現代汽車渦輪增壓新技術的應用與開題報告概要

1、學院畢業(yè)設計開題報告學生姓名：一學號：專 業(yè)：設計題目：現代汽車渦輪增壓新技術的應用及分析指導教師：年 月日畢業(yè)設計開題報告1 .本課題的研究意義，國內外研究現狀、水平和發(fā)展趨勢(1)研究意義：隨著汽車保有量的不斷增加，由汽車引起的環(huán)境污染和能源消耗越 來越嚴重。因此，無論政府還是民眾都希望汽車既能夠保證最優(yōu)的燃油經濟性 和最低的尾氣排放，又能滿足駕駛員對駕駛舒適性和動力性的追求。為滿足上 述要求，汽車工程師和學者們提出了很多新技術來提高汽車發(fā)動機的性能。例 如，渦輪增壓、可變氣門正時、廢氣再循環(huán)等，其中渦輪增壓可在不增加發(fā)動 機排量的同時，大幅度提高發(fā)動機的功率和扭矩。一臺發(fā)動機裝上渦輪增壓

2、器 后，其輸出的最大功率與未裝增壓器相比，可增加大約30%甚至更多，因此渦輪增壓技術得到了汽車生產廠商的大力推廣及學者們的廣泛研究。本文以四缸 渦輪增壓汽油發(fā)動機為研究對象，采用以扭矩需求為中心的控制思想，對渦輪 增壓汽油發(fā)動機進行了氣路建模和控制算法研究。首先在平均值建模的機理下， 結合汽車工程中常用 map搭建了機理/map混合描述的渦輪增壓汽油機氣路系 統模型。其次，為了保證模型的精度，在高精度發(fā)動機動力學仿真軟件en DYNA中進行了模型的驗證。再次，設計了包含節(jié)氣門開度規(guī)劃跟蹤控制器和渦輪排 氣閥控制器的氣路控制系統，從而在實現發(fā)動機的扭矩需求的同時，保證了渦 輪增壓后壓力能夠保持在

3、其限壓值附近。最后，在仿真軟件中進行了仿真分析， 仿真結果驗證了本文設計的渦輪增壓氣路控制系統的合理性和正確性。綜上， 本文對渦輪增壓汽油機氣路系統的模型推導、氣路控制系統設計以及仿真分析 等方面都給出了詳細的分析和討論，并且通過仿真結果驗證本文所設計的氣路 控制系統的有效性。(2)國內外研究現狀、水平和發(fā)展趨勢：發(fā)動機增壓技術是隨著增壓器技術的發(fā)展 而發(fā)展的。所以發(fā)動機增壓技術的進步可以從增壓器的發(fā)展過程看出。發(fā)動機 增壓器于上世紀初問世，隨著技術的發(fā)展，發(fā)動機增壓器的應用也日益普遍， 類型上從剛開始的機械增壓發(fā)展到廢氣渦輪增壓甚至是雙增壓，應用上也從柴 油機逐步發(fā)展到汽油機。同時，隨著研發(fā)

4、技術的不斷創(chuàng)新和生產工藝的不斷提 高，發(fā)動機渦輪增壓技術有了很大的提高，與未增壓發(fā)動機相比扭矩提升效果 明顯。大中功率的柴油機都已經采用了發(fā)動機增壓技術，中小功率的使用增壓 技術的也超過75%,汽油機增壓在近幾年也超過 60%,并且呈上升趨勢12,13。 國外的汽油機渦輪增壓技術開始于 20世紀80年代初期，并且由于柴油機的技 術積累，渦輪增壓技術在汽油機上得到了迅速的發(fā)展和完善。到了 20世紀90 年代歐美和日本生產的汽油機已有將近30%都采用了增壓技術，同時國際中的汽油機增壓技術普及率達到了 15%。到了 21世紀初，采用渦輪增壓技術的汽油 機普及率達到了 50%,在汽油機渦輪增壓技術方面

