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1、 涡轮增压系统与发动机匹配及动态仿真分析摘 要涡轮增压器是汽车发动机上的一个辅助设备,在汽车动力性，经济性以及排放性能上都有很大的帮助。在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了一些自然吸气式发动机的先天不足，使发动机在不改变排气量的情况下可以提高输出功率10%以上。因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率，藉以实现轿车的高性能化。它的应用无疑对我国的汽车尾气排放标准、环保及能源利用产生深远的影响。特别是最近几年，无论是汽油机还是柴油机，无论是小轿车还是卡车、客车或工程机械，都广泛应用涡轮增压器。在西部高海拔地区，无论是汽车运输还是工程机械施工建设，
2、发动机配备涡轮增压器似乎已经成为必须。因此涡轮增压器的可靠性变得尤为重要。油价的上涨，人们希望得到强大动力的同时，又希望自己爱车的燃油经济性很好，对于这种情况，自然吸气的发动机很难满足人们的这种需求。但是自从发动机的增压系统出现以后，人们的这种希望得以实现。带发动机增压系统的汽车，既满足了人们对于动力性的要求，又满足了人们对于经济性和排放性的要求，正所谓是两全其美。因此，自涡轮增压系统的出现，就受到了世人的接受及拥戴。但是以前对于涡轮增压系统有些技术上的瓶颈，基本上都用于柴油发动机上。最近几年来，由于经济的发展，科技技术的进步，部分大的汽车公司对于新技术的研发，涡轮增压普遍用于汽油发动机上已经
3、得以实现，如大众公司的帕萨特1.8T,迈腾1.8T，奥迪A4 2.0T等等，带涡轮增压的汽油车，自面世以来，广受世人的追捧。本文基于TSI发动机管理系统对废气涡轮增压系统的匹配做动态的仿真分析，以及涡轮增压对发动机动力性能，排放性能，经济性能所带来的提高的简单分析。关键词：涡轮增压系统 双涡轮增压器 TSI发动机Turbocharging system and engine match and dynamic simulation analysisABSTRACTThe turbosupercharger is on a motor car engines supporting facilit
4、y, in the automobile power, in the efficiency as well as the emission behavior has the very big help. In the recent 30 years, the turbosupercharger already popularized to many type automobiles, it has made up some natural aspiration type engines being congenitally deficient, causes the engine, in do
5、es not change the air displacement in the situation to be possible to raise the output above 10%. Therefore many automobile manufacture company uses this kind of turbo-charged technology to improve engines output, so as to realizes passenger vehicles high performance. Its application without doubt t
6、o our countrys automobile exhaust emission standard, the environmental protection and the energy use has the profound influence. Specially recent several years, regardless of being the gasoline engine or the diesel engine, regardless of being the sedan car or the truck, the passenger train or the en
7、gineering machinery, widely applies the turbosuperc.Oil price rise, the people hoped that obtains powerful engine at the same time, also hoped that oneself love vehicles fuel oil efficiency is very good, regarding this kind of situation, natural aspirations engine is very difficult to meet peoples t
8、his kind of need. But appears after engines supercharging system, peoples this kind of hope can realize. Brings the engine supercharging systems automobile, both has satisfied the people regarding the kinetic request, and has satisfied the people regarding efficient and the emissions request, so-cal
9、led is satisfies both sides. Therefore, from the turbocharging systems appearance, has received common peoples acceptance and supports. But before regarding the turbocharging system some technologys in bottleneck, basically uses on the diesel engine. Recently for several years, as a result of the ec
10、onomical development, the technical technologys progress, the part big Car company regarding the new technologys research and development, the turbocharging used on. the gasoline engine already being able generally to realize, like Volkswagen Passat 1.8T, Magotan 1.8T, Audi A4 2.0T and so on, brough
11、t the turbocharging the gasoline motorcar, since appearing on the market, is pursued broadly the common people holds.This article makes the dynamic simulation analysis based on the TSI engine management system management system to the exhaust turbine supercharging systems match, as well as the turbo
12、charging to the engine power performance, the emission behavior, the enhancement simple analysis which the economical performance brings.Key words: Turbocharging system Bouble turbocharging TSI enginemanagementIII目 录摘 要IABSTRACTII1车用涡轮增压系统导论11.1 涡轮增压技术的发展历程及应用11.1.1涡轮增压技术的发展历程11.1.2 涡轮增压技术的应用优势21.2
13、涡轮增压技术的研究现状31.3 本论文研究的方向及分析内容42车用增压系统的种类52.1 机械增压系统52.2气波增压系统52.3 废气涡轮增压系统52.4 复合增压系统62.5 双涡轮增压系统简介63TSI发动机涡轮增压器特征及分析83.1涡轮增压器的外观设计83.2 进气系统93.3 排气系统93.4 涡轮增压系统的冷却103.4.1 增压空气的冷却103.4.2 涡轮增压器的冷却104TSI发动机与废气涡轮增压器匹配分析114.1 增压气体的流动及增压压力的调整114.2 电子超速切断调节125涡轮增压器与发动机匹配的规律研究145.1 Matlab/Simulink软件及其功能145.
14、2 面径比155.3 旁通阀的开度与匹配的关系155.3.1 旁通阀开度控制曲线165.4 旁通阀的改进175.5 发动机与涡轮增压器匹配模型的建立18结论21参考文献22谢 辞231绪论1.1 涡轮增压技术概述涡轮增压器真正在民用柴油车上大批使用已经是70年代了，奔驰300SD和大众高尔夫增压柴油版是当时最具代表性的车辆了。使用涡轮增压器也突然变为非常时髦的事情，各公司都有起码一款高配置的车型使用该装置，甚至被视为高科技和高档的象征。那个时代下诞生了不少即使现在看来仍十分经典的车型，比如1973年款宝马2002Turbo、1974年款保时捷911 Turbo，以及稍晚的萨博900 Turbo
15、等等，甚至法拉利都推出过几款涡轮增压车型。二十多年后的今天，增压器已不再单纯地用来提升运动性能，同样也是改善燃油经济性和降低排放污染物的有效手段，因为它能直接有效地优化燃烧效率。不过正如你可能了解到的，直到目前，增压器在汽油机上的运用远不如在柴油机上广泛，因为从技术特性来看，柴油机更需要增压器的帮助。但是，按照目前的发展趋势，汽油机的增压技术也突破了技术上的瓶颈，很快就可以普遍的应用在汽油车上，大有超赶柴油车增压技术应用之势。涡轮增压技术最早应用于航天航空领域里面，在1919年，美国通用公司，将带有涡轮增压器的一台飞行器带到一万米的高空，人们开始认识到了，增压器所带来的威力。在第一次世界大战和
16、第二次世界大战期间，涡轮增压器得到了更加广泛的应用，在那个年代，涡轮增压器却因为战争的原因得到了快速的发展。由于增压技术的不断更新，以及对于动力需求和能源浪费的再利用，涡轮增压技术在航天航空领域上，应用得到更加广泛。船用涡轮增压技术也是在很久之前就开始盛行了，因为船泊业跟航天工业一样，都需要很大的动力需求。在不降低船用柴油发动机功率的前提下，提高船用柴油发动机节能、环保性能最根本的方式是改善柴油发动机的燃烧过程。世界先进船用柴油发动机厂商积极开展燃烧控制技术研究及应用，增压技术的改进就在这种情况下，得到了稳定而又快速的发展。车用涡轮增压技术的应用则是经历了比较漫长的岁月。经过80多年的不断发展
17、，特别是20世纪90年代以来，由于CAD/CAM,电控、材料和制造技术等科学技术的迅速发展，许多相关学科领域的成果被大量用于增压技术领域，从而出现多种增压方式。针对不同的车用发动机，使用不同的增压方式才能达到最佳的匹配 我们知道各种增压方式都有利有弊，但由于废气涡轮增压器结构简单，而且对提升发动机性能效果很好：当一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约40%甚至更多;或者说，一台小排量的发动机经增压后，可以产生较大排量发动机相同的功率；试验证明由于涡轮增压发动机的燃烧比较完全，排烟浓度降低，废气中CO和HC含量明显减少，NOx含量也大为改观，对减少汽车排气污染
18、有利。此外，由于燃烧压力升高率降低，发动机工作柔和，噪声比较小；而且在高原地区也可以恢复功率减少油耗。由于装在汽油机上爆震倾向大大增强，而且汽油机的转速和功率范围宽，系统比较复杂，所以目前应用较少，只有少数高级轿车安装，但是随着技术的不断提高，应用会越来越广。装在柴油机上不存在什么大难题所以普及很广，在重型柴油机上已经达到了100%，而且目前已向小型柴油机迅速发展。1.2 涡轮增压技术的研究现状近20年，随着涡轮增压技术的普及、深入，有关涡轮增压方面的新技术、新工艺、新材料、新理念开始不断涌现。可以说，正式由于各种排放，噪声法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求，特别是涡轮增压技术高原发
19、动机的功率补偿，车用涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期。总体来说，当今的车用涡轮增压技术主要以下5点特征。(1) 小型化在发动机重量及体积增加很少的情况下，发动机不需要做重大的改变，即很容易提高功率20%50%。由于不像机械增压时增压比受到限制，故近年来高增压的趋势越来越明显，高增压时，功率提高甚至大于100%。因此，采用涡轮增压技术，可在功率保持不变的前提下，大大降低发动机的整体尺寸，这对发动机及汽车的小型化、轻量化和降低成本有巨大的吸引力。(2) 节能涡轮增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机，涡轮机转动来带动同轴的压气机工作，压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩，从而增加发动机的
20、进气量，提高发动机的功率、机械效率和热效率，使发动机增压后油耗可降低5%10%。因此我们能用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的自然吸气的发动机，从而达到节能的目的。(3) 环保涡轮增压器能够使发动机节能，必将降低发动机的有害气体和二氧化碳的排放量。但增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有区别的；。对汽油机来说，由于过量空气系数接近于1，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超过1，增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。若把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，因其空气供应充足，碳烟和一氧化碳的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升
21、高，燃烧室的化学反应更趋强烈，碳氢化合物的排放也会降低。因增压柴油机能提高燃油经济性，有事可放弃部分在燃烧经济性的好处来换取全面降低排放。(4) 高原功率补偿在高原条件下，发动机汽缸进气量减少，降低了含氧量，使燃烧过程恶化，后燃现象加重，燃烧持续期延长，冒烟加重。为了更好的组织燃烧，提高氧的利用率，采用涡轮增压技术，提高发动机的进气量，补偿因进气不足而损失的功率。(5) 涡轮增压器与发动机多种匹配方式为了更大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同目的的需求，人们研究了多种涡轮增压器与发动机的匹配方案。有高工况放气系统、低工况进排气旁通系统、可调涡轮喷油嘴截面增压系统、电动放气涡轮增压系统、增压转换
22、系统和带电机的涡轮增压器。此外，还有超高速增压系统、扫气旁通系统及谐振复合增压系统等，这些在中、小功率车用柴油机上应用不多。1.3 本文研究内容本文基于大众公司的发动机（我们简称为TSI发动机），以及所匹配的涡轮增压系统，还有其他的一些子系统，例如：冷却、润滑、电子控制系统等，对TSI发动机做一个整体的匹配分析，包括这款发动机涡轮增压系统与的进排气系统，电子控制系统，冷却润滑系统等的匹配分析。所以，本文所研究的内容就局限在以下几个方面，TSI发动机涡轮增压器的简单研究分析，涡轮增压器的冷却系统工作原理，TSI发动机与涡轮增压器的匹配分析，包括增压压力的调整及电子超速控制，面径比对增压器的影响等
23、。2车用增压系统分类2.1 机械增压系统机械增压系统：这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐管里。其优点是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。但是由于装在发动机转动轴里面，因此还是消耗了部分动力，增压出来的效果并不高。2.2气波增压系统气波增压系统：利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统增压性能好、加速性好，但是整个装置比较笨重，不太适合安装在体积较小的轿车里面。2.3 废气涡轮增压系统废气涡轮增压系统：这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空
24、气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%30%。但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作
25、温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。2.4 复合增压系统复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。发动机的设计者们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起，来解决两种技术各自的不足，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。这种装置在大功率柴油机上采用比较多，汽油机上采用双增压系统（复合增压系统）的车
26、型还比较少，大众的1.4 TSI发动机（这款发动机兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。在低转速时，由机械增压提供大部分的增压压力，在1 500rpm时，两个增压器同时提供增压压力。随着转速的提高，涡轮增压器能使发动机获得更大的功率，与此同时，机械增压器的增压压力逐渐降低。机械增压通过电磁离合器控制，它与水泵集合在一起。在转速超过3500rpm时，由涡轮增压器提供所有的增压压力，此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离，防止消耗发动机功率）采用了了这一系统。其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，只是结构太复杂，技术含量高，维修保养不容易，因此很难普及。2.5 双涡轮增压系统双涡轮增压
27、系统，顾名思义，就是采用2个相互独立的涡轮增压器的增压系统。区别于常见的单涡轮增压发动机，双涡轮增压发动机在2个涡轮增压器的共同作用下，进气效率大幅提升，增压效果更加显著。由于使用了2个涡轮增压器，双涡轮增压系统的结构变得更加复杂，因此多用于直列6缸和V型发动机上，而单涡轮增压系统则多用于直列4缸发动机上。由于双涡轮增压发动机在车辆动力性能提升和发动机动态响应速度方面所表现出来的突出优势，目前，包括宝马在内的多家汽车厂商都已经在各自旗下的车型上采用了双涡轮增压的增压型式。以宝马在X6 xDrive50i全能跑车型上装备的4.4 L V8双涡轮增压汽油直喷发动机为例，这款发动机的双涡轮增压系统由
28、2个大小完全一样且呈并联方式排列的涡轮增压器组成。按照气缸工作顺序把1、3、5、7缸分为一组，2、4、6、8缸作为另一组。发动机在运行时，每组4个气缸的排气共同驱动一个涡轮增压器，2个涡轮增压器同时工作，在一定程度上缓解了“涡轮迟滞”现象对车辆低速行驶时发动机功率快速增加所造成的不良影响。但是，双涡轮增压发动机并不能完全消除“涡轮迟滞”现象，毕竟，涡轮增压器叶轮的惯性作用依然存在。只不过，我们仅是从双涡轮增压技术的角度出发来进行分析，在实际使用中，双涡轮增压发动机通常都装备在直列6缸或V型等排量较大的发动机上，由于发动机本身的动力性能已经相当优异，驾驶者在驾车时也不会因为“涡轮迟滞”察觉到车辆
29、在加速过程中的动力滞后。机械增压加涡轮增压，即是双涡轮增压。由于涡轮增压系统和机械增压系统分别拥有各自的优势和劣势，因此，由1个涡轮增压器和1个机械增压器共同组成的双增压系统发动机同时具备了涡轮增压系统和机械增压系统的双重技术优势，并且使整合在一起的这两种不同型式的增压系统实现了优势互补。3TSI发动机涡轮增压器特征及分析3.1涡轮增压器的外观设计为了更好的胜任增压发动机较高的工作要求，发动机的零部件必须做出相应的改变。也由于节省空间的考虑，因此涡轮增压器总成设计成排气管与增压器为一体的结构。这种排气管与涡轮增压器设计为一体的结构在横置或纵置的发动机上均可以安装。重要的是方便售后服务的工作，既
30、可以方便的拆装排气管及与离发动机很近的催化反应器，这种结构可以说是两全其美的设计创意。为了发动机关闭后，涡轮增压的轴承温度不致过高，涡轮增压器和冷却系统连通；同时也和润滑系统相连保证轴承的润滑和冷却。另外，电控的涡轮增压循环阀和用于旁通阀式增压压力限制的压力单元也都集成在涡轮增压器总成上。 图3-1 涡轮增压器总成3.2 进气系统 进气系统从空气滤清器开始，经过废气涡轮增压器、节气门控制单元以及进气歧管直到进气门。TSI发动机的进气系统，因为要跟涡轮增压系统的匹配，所以在设计上，存在着比较多的难点。但是任何的困难都可以通过一定的方法来解决。在发动机的进气管道内，具有两个带有进气温度传感器的压力
31、传感器，这两个传感器就构成了增压压力的再循环控制。增压压力再循环控制的是增压后的进气量。两个都带进气温度传感器的进气压力传感器的信号配合使用来保证精确控制。第一个带有进气温度传感器的增压压力传感器安装在增压后的进气管道内。增压压力传感器用来控制增压压力。进气温度传感器用于对增压压力的修正，因为温度对增压空气的密度有较大的影响。另外，当温度过高的时候，会通过降低增压压力的方式来保护发动机。第二个带有进气温度传感器的增压压力传感器安装在进气歧管上。发动机控制单元通过进气压力传感器和进气温度传感器来计算冷却后的进气歧管内的进气量，根据计算出的进气量，来调整增压压力。3.3 排气系统正如前面所提到的，
32、涡轮增压器跟排气歧管做成了一个壳体，这个模块只用螺栓加以固定在缸盖上，便于装配。在拆卸和装配时不用松开卡紧带。排气歧管的结构与点火顺序相关，在排气歧管中有一个分离筋，这种结构可使排气均匀的到达涡轮。根据各缸的点火顺序，相应缸的废气到达排气管道的分离筋处，分离筋可进一步防止一个汽缸的排气压力对其他缸的排气道造成影响。这样就可以保证所需要的涡轮转速，并且优化了涡轮增压器的反应能力3.4 涡轮增压系统的冷却3.4.1 增压空气的冷却空气经过增压后，空气的温度必定会升高许多，增压空气温度的升高必定影响到进入气缸内的空气的质量，对此要进行增压空气的冷却。将有冷却液流过的冷却器直接装在进气歧管内，这个冷却
33、器有自己的循环管路也同时连接在发动机冷却系统内。冷却器和常规的液体冷却器的设计和功能都是相似的。冷却器由许多铝叶片组成，在里面有冷却液流过的管路。热空气流过铝叶片，将热量传出去，再传给冷却液，然后冷却液再被泵入汽车前端的附加散热器来冷却。3.4.2 涡轮增压器的冷却在发动机正常运转的时候，涡轮增压器主要是靠机油冷却。冷却液只在有必要的时候才被泵到涡轮增压器。发动机关闭后，冷却液循环泵会工作一段时间，来避免在涡轮增压器的冷却循环管路内形成气阻。4TSI发动机与废气涡轮增压器匹配分析4.1 增压气体的流动及增压压力的调整通过调节电磁阀，在增压压力和进气压力共同作用下形成操纵压力，该操纵压力作用在真
34、空膜盒上，再通过拉杆推动旁通阀的阀门。阀门可以打开旁通道，使一部分的废气通过涡轮，不用的废气能量就直接通过旁通阀进入排气管。通过这种方式可调节涡轮的转速和最大的增压压力。如果电磁阀调节失败，则增压压力直接作用在真空膜盒上，即作用在膜片弹簧上，在这种情况下，最大增压压力被限制在一个基本压力之内。图4-1 涡轮增压器工作原理图图4-2 增压压力控制4.2 电子超速切断调节这种调节以前用的一般是气动调节，现在基本上用的都是电动的比较多了，因为相对于气动来讲，电动调节有非常多的优势。为防止超速切断以及换挡过程中涡轮转速降低过多，使用了电子增压循环阀，与以前的气动调节相比，电子超速切断阀工作更加的可靠。
35、在超速或者换挡阶段，节气门是会关闭的，关闭节气门对增压器有很大的影响，因此，有了电子超速切断阀，节气门用个旁通通道，使节气门没有完全关闭。在超速阶段，持续的增压压力作用在压缩室，由于该压力对增压轮有强烈的制动作用，因而是增压压力降低。为避免这种现象的发生，循环电磁阀通过电动调节打开旁通通道，使压缩气体通过增压轮被引至循环管路入口，因此使涡轮保持在一定的转速下运转，使汽车在行驶的过程中不产生滞后感，也不给增压器产生负压，影响增压器的工作效率。图5-1 电子超速切断调节原理图图5-2 超速切断控制5涡轮增压器与发动机匹配的规律研究5.1 Matlab/Simulink软件及其功能随着计算机技术的成
