[发明专利]一种内燃机涡轮增压通流匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种内燃机涡轮增压通流匹配方法。

背景技术

涡轮增压技术是内燃机节能和CO₂减排的关键技术，涡轮增压器设计和增压系统匹配方法对提高增压内燃机性能具有重要的影响。随着对内燃机经济性、动力性和排放性的要求不断提高，涡轮增压器设计和匹配方法逐渐成为制约内燃机性能提高的关键。另外，复合增压技术、可变截面增压技术的出现也对涡轮增压器的设计和匹配方法提出了更高的要求。

传统的涡轮增压器匹配方法主要是基于涡轮增压器的性能试验MAP图，该方法存在以下几个方面的不足：

(1)传统的涡轮增压器设计与匹配方法，通常是在内燃机设计确定之后，再依据给定的涡轮增压器试验MAP图，在涡轮增压器产品系列中进行部件选型。在这种方法中，涡轮增压器的几何参数无法自由变化，无法直接建立涡轮增压器几何参数与内燃机性能的影响关系，从而难以进行内燃机与涡轮增压器的一体化设计与优化。(2)现有的涡轮增压器性能试验方法，很难涵盖涡轮和压气机在整机运行时的全部工况，对此在涡轮增压器匹配时通常采用插值及外推的处理方式，其精度较低，难以满足车用工况增压瞬态匹配要求。(3)在复合增压、可变截面增压等复杂增压方案中，增压器性能MAP图的变化范围较大，从而增加了实验的难度和数据的覆盖性，使得这些方案的增压匹配在基于实验MAP图的匹配方法下具有很大难度。(4)由于利用涡轮增压器试验MAP图的匹配方法，需要进行反复的选型和试验，存在匹配周期长、成本高等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种周期短、成本低，而且可以提高内燃机全工况性能的内燃机涡轮增压通流匹配方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于包括以下步骤：1)针对目标内燃机，明确其循环运行工况特点和性能参数目标值，以确定所需要的涡轮增压器中涡轮和压气机的性能参数目标值；2)根据所述步骤1)中确定的涡轮增压器中压气机和涡轮的性能参数目标值，选择压气机和涡轮的几何参数，并结合内燃机参数，计算内燃机的性能参数值；3)判断所述步骤2)中计算出的内燃机的性能参数是否达到所述步骤1)中确定的目标值，当达到目标值时，输出涡轮增压器中涡轮和增压器的几何参数；否则，调整涡轮和增压器的几何参数，返回所述步骤2)。

所述步骤2)中，内燃机的性能参数值的计算包括以下步骤：①将压气机和涡轮各自的几何参数分别输入压气机通流模型和涡轮通流模型，并通过压气机通流模型和涡轮通流模型，分别从内燃机热力循环模型中的压气机模块和涡轮模块中获取压气机性能所需的边界条件，并计算出压气机的效率和增压比以及涡轮的效率和膨胀比；②将所述步骤①获得的压气机效率和增压比以及涡轮的效率和膨胀比分别输入内燃机热力循环模型中的压气机模块和涡轮模块中，通过内燃机热力循环模型，根据涡轮模块的效率和膨胀比以及压气机模块的效率和增压比，计算内燃机整机性能参数。

所述步骤①中，压气机性能所需的边界条件包括：进口总温、进口总压、质量流量和转速；涡轮性能计算所需的边界条件包括：进口总温、出口静压、质量流量和转速。

所述步骤②中，当涡轮模块和压气机模块计算得到的各自的转速和扭矩一致时，计算过程结束，得到内燃机整机性能参数。

所述步骤2)中，内燃机的参数包括：内燃机进排气系统的结构参数、气缸参数和内燃机运行参数。

所述步骤2)中，内燃机进排气系统的结构参数包括管长和管径，气缸参数包括缸径、冲程和燃烧放热规律，内燃机运行参数包括转速、负荷和摩擦损失。

所述步骤2)中，压气机的几何参数包括：压气机进口叶尖半径、压气机进口叶根半径、压气机进口叶片角、压气机出口叶高、压气机出口叶片角、压气机叶轮出口半径和压气机扩压器出口半径；涡轮的几何参数包括；涡轮喉口面积、涡轮入口叶片半径、涡轮入口叶片高度、涡轮出口叶尖半径、涡轮出口叶根半径和涡轮出口叶片弯角。

所述步骤1)中，目标内燃机的性能参数包括：内燃机全负荷功率及其该功率对应的扭矩和燃油消耗率，部分负荷功率及其该功率对应的扭矩和燃油消耗率；涡轮的性能参数包括：流量范围、转速、效率和膨胀比，压气机的性能参数包括：流量范围、转速、效率和增压比。