5、，日本、德國、美國技術較 為領先。由于我國整體轎車工業(yè)起步較晚，我國的汽油機渦輪增壓技術目前相 對落后于國外。我國20世紀90年代開始研究汽油機增壓，并在 CA-10B和 DG26100-12機型上取得成功。2000前后，清華大學，吉林大學等幾家高校也相 繼進行汽油機增壓研究。近十年來，我國汽油機增壓技術不斷發(fā)展，增壓性能 不斷提高。現在，國內也在大力發(fā)展汽油機渦輪增壓，國內很多汽車廠商如吉 禾h 一汽、上汽等都有完全知識產權的渦輪增壓汽油機產品。渦輪增壓汽油機 已經成為了汽油機發(fā)展的趨勢。目前，國內外已經有大量的有關渦輪增壓發(fā)動機設計和研究的成果發(fā)表，主要集中在渦輪增壓器匹配，渦輪增壓發(fā)動機

6、性能 優(yōu)化及方法，渦輪增壓發(fā)動機控制策略等。江淮汽車公司的胡必謙進行了渦輪增壓汽油機的匹配研究，他把增壓器的匹配分為方案和性能 5大內容進行方案 匹配決定設計路線，性能匹配決定設計目標是否能夠完成，兩者缺一不可。文章 指出，增壓器選型是最為重要的過程，需要綜合性能目標（功率、扭矩）、增壓 器效率（燃油經濟性），高原運行工況和發(fā)動機運行安全性等方面考慮，選擇各項 性能俱佳的增壓器。廣西大學的李露露等以GT-POWER軟件為研究工具，對 廢氣渦輪增壓汽油機的配氣相位進行優(yōu)化研究。在不同工況下，分析計算進排 氣門開啟角度。經過分析優(yōu)化配氣相位后，廢氣渦輪增壓汽油機性能得到了提 高。楊國旗LJ465Q

7、-2A型汽油發(fā)動機曲軸進行結構分析與增壓強化設計，以滿 足汽油機增壓改造中主要部件強度和剛度的設計要求。哈爾濱工程大學的宗立君在東安發(fā)動機DA465Q發(fā)動機（0.9升）的基礎上開發(fā)一款渦輪增壓發(fā)動機。 為解決發(fā)動機增壓后導致的爆震嚴重，熱負荷高等不良現象，他們對發(fā)動機的 點火系統，潤滑冷卻系統，進排氣系統等進行了改進。渦輪增壓發(fā)動機樣機的 臺架試驗結果表明，最大扭矩增加了 50%左右，性能達到1.3升自然吸氣發(fā)動機 的水平,而高轉速范圍內的油耗降低了 15.8%左右?？紤]到渦輪增壓器在發(fā)動 機低速時轉速低增壓效果低，發(fā)動機進氣量少從而降低了輸出扭矩，周廣猛等 總結了提高渦輪增壓發(fā)動機低速扭矩的

8、幾種技術措施，即輔助增壓，主要有機 械增壓和渦輪增壓復合增壓技術和電輔助渦輪增壓技術，和小渦輪技術，主要 指減小渦輪慣量，以及可變結構渦輪增壓器技術，主要有可變噴嘴渦輪增壓技 術和可變渦輪喉口截面技術等。 例如，圖1.2所示，為大眾汽車的機械和渦輪雙 增壓發(fā)動機示意圖，在低速范圍時，機械增壓工作以提升低速扭矩。B?rjeGrandin等研究了在渦輪增壓發(fā)動機的高負荷時應用稀混合氣和用冷卻EGR稀釋的混合氣代替一般的濃混合氣以抑制爆震和降低排氣溫度的潛力。他們的研 究結果表明，這兩種方案都是濃混合氣的可能的替代方案，且兩種方案的燃油 經濟性都明顯改善。采用冷卻 EGR稀釋時，和濃?M合氣相比，C