36、熟和发展，仿真技术在各个领域中得到了空前广泛的应用。数字仿真是把研究对象的数学模型在计算机上进行性能测试的新兴综合性技术，用来估计或预测真实对象的性能。Matlab最早是作为线性系统的一种仿真和分析工具，于1984年面世。上世纪90年代以来，国际控制界出现了Simulink仿真环境，Matlab软件提供可靠的矩形运算、图形绘制、数据处理及方便的Windows编程等便利工具，成为最重要也是最有效的仿真手段之一。Simulink工具箱是Matlab的一个分支产品，主要用来实现对工程问题的模型化和动态仿真。Simulink体现了模块化设计和系统仿真的具体思想，使得建模仿真如同搭积木一样简单，不过我还
37、是觉得挺难的。Simulink对仿真的实现可以应用于动力系统、信号控制、通信设计、金融财会和生物医学等各个领域的研究中。Simulink仿真的范围广泛，支持线性和非线性系统，连续和离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。Simulink提供了友好的图形用户界面；用Simulink创建的模型是分层的，用户可以采用从上到下或者从下到上的结构来创建模型。这种方法使用户可以方便的利用模块化原理进行仿真模型的设计。5.2 面径比所谓的面径比，即是指废气涡轮入口处的最小截面面积A与该截面形心到涡轮旋转中心半径R之比。当发动机的转速一定（排气流量一定）时，减小面径比A/R时，进入涡轮的气体
38、动量矩就增加，涡轮及压气机的转速提高，增压效果明显；反之，增加面径比A/R，则进入涡轮的气体动量矩就减小，压气机转速降低，增压效果也随之降低。但是，面径比过大过小对发动机的影响也是非常大的，面径比过小，会导致涡前压力大，排气阻力大，高速时排气不良，影响发动机的性能；面径比过大，涡轮在低速工况下，排气动量矩小，增压器转速低，不利于提高中低转速工况的性能。图5-3 面径比A/R示意图涡轮跟叶轮对涡轮增压器的增压效果以及能量的完全利用率有着很大的影响，主要的方面是尺寸、形状、质量等。和以前的增压器相比，现在涡轮跟叶轮的尺寸分别从45mm降至37mm和从51mm降至41mm，即面径比A/R减小了，由此
39、涡轮迟滞现象得到减缓，废弃需要驱动的质量变小了，可以更快的产生所需要的压力。5.3 旁通阀的开度与匹配的关系通过排气旁通降低涡前压力，也会导致进气压力降低，从而影响发动机的性能。所以控制旁通阀的开度，降低涡前压力的大小，使发动机的性能提高。进气压力和涡前压力两者相互影响，不能简单的降低或者提高其中一方，必须通过控制废气旁通的量，亦即控制旁通阀的开度来实现两者的良好匹配。5.3.1 旁通阀开度控制曲线以发动机3800转/分工况为例。下图表示在3800转/分时输出转矩随旁通阀开度的变化规律。图5-4 3800转/分输出转矩随旁通阀开启面积的变化从上图我们可以看出，在旁通阀开度为零的时候，虽然所有的
40、排气均流经涡轮做工，增压器的转速很高，增压比较大，但是输出的转矩情况反而恶化，这表明涡前压力过大，排气阻力大，已经影响了发动机的热效率和机械效率，所以匹配不良。而在旁通阀开启流通面积为35平方毫米左右的时候，发动机的输出转矩出现波动，这表明在这一范围里进气压力和涡前压力的影响已经基本平衡，发动机的输出转矩也差不多达到了最大值，基本上属于良好的匹配，是最佳的平衡点。而超过这一范围之后，输出的转矩随着旁通阀的开度增加而迅速降低，这表明随着涡前压力的减小，增压器转速降低，进气压力也随之下降，因此发动机充量系数下降，热效率降低。可见旁通阀的开度影响着涡前压力的大小，进而影响了进气压力的大小，而进气压力
