-01-23 | 2016-10-19 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命评价方法 |
| CN104775895A (zh) * | 2015-03-09 | 2015-07-15 | 北京动力机械研究所 | 一种航空涡轮增压内燃机 |
| CN105512412A (zh) * | 2015-12-11 | 2016-04-20 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法 |
| CN106777553A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-05-31 | 凤城市合鑫机械制造有限公司 | 一种基于整车性能的涡轮增压器匹配选型方法 |
| CN106777692B (zh) * | 2016-12-16 | 2020-06-09 | 湖南天雁机械有限责任公司 | 一种增压器涡轮与叶轮bx寿命预测方法 |
-
2019
- 2019-08-28 CN CN201910802029.4A patent/CN110543715B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110543715A (zh) | 2019-12-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110543715B (zh) | 基于仿真计算的两级增压系统匹配方法 | |
| US7779633B2 (en) | Method for determining the exhaust back pressure upstream of a turbine of an exhaust-driven turbocharger | |
| CN103362636A (zh) | 一种车用柴油机高原二级可调增压系统及控制方法 | |
| CN101949324A (zh) | 一种内燃机涡轮增压通流匹配方法 | |
| CN114060143B (zh) | 基于旁通阀流通特性的变海拔增压压力稳定性控制方法 | |
| CN202832771U (zh) | 高原功率恢复二级可调增压装置 | |
| CN203257533U (zh) | 二级可调增压控制系统 | |
| CN102818706A (zh) | 增压发动机高原性能模拟试验方法及其实施装置 | |
| CN113741211A (zh) | 一种egr系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法 | |
| CN112081679A (zh) | 变海拔柴油机二级可调增压系统与共轨燃油系统优化匹配方法 | |
| Galindo et al. | Strategies for improving the mode transition in a sequential parallel turbocharged automotive diesel engine | |
| Zhang et al. | Theoretical and experimental investigation of the pressure ratio distribution and the regulation strategy of a two-stage turbocharging system for various altitudes operation | |
| CN111911300A (zh) | 变海拔柴油机瞬态工况下二级可调增压系统vgt叶片控制路径优化方法 | |
| CN202451313U (zh) | 柴油机台架试验用辅助增压系统 | |
| Romagnoli et al. | Assessment of supercharging boosting component for heavily downsized gasoline engines | |
| George et al. | Internal combustion engine supercharging: turbocharger vs. pressure wave compressor. Performance comparison | |
| CN206309471U (zh) | 一种发动机的二级增压装置 | |
| CN114738109B (zh) | 一种两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法 | |
| Wang et al. | Gasoline engine turbocharger matching based on vehicle performance requirements | |
| Chen et al. | Research on Effect of Wastegate Diameter on Turbocharged Gasoline Engine Perfor Mance | |
| Grigoriadis et al. | Advanced boosting technologies for future SI engine concepts | |
| Chung et al. | Mean value WGT diesel engine calibration model for effective simulation research | |
| Wade et al. | A Variable Displacement Supercharger Performance Evaluation | |
| Brynych et al. | System optimization for a 2-stroke diesel engine with a turbo super configuration supporting fuel economy improvement of next generation engines | |
| Ericsson et al. | Optimizing the transient of an SI-engine equipped with variable cam timing and variable turbine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |