CN114357646B - 一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于确定方法，具体涉及一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法。它包括：通过绘制出的最佳组合方案线上的有效压缩比与有效膨胀比组合方案使发动机在相应转速工况下，缸内外热力循环的能量分配比例达到最佳，并使缸内热力循环热功转换与缸外热力循环增压效果同时达到较高水平，由此使发动机达到相应转速下的最高指示热效率与有效功率。本发明的显著效果是：(1)缸内外热力循环的能量分配比例达到最佳，(2)发动机可以稳定运行，并且由于对燃烧加热量的分配策略最佳，能量得到充分利用，(3)使发动机达到相应转速下的最高指示热效率与有效功率。

Description

一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法
技术领域
本发明属于确定方法，具体涉及一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法。
背景技术
涡轮增压器的使用可以强化发动机的功率输出与热功转化效果，因而被普遍应用于高强化与高效发动机中。然而，在实际应用过程中，普遍存在两个难题：其一是涡轮增压器的转速使用工况范围狭窄，发动机转速过低，则排气能量过低，给予涡轮机的能量低于压气机所需能量，此状态称为“排气能量亏损”，此时涡轮增压器转轴不断减速甚至无法启动，压气机增压效果很弱，发动机无法稳定运行，而发动机转速过高，则排气能量过高，给予涡轮机的能量高于压气机所需的能量，此状态称为“排气能量盈余”，涡轮增压器转轴不断增速，压气机增压比不断提升，发动机也无法稳定运行，后者固然可以使用废气旁通阀降低排气能量，但会导致燃烧加热量的浪费。上述均是由于缸内外热力循环的能量分配策略不当，导致燃烧加热量被浪费，因而缸内热功转换与缸外增压效果均被削弱，因此第二个难点就是缸内外热力循环的能量分配策略问题，在一定的燃烧加热量条件下，缸内热力循环分配的能量过低，指示热效率降低，缸外热力循环的增压效果可能会提升，但也可能会引起排气能量盈余的问题，而缸内热力循环分配能量过高，指示热效率固然更高，但是缸外热力循环的增压效果可能会降低，甚至可能会出现排气能量亏损的问题。
由于有效压缩比与有效膨胀比均可以调节缸内外热力循环的能量分配比例，因此迫切需要在全转速工况下确定一套最佳有效压缩比与有效膨胀比组合方案，它可以使涡轮机与压气机在达到功率平衡，即保证发动机稳定运行的条件下，同时使缸内外热力循环的能量分配比例最佳，充分利用燃烧加热量，使缸内热力循环的热功转换与缸外热力循环的增压效果均达到较高水平，由此使相应转速工况下发动机均能达到最高指示热效率与最高有效功率。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法。
本发明是这样实现的：一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，包括下述步骤：
通过绘制出的最佳组合方案线上的有效压缩比与有效膨胀比组合方案使发动机在相应转速工况下，缸内外热力循环的能量分配比例达到最佳，并使缸内热力循环热功转换与缸外热力循环增压效果同时达到较高水平，由此使发动机达到相应转速下的最高指示热效率与有效功率。
如上所述的一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，
步骤1：确定对象及参数；
步骤2：获取初始实验数据；
步骤3：制图；
步骤4：绘制优选方案Map图；
步骤5：确定最佳组合方案线。
如上所述的一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，所述的步骤1包括，
根据实际要确定优化参数发动机的类型和型号，选择类型和型号一致的发动机作为实验对象，选取GT-Power性能仿真软件作为实验平台，发动机转速为发动机标称转速范围，为了得到不同转速发动机性能参数，在每次进行转速调整的时候，以300rpm为最小调整间隔。
如上所述的一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，所述的步骤2包括，