9、O和HC都明 顯減少，而采用稀燃時的CO和HC更少，但和EGR相比，NOx較多。Wirth M 等9研究指出，若不和其它技術聯合，期望的汽油直噴技術的20-25%的潛力只 有10-15%能發(fā)揮出來。當汽油直噴技術和渦輪增壓小排量方案和推遲進氣閥關 閉策略相結合時，可以實現高達 28%的燃油經濟性改善潛力。此外，他們的研 究還表明，增壓使得NOx限制的分層操作可以擴展到更高的負荷水平，約為7bar IMEPo5畢業(yè)設計開題報告2 .本課題的基本內容，預計可能遇到的困難，提出解決問題的方法和措施基本內容：渦輪增壓發(fā)動機一般在原有的自然吸氣發(fā)動機的基礎添加渦輪增壓器上進 行開發(fā)，渦輪增壓器和發(fā)動機必

10、須緊密配合，否則會降低發(fā)動機的效率甚至毀壞。因此，渦輪增壓器和原型發(fā)動機之間匹配的好壞直接決定最終的渦輪增壓發(fā)動機的性 能和壽命。止匕外，由于原型發(fā)動機的壓縮比，進、排氣管路系統等的設計都是基于 自然吸氣的前提下進行的，在添加了渦輪增壓器后，有必要重新進行進、排氣管路 的結構參數，和壓縮比，進、排門氣正時等的優(yōu)化，并考慮爆震和排氣溫度等的限制，以最大可能地利用渦輪增壓器的潛力，在提高發(fā)動機動力性能的同時保持或者 改善發(fā)動機的燃油經濟性水平。如前所述， 現代車用渦輪增壓發(fā)動機非常復雜，特別 是安裝了進氣和排氣VVT系統的汽油發(fā)動機，具設計和操作變量較多，設計和優(yōu)化 的難度較高，若用傳統方法進行開

11、發(fā)，則開發(fā)成本高，工作量大，周期長。雖然已經 有許多有關渦輪增壓發(fā)動機設計和研究的成果發(fā)表，但沒有系統地研究渦輪增壓發(fā)的 設計和優(yōu)化方法的文獻發(fā)表。因此，本文將研究基于GT-Power模型的渦輪增壓發(fā)動機開發(fā)和性能分析，并研究一套基于模型的設計、開發(fā)、研究和優(yōu)化的工程開發(fā)方法。 已經其他在現代汽車上的最新的應用可能遇到的困難：1.影響汽車渦輪增壓各個過程的模型分析；2.汽車渦輪增壓的新技術的各種數據以及搜集的難度和處理方法3.渦輪增壓的各個環(huán)節(jié)以及結構對其影響的原因.解決問題的方法和措施:2.的指引下解決困難。3.要的錯誤。4.行設計。1.進行多次測試與研究，精確測量在設計過程中遇到不會的問題

12、積極與老師溝通，在老師熟練運用三維設計軟件，保證在操作過程中不發(fā)生不必查閱相關文獻，熟悉各設備的基本結構，想好思路再進3.本課題擬采用的研究手段（途徑）和可行性分析研究手段（途徑）：1.資料的調研及整體認識2 .渦輪增壓系統的分類以及工作原理3 .渦輪增壓汽油機氣路建模與驗證4 .渦輪增壓增壓汽油機氣路系統的數學模型5 發(fā)動機的油路模型6 渦輪增壓系統的吸氣方式與自然吸氣的比較可行性分析：由于自然吸氣的發(fā)動機在不改變發(fā)動機排量的前提下其進氣量是不會 增加的，同時根據最優(yōu)空燃比控制其噴油量也不會改變，因此其最大輸出扭矩也不 會提高。而渦輪增壓利用發(fā)動機排出的廢氣做功來對空氣進行加壓，這樣在相同情 況下會比自然吸氣的發(fā)動機進入更多的氣體，此時根據空燃比控制相應調節(jié)噴油就能產生更大的能量。一方面采用渦輪增壓可以使得燃料在汽缸中燃燒的更加充分， 這是由于空氣多了燃燒必然更充分。另一方面將無用的發(fā)動機廢氣“變廢為寶” 在能源日益枯竭的今天，渦輪增壓意義重大且前景廣闊。4.論文的進度安排1 .調研、資料收集、完成開題報告，第 2