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关于小型进气受限的涡轮增压发动机的开发
Da Wang, Dingchao Qian, Bo Wang
摘 要：本文总结了吉林大学2011年到2015年方程式赛车发动机的发展方法和技术经验。这五年所用发动机，都是在600cc、四缸摩托车汽油发动机的基础上，按照大学生方程式技术规则改装的涡轮增压发动机。之所以五年都使用涡轮增压发动机，是因为要追求更高的动力输出、更宽的扭矩输出范围和更低的燃油消耗。在开发过程中，围绕涡轮增压技术开展了多个研究项目，这些研究项目涉及多个领域，包括发动机和涡轮增压器的流量特性的匹配，进气和排气系统的设计，对排气泄压阀及执行器的研究，对增压压力的调节和涡轮增压器润滑系统的设计等等。所使用的研究方法包括发动机一维仿真分析、三维流体仿真以及发动机动态测试。而对所研究的发动机的实验和分析结果表明，在安装了一个20mm直径的限流阀的情况下，相比于传统发动机，不但能保持其95%的最大功率输出，而且有其1.3倍最大扭矩输出。在节气门全开时，最小燃油消耗率相比于传统发动机也有15%的降低。且涡轮增压器能在密封良好的情况下平稳工作，这些条件与优点都满足了FSAE赛事发动机的要求。
1 介绍
吉林大学Gspeed大学生方程式赛车队成立于2010年，在过去五年里已经建成了5辆赛车。在第一至第五届中国大学生方程式汽车大赛（FSC）中，该团队两次在赛车设计单项中中获得了第一名。在2013年赛季中，在直线加速单项中排名第二，燃油经济性评比中排名第四。我们往年的赛车：Gspeed-2013和Gspeed-2014如图1和图2所示。
图2：吉林大学Gspeed的赛车在2014FSC比赛中
图1：吉林大学Gspeed的赛车在2013FSC比赛中
加装进气限流阀是调节发动机的最大功率输出的最常见的方法，是通过限制最大进气流量来实现的。这样做将平衡各队赛车性能，以便提高安全性，让大家都能安全享受比赛。在FSAE赛事中，要求在汽油发动机上安装内径为20mm的进气限流阀[1]，这意味着无论对自然吸气发动机还是涡轮增压发动机，在正常温度和压力条件下，最大质量空气流量不会超过76g/s[2]。在这种条件下，虽然涡轮增压技术将不能显著地提高发动机的最大功率输出，但是依然能优化燃烧效率、扭矩输出特性、最大扭矩范围和换挡频率。因此，在发动机改进和调整的过程中，提出了以下目标：
a．足够高的最大动力输出；
b．足够宽和稳定的扭力和动力输出范围；
c．足够低的满载下的燃油消耗率；
d．足够低的润滑油消耗率；
e．足够快和线性的节气门响应；
f．避免波动和阻塞
2 测试和模拟平台
2.1 发动机台架试验
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动力传动系统集成传感器 |
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台架传感器 |
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该团队建立了发动机台架，其中包括发动机、联轴器、160kW涡流测功机、具有恒定冷却剂温度的冷却系统以及燃油消耗计等。整个系统如图3所示。发动机测试过程中，将下表1中所示的传感器安装到发动机上。
图3：发动机台架。包括发动机，测力计，冷却剂冷却系统等
表1：台架试验传感器
2.2发动机一维流体分析模型
使用GT-POWER软件建立发动机的一维流体仿真模型，其结构示于图4。在模型中，进气和排气系统，气缸，曲轴以及旋转惯性都根据原发动机参数进行设置。lambda;值设为0.85，该值为最佳功率输出的混合数值。根据实际测量，设置诸如气门升程阵列，气门直径以及气门杆油封直径的数值。在这些参数中，进气门和排气门升程阵列在图5中示出。
本次分析采用双韦伯燃烧模型，并通过D.E. Winterbone经验公式计算机械损失。为了方便以下模型的校准和检查，大赛规则要求的限流阀未在模型中显示。对发动机的数值模型进行分析和计算，并将计算结果与节气门全开下的发动机功率输出曲线进行比较 ，如图6所示。在对参数进行校准后，发动机仿真模型得出的结果与实验数据非常相似。
在发动机的数值模型的基础上，增加了涡轮增压器，中冷器，排气旁道阀以及进气限流阀，同时根据实际工程情况对进气歧管的形状和尺寸进行了修改，然后获得用以改进发动机的数值模型，如图8所示。涡轮增压器的数值模型部分是基于制造商提供的涡轮机和压缩机的数值特征图，并在数据插值之后建立。进气限流阀的数值模型由两根入口和出口直径不同的管道建立。直径和长度根据实际值确定。泄压阀通过将一部分废气转移离开涡轮，来控制涡轮增压器的速度并防止其超速，这最终可以实现对增压压力比的控制。在该模型中，泄压阀的参数是以进气压力和发动机转速为变量的函数。且可以通过PID控制器实现闭环控制[4]
升程
上止点点火
theta;=0
凸轮正时角
进气歧管
气缸
曲轴发动机壳体
排气歧管
消音器
图4：通过GT-POWER软件建立的一维流体仿真分析模型
升程阵列[mm]
a.进气气门升程
曲轴转角[deg]
进气行程
做功行程
压缩行程
排气行程
图5：本田CBR600RR发动机气门升程阵列
模拟数据
测试数据
图6：节气门全开下发动机功率模拟和实际测试的相关度曲线
升程阵列[mm]
曲轴转角[deg]
进气行程
排气行程
做功行程
压缩行程
升程
上止点点火
theta;=0
凸轮正时角
b.排气气门升程
由于发动机的压缩比为12.5，为了减少发动机侧向冲击力，通常需要提高点火提前角并使入口空气变浓。 考虑到气缸内的压力和气流的变化，燃烧的持续时间也将变化。因此，根据经验和文献参考，节气门全开下发动机的目标lambda;设定为0.82，与此同时占整机50%放热的曲轴相位也相应延后8-10°[5,6,7]