利用进、排气相位平移模拟实际发动机的可变正时技术，实现有效压缩比与有效膨胀比的可变，根据外部指定的有效压缩比变化范围和有效膨胀比变化范围，以及外部指定的有效压缩比最小变化间隔和有效膨胀比最小变化间隔，确定有效压缩比研究值个数和有效膨胀比研究值个数，
在每一个研究转速工况下，对各选定有效压缩比与有效膨胀比组合方案进行仿真计算，分别得到发动机有效功率与指示热效率，以及涡轮增压器转轴转速稳定状态，根据涡轮增压器转轴转速稳定状态，进行判断，如果转速不断提升，则记为排气能量盈余状态；如果转速很快维持稳定，则记为排气能量平衡状态；如果转速不断降低，则记为排气能量亏损状态。
如上所述的一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，所述的步骤2包括，
外部指定的有效压缩比变化范围为9.2至14.3，有效压缩比变化最小范围为0.6375；外部指定的有效膨胀比变化范围为12.0至13.9，有效膨胀比变化最小范围为0.38。
如上所述的一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，所述的步骤3包括，
将每一转速工况下的上述数据绘制成气泡图，横坐标为有效压缩比，纵坐标为有效膨胀比，气泡大小为有效功率，由此区分出发动机可以稳定运行的排气能量平衡区，以及发动机无法稳定运行的排气能量盈余与排气能量亏损区。
如上所述的一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，所述的步骤4包括，
根据各研究转速下排气能量平衡区的大小和范围，提取出各研究转速下排气能量平衡区的外缘线并绘制到一幅图中。
如上所述的一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其中，所述的步骤5包括，
将优选方案Map图中各转速工况下曲线顶点连接，连接线为最佳组合方案线，该数据也是本申请的输出。
本发明的显著效果是：(1)本发明所述绘制出的最佳组合方案线上的有效压缩比与有效膨胀比组合方案可以使发动机在相应转速工况下，缸内外热力循环的能量分配比例达到最佳，(2)排气能量不仅可以保证涡轮机与压气机功率平衡，发动机可以稳定运行，并且由于对燃烧加热量的分配策略最佳，能量得到充分利用，(3)可以使缸内热力循环热功转换与缸外热力循环增压效果同时达到较高水平，由此使发动机达到相应转速下的最高指示热效率与有效功率。
附图说明
图1(a)-(g)分别为发动机1300rpm至3100rpm，以300rpm为间隔，各转速下有效压缩比与膨胀比对缸内外热力循环能量分配联合影响气泡图。
图2为有效压缩比与膨胀比优选方案Map图及最佳组合方案线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于更好地解释本发明，并不用于限制本发明。
一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，包括下述步骤：
步骤1：确定对象及参数
根据实际要确定优化参数发动机的类型和型号，选择类型和型号一致的发动机作为实验对象，选取GT-Power性能仿真软件作为实验平台，发动机转速为发动机标称转速范围，为了得到不同转速发动机性能参数，在每次进行转速调整的时候，以300rpm为最小调整间隔。
步骤2：获取初始实验数据
利用进、排气相位平移模拟实际发动机的可变正时技术，实现有效压缩比与有效膨胀比的可变。根据外部指定的有效压缩比变化范围和有效膨胀比变化范围，以及外部指定的有效压缩比最小变化间隔和有效膨胀比最小变化间隔，确定有效压缩比研究值个数和有效膨胀比研究值个数。
外部指定的有效压缩比变化范围一般为9.2至14.3，有效压缩比变化最小范围为0.6375；外部指定的有效膨胀比变化范围一般为12.0至13.9，有效膨胀比变化最小范围为0.38。
在每一个研究转速工况下，对各选定有效压缩比与有效膨胀比组合方案进行仿真计算，分别得到发动机有效功率与指示热效率，以及涡轮增压器转轴转速稳定状态。根据涡轮增压器转轴转速稳定状态，进行判断，如果转速不断提升，则记为排气能量盈余状态；如果转速很快维持稳定，则记为排气能量平衡状态；如果转速不断降低，则记为排气能量亏损状态。
步骤3：制图
将每一转速工况下的上述数据绘制成气泡图，横坐标为有效压缩比，纵坐标为有效膨胀比，气泡大小为有效功率，由此区分出发动机可以稳定运行的排气能量平衡区，以及发动机无法稳定运行的排气能量盈余与排气能量亏损区。
步骤4：绘制优选方案Map图
根据各研究转速下排气能量平衡区的大小和范围，提取出各研究转速下排气能量平衡区的外缘线并绘制到一幅图中。如果图中数据不全，可以根据情况进行补充实验。
步骤5：确定最佳组合方案线
将优选方案Map图中各转速工况下曲线顶点连接，连接线为最佳组合方案线，该数据也是本申请的输出。该曲线可以应用于实验类同型和同型号发动机上。
下面给出一个实际的例子。
步骤1：确定对象及参数
本实施例选择GT-Power性能仿真软件作为实验平台，选择实验机型为一台四缸1.1L二冲程柴油机，并选择了合适的涡轮增压器型号匹配使用。确定了研究转速范围为1300rpm至3100rpm，每300rpm为间隔。
步骤2：获取初始实验数据
指定的有效压缩比变化范围为9.2至14.3，有效压缩比变化最小范围为0.6375指定的有效膨胀比变化范围一般为12.0至13.9，有效膨胀比变化最小范围为0.38。因此，有效压缩比研究值个数为8个，有效膨胀比研究值个数为5个，总有效数据为40个。
在获取相关数据后进入步骤3。
步骤3：制图
将每一转速工况下的上述数据绘制成气泡图，如附图1(a)至(g)
步骤4：绘制优选方案Map图
根据步骤3的制图，绘制优选方案Map图，如附图2所示。
步骤5：确定最佳组合方案线
将优选方案Map图中各转速工况下曲线顶点连接，得到最佳组合方案线，该最佳方案线可用于四缸1.1L二冲程柴油机。
本发明所述绘制出的最佳组合方案线上的有效压缩比与有效膨胀比组合方案可以使发动机在相应转速工况下，缸内外热力循环的能量分配比例达到最佳，其排气能量不仅可以保证涡轮机与压气机功率平衡，发动机可以稳定运行，并且由于对燃烧加热量的分配策略最佳，能量得到充分利用，这可以使缸内热力循环热功转换与缸外热力循环增压效果同时达到较高水平，由此使发动机达到相应转速下的最高指示热效率与有效功率。
上述实施例仅为本发明的一种应用场景，本发明并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种涡轮增压发动机全工况最佳压缩与膨胀深度匹配方法，其特征在于，包括下述步骤：
通过绘制出的最佳组合方案线上的有效压缩比与有效膨胀比组合方案使发动机在相应转速工况下，缸内外热力循环的能量分配比例达到最佳，并使缸内热力循环热功转换与缸外热力循环增压效果同时达到较高水平，由此使发动机达到相应转速下的最高指示热效率与有效功率；
包括下述步骤，
步骤1：确定对象及参数；所述的步骤1包括，
根据实际要确定优化参数发动机的类型和型号，选择类型和型号一致的发动机作为实验对象，选取GT-Power性能仿真软件作为实验平台，发动机转速为发动机标称转速范围，为了得到不同转速发动机性能参数，在每次进行转速调整的时候，以300rpm为最小调整间隔；
步骤2：获取初始实验数据；所述的步骤2包括，
利用进、排气相位平移模拟实际发动机的可变正时技术，实现有效压缩比与有效膨胀比的可变，根据外部指定的有效压缩比变化范围和有效膨胀比变化范围，以及外部指定的有效压缩比最小变化间隔和有效膨胀比最小变化间隔，确定有效压缩比研究值个数和有效膨胀比研究值个数，
在每一个研究转速工况下，对各选定有效压缩比与有效膨胀比组合方案进行仿真计算，分别得到发动机有效功率与指示热效率，以及涡轮增压器转轴转速稳定状态，根据涡轮增压器转轴转速稳定状态，进行判断，如果转速不断提升，则记为排气能量盈余状态；如果转速很快维持稳定，则记为排气能量平衡状态；如果转速不断降低，则记为排气能量亏损状态；
外部指定的有效压缩比变化范围为9.2至14.3，有效压缩比变化最小范围为0.6375；外部指定的有效膨胀比变化范围为12.0至13.9，有效膨胀比变化最小范围为0.38；
步骤3：制图；所述的步骤3包括，
将每一转速工况下的上述数据绘制成气泡图，横坐标为有效压缩比，纵坐标为有效膨胀比，气泡大小为有效功率，由此区分出发动机可以稳定运行的排气能量平衡区，以及发动机无法稳定运行的排气能量盈余与排气能量亏损区；
步骤4：绘制优选方案Map图；所述的步骤4包括，
根据各研究转速下排气能量平衡区的大小和范围，提取出各研究转速下排气能量平衡区的外缘线并绘制到一幅图中；
步骤5：确定最佳组合方案线；所述的步骤5包括，
将步骤4绘制的优选方案Map图中各转速工况下曲线顶点连接，连接线为最佳组合方案线，最佳组合方案线是本方法的输出。
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