专利名称：一种内燃机涡轮增压通流匹配方法
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。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于是从目标内燃机 本身的性能需求和循环运行工况特点出发，选择压气机和涡轮的几何参数，并结合内燃机 基本结构和主要参数，计算内燃机的性能参数值，并将计算出的内燃机的性能参数值通过 整机性能进行检验，以确定与目标内燃机相匹配的压气机和涡轮的几何参数，因此，相对传 统的基于MAP图的内燃机增压匹配方法，内燃机增压通流匹配方法打破了增压器部件几何 参数不变的约束，实现了内燃机与涡轮机的协同优化，是一种由上而下、由系统至部件的匹 配方法，从而可以提高内燃机增压匹配的一体化程度，进而可以提高内燃机全工况性能，而 且匹配的周期短、成本低。2、本发明由于在内燃机的性能参数值的计算过程中，考虑的因素 全面，因此整机性能的检验结果准确，匹配程度高。本发明适用于涡轮增压器的设计和匹配 领域。
图1是本发明方法的流程2是通流匹配模型的数据传递流程3是利用传统方法匹配出的涡轮增压器中压气机MAP4是利用本发明方法匹配出的涡轮增压器中压气机MAP5是运用传统方法和本发明方法匹配出涡轮增压器的内燃机扭矩曲线对比6是运用传统方法和本发明方法匹配出涡轮增压器的内燃机燃油消耗率曲线 对比图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明方法包括以下步骤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，该性能参数包 括内燃机全负荷功率及该功率对应的扭矩和燃油消耗率，部分负荷功率及该功率对应的 扭矩和燃油消耗率等。再通过上述性能参数目标值来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，其中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。2)根据步骤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。上述的内燃机参 数包括内燃机进排气系统的结构参数，如管长和管径等；气缸参数，如缸径、冲程和燃烧 放热规律等；以及内燃机运行参数，如转速、负荷和摩擦损失等。上述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；上述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。如图2所示，内燃机的性能参数值的计算过程如下①将压气机的几何参数输入压气机通流模型，通过压气机通流模型，从内燃机热 力循环模型中的压气机模块中获取压气机性能所需的边界条件，该边界条件包括进口总 温、进口总压、质量流量和转速，并计算出压气机的效率和增压比；同时将涡轮的几何参数 输入涡轮通流模型，通过涡轮通流模型，从内燃机热力循环模型中的涡轮模块中获取涡轮 性能计算所需的边界条件，该边界条件包括进口总温、出口静压、质量流量和转速，并计算 出涡轮的效率和膨胀比。②将步骤①获得的压气机的效率和增压比输入内燃机热力循环模型中的压气机 模块中，将涡轮的效率和膨胀比输入内燃机热力循环模型中的涡轮模块中，此时通过内燃 机热力循环模型，根据涡轮模块的效率和膨胀比和压气机模块的效率和增压比，计算进行 内燃机整机性能参数。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 算达到收敛，计算过程结束，从而得到整个内燃机的整机性能参数。3)判断步骤2)中计算出的内燃机的性能参数是否达到步骤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，返回步骤2)。在本实施例中，步骤2)中使用的涡轮通流模型、压气机通流模型和内燃机热力循 环模型均采用的是本领域常用设备，在此不再详述。如图3、图4所示，图3利用传统方法匹配出的涡轮增压器中压气机MAP图，图4是 利用本发明方法匹配出的涡轮增压器中压气机MAP图。可以看出，运行本发明方法匹配出 的压气机的小流量工况效率明显提高，这是由于对于增压汽油机来说，其大部分时间均工 作在中小负荷工况，因此本发明方法更加符合增压汽油机的运行特点。如图5、图6所示，图5中的a曲线是利用传统方法匹配涡轮增压器的内燃机扭矩 曲线，图5中的b曲线是利用本发明方法匹配涡轮增压器的内燃机扭矩曲线。图6中的a 曲线是利用传统方法匹配涡轮增压器的内燃机燃油消耗率曲线，图6中的b曲线是利用本发明方法匹配涡轮增压器的内燃机燃油消耗率曲线。可以看出，利用本发明匹配出涡轮增 压器后，内燃机动力性和经济性均有明显提高，其中，低速扭矩提高约10%，额定工况燃油 消耗率降低约5%。
权利要求
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)。
2.如权利要求1所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于所述步骤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。
3.如权利要求2所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于所述步骤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。
4.如权利要求2所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于所述步骤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。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于 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。
6.如权利要求5所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于所述步骤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。
7.如权利要求1或2或3或4所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于 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。
8.如权利要求5所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于所述步骤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。
9.如权利要求6所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于所述步骤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。
10.如权利要求1所述的一种内燃机涡轮增压通流匹配方法，其特征在于所述步骤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。
全文摘要
本发明涉及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)。本发明方法周期短、成本低，而且可以提高内燃机全工况性能，适用于涡轮增压器的设计和匹配领域。
文档编号G01M15/04GK101949324SQ201010256098
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者张扬军, 张树勇, 诸葛伟林, 邢卫东, 郑新前, 陈涛 申请人:清华大学