图7：具有涡轮增压器，中冷器和进气限流器发动机的一维CFD流体仿真模型。
旁通阀
中冷器
涡轮增压器
进气限流阀
3 涡轮增压器的参数匹配
3.1 涡轮增压器初选
排气口
进气口
图8：一种典型的进气限流阀的设计
根据大学生方程式比赛的技术规定[1]，进气限流阀的尺寸和形状将由参赛队的特殊设计决定。限流器通常是文丘里管，最小内径不超过20mm。典型的进气限流器设计如图8所示。
根据流量守恒方程：
其中Ma是平均进气马赫数，根据经验可以假定为0.6，而Cs是本机的声速，在常温常压条件下为340m/s，vs为整体平均流速，rho;air为空气密度，在常温常压条件下为1.181kg/m3， A是进气限流阀内的最小横截面。根据上述等式（1）和（2），常温常压下阈值进气质量流量为qm = 75.65g/s
考虑到赛车需要更高的动力储备，当发动机用其最大功率输出时，进气质量流量也应达到限流阀的阈值。
同时，为了在加速过程中充分利用牵引条件，同时减少复杂赛道中的换档次数，发动机还应拥有覆盖大范围发动机转速的扭矩输出装置。根据上述要求，提出的目标性能参数如表3所示。
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目标最高功率 |
70kW |
|
最高功率转速 |
9300r/min |
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目标最高扭矩 |
75Nm |
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最高扭矩转速 |
6000-8000r/min |
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满载下最低燃油消耗率 |
lt;300g/kWh |
表2：发动机目标性能参数
对于涡轮增压器型号的选择，应考虑发动机的设计功率输出以及涡轮增压器的压缩机流量。根据位移，速度，功率，扭矩，运行环境和燃料等因素，可以计算与工况点相匹配的进气质量流量和增压比，得出的结果可以用于选择涡轮增压器。
对于汽车涡轮增压发动机，匹配的工况点通常选择为最大发动机转速的50％至60％之间的满载点，对于我们的情况，所选择的发动机转速为n = 6000r / min，而有效功率输出Pe= 47.1kW，扭矩输出Ttq= 70Nm，有效燃油消耗率 = 300g / kWh。匹配工作条件点的质量流量和增压比可以计算如下：[2,3]
空气质量流量：
（3）
压缩后空气密度：
（4）
增压比：
（5）
其中：L0为标准空燃比，为14.7;phi;a即为lambda;，等于0.82; i是气缸数 每缸工作容积Vs = 0.15L，体积效率phi;s= 0.9; Tb是压缩后的平均温度，由于目标发动机存在中间冷却器，其值为320K; 常压p0 = 101kPa; 常温T0 = 298K。 根据等式（3），（4）和（5），匹配工况下的进气质量空气流量可以计算为ṁ= 46.25g / s，所需的增压比为1.55。
根据上述要求，团队成员尝试使用三种不同的涡轮增压器型号，即Garrett GT1241，IHI RHB31和Hitachi HT07-4A，如图9所示。其基本结构参数如表4所示。
图9：初选的增压器（摄于2014年）
表3：初选的三款压缩机：Garrett GT1241，IHI RHB31和Hitachi HT07-4A的基本参数
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RHB31 |
GT12 |
HT07 |
|
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压缩机叶轮外直径/mm |
24.3 |
29 |
30 |
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压缩机叶轮内直径/mm |
36 |
41 |
41 |
|
涡轮机叶轮外直径/mm |
27 |
29.8 |
29 |
|
涡轮机叶轮内直径/mm |
36 |
35.5 |
36 |
|
空气流量/g/s |
25-75 |
40-105 |
35-85 |
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冷却类型 |
油冷 |
油冷 |
油冷 |
3.2 涡轮增压器的组合模拟和性能预测
我们以Garrett GT1241为例，来介绍综合性能仿真与预测的方法。根据设计目标，在6000-8000rpm的转速范围内，发动机的转矩输出应能达到75Nm以上，最大输出功率约为75kW。
首先要注意的是涡轮增压器的压缩机。用于一维CFD分析的发动机模型应通过不同的发动机转速在节气门全开的工况下运行，从而可以获得图10所示的组合运行效率图。如果压缩机和发动机匹配平稳，则所有计算的工作状态点都将位于远离喘振和堵塞区域，工作条件曲线应在效率高于70％的高效区域内，与此同时，目标增压压力应能够在相对较低的发动机转速下实现。从图中可以看出，所有满载工况条件点都不在波动或堵塞区域，压缩机效率在5000rpm以下相对较低，在6000-8000rpm的发动机转速范围内，效率达到理想值，上述条件都表示GT1241涡轮增压器和CBR600RR发动机的压缩机的匹配性能是可以接受的。
空气质量流量/g/s
效率
效率
增压比
增压比
图11：发动机-增压机联合试验中涡轮级效率等值线图
空气质量流量/g/s
图10：发动机-
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