41、和涡前压力是一对相互影响的参数，涡轮的面径比值影响着涡前压力和进气压力的大小，面径比值小，提高了涡轮转速，而进气压力和涡前压力都在增加；在匹配过程中还要考虑到压气机的流量特性，其变化规律比较复杂，需要通过实验来标定压气机、涡轮和旁通阀开度的最佳匹配点利用仿真模型，并且在发动机外特性下各转速点的旁通阀开度控制曲线。如图9所示。图5-5 旁通阀开度控制曲线5.4 旁通阀的改进这款增压器配备的是气动式的旁通阀，由进气压力控制。当进气压力达到设计值时，旁通阀开启，涡前压力迅速下降，增压器转速降低，进气压力降低，旁通阀便重新关闭，涡前压力又继续升高，增压器的转速又继续升高，进气压力大于设定值之后旁通阀再
42、次打开，如此循环下去。器工作过程如下图。图5-6 气动式旁通阀工作过程旁通阀和压力单元内的膜片的直径都增大到26mm，从而使一个比较低的压力就可以打开旁通阀。这样就可以实现在低转速区域保持比较大的增压压力来保证良好的动力性，同时，在部分负荷的时候降低增压压力来满足燃油经济性。5.5 发动机与涡轮增压器匹配模型的建立以数学模型为基础，利用Matlab/Simulink的建模功能分别建立压气机、发动机、涡轮、中冷器及旁通阀等的子模型。将这些子模型组合成一个增压器与发动机匹配的整体模型，该模型如图5-7所示。图5-7 发动机与涡轮增压器匹配的整体模型图5-7中所示的模型中发动机、压气机、涡轮和旁通阀
43、等子模块利用了Simulink中的封装子系统功能。图5-8、图5-9、图5-10和图5-11分别给出的是压气机、发动机、涡轮以及旁通阀子系统模块。图5-8所示的压气机子系统模块以大气环境压力、温度和理想进气压力、流量为输入参数，以压气机压比、转速、效率和消耗的功率为输出参数。通过该子系统模块，可以完成的运行参数随发动机工况变化的计算任务。图5-8 压气机的子系统模块 图5-9所示的是发动机平均值模型。它主要完成以下的计算功能：进气空气质量流量、燃油消耗量、平均排气温度、燃气气体常数。图5-9 发动机子系统模块 图5-10所示的是涡轮子系统模块，以发动机排气流量、平均排气温度、增压器转速及燃气气
44、体常数等为输入参数，完成涡轮效率、膨胀比、涡前压力及涡轮流量等参数的计算。图5-10 涡轮子系统模块图5-11 Valve（旁通阀）子系统模块结 论本文针对TSI发动机及其涡轮增压系统，进行了简单的分析研究，以及对主要不见进行了仿真建模；通过分析不同的面径比值的涡轮，研究了涡轮的面径比对增压匹配效果的影响；研究了排气旁通阀的开启规律对于发动机性能的影响，并且制取了发动机外特性下各转速的排气旁通阀开度控制曲线。通过对TSI发动机及其匹配的涡轮增压器的匹配仿真分析，得到以下结论：(1).面径比值小的涡轮，由于排气的动量矩大，因此在面对中低转速时反应要比面径比值大的涡轮快，进气充量更多，发动机对外做
45、工的能力增强，经济性上要优于面径比大的涡轮。但是当发动机在高速运转的时候，小面径比的涡轮排气阻力大，排气损失大，机械效率下降，动力性和经济性都不如面径比大的涡轮。(2).TSI发动机采用了增压压力通过电磁阀开关调整的排气旁通阀以控制涡前压力，在增压压力的控制上更加的精确，并制取了外特性下各转速时旁通阀开度控制曲线。(3).电子超速调节，通过循环电磁阀的控制，使增压器不产生负压，影响增压器的效率，减少了汽车的滞后感，很好的与发动机匹配，提高了燃油经济性。参考文献1 晓青. 增压技术是现代车用发动机的必然选择J. 商用汽车，2003. 68692 张俊红，李志刚，王铁宁. 车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望J.小型内燃机与摩托车.2007，36:6669.3 杨艳晓. 电子辅助涡轮增压系统研究D. 哈尔滨. 东北林业大学，2004.4 朱大鑫. 涡轮增压与涡轮增压器M. 北京. 机械工业出版社，1992.433434.5 马朝臣，朱庆，杨长茂等. 涡轮调节方式对增压柴油机匹配性能的影响. 内燃机学报，2000（2）：14.6 陆家祥. 车用内燃机增压. 北京，机械工业出版社，1993.7 张然治，任继文，岳云. 对带废气放气阀涡轮增压器的应用分析J. 车用发动机，1997（4）：2629.8 周明，龚振清. 可变截面涡轮增压器控制系统的研究.内燃机学报，2001（4） 20