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用GT-Power模拟仿真一款1.6L涡轮增压缸内直喷发动机与可变截面涡轮增压器匹配情况的预测
Dennis Robertson, Graham Conway, and Chris Chadwell西南研究所
Joseph McDonald, Daniel Barba, and Mark Stuhldreher美国环境保护局
Aaron Birckett霍尼韦尔运输系统
摘要：
低压废气再循环热效率的优势是众所周知的。采用低压废气再循环实现高功率密度面临的最大的障碍之一是增压的挑战。可变截面涡轮增压器最近研发了在高废气温度下在汽油机上的应用。比起双级增压系统或者48V电子增压装置，使用单级可变截面涡轮增压器作为增压装置应用于低压废气再循环可以提供一个成本更低的选择。一个基于1.6L涡轮增压缸内直喷汽油机测试结果的预测模型被创建出来。该模型经过调整以便通过一个具有各种速度、负载、EGR率和燃料类型的发动机运行图进行预测燃烧率和终端气体对气缸的敲击情况。运用这个模型，一个对使用来自霍尼韦尔运输系统公司可变截面涡轮增压器的评估可以表现出来。结果表明，与双极涡轮增压器相比，单个可变截面涡轮增压器能支持运行图上的低压废气再循环，同时保持真实的满载性能，保持或提高热效率。这项工作是作为环境保护局持续评估先进汽车技术的一部分完成的，以制定适当的国家温室气体标准。
介绍：
到2025年，汽车工业必须减少二氧化碳排放排放量至少为30％，标准污染物排放量在美国销售的车辆数量减少三倍[2]。 要达到这些排放标准，先进的发动机正在寻求燃烧策略。 一个有希望策略是使用冷却废气再循环（EGR）[3,4,5,6]。
冷却的EGR导致更高的热效率减少传热损失。 冷却的EGR也可以提高抗爆性，使其具有更高压缩比或增加的特定扭矩与最佳燃烧定相。 另外，冷却EGR通过排气再循环用三原子空气分子置换双原子分子优化比热。热容量的增加会降低燃烧温度，导致较低的和CO排放[7]。 最后，通过使用冷却的EGR，泵送损失减少降低发动机的容积效率和要求对于给定负载更高的歧管压力。
然而，更多地使用冷却EGR在传统涡轮增压器的尺寸上带来了挑战。 涡轮机在传统的单级涡轮增压器中通过妥协尺寸以实现低速，高负荷目标以及高速足够的流量，以最小化涡轮机入口压力额定功率条件的能力。 这两个绩效目标需要在低速和高速扭矩之间进行设计权衡性能，导致小于最佳涡轮尺寸为条件。
可变截面涡轮增压器（VNT）具有以下优点能够有效地调整其涡轮几何形状使得低速时涡轮机直径较小（实现低端扭矩）和高速时高效的涡轮机直径（实现更低的背压和高功率性能）[8,9]。 减少排气回流的额外好处高发动机负荷下的压力是它避免了对废气门的需要。 排气背压的这种降低是有益的因为它降低了扫气压力比，从而降低了扫气压力比缸内残余物含量，允许早期燃烧分阶段和提高发动机效率[10]。 之前的学习已经展示了VNT与米勒操作的成功。 这个论文确定了VNT在稀释下运行的潜力条件，特别是EGR稀释。
这项工作的目的是使用Gamma Technologies具有预测燃烧机制的GT-Power软件（Gamma Technologies，LLC。，Westmont，IL）开发一个发动机模型。 该模型评估了可变截面涡轮增压器的性能能够支持低压LP-EGR发动机运行图及其对热效率的影响具有不同的EGR率和燃料类型。准确地模拟不同的排气残余，增压和压力的影响和火花正时，预测，准维度燃烧模型是在GT-Power中使用来自的数据构建的生产PSA的实验版（PeugeotSocieacute;teacute;Anonyme）1.6升涡轮增压发动机如图1和表1所示。
图1标志雪铁龙 EP6CDTx 发动机
准维燃烧的输出模型用于研究冷却EGR对在缩小尺寸的涡轮增压发动机中抑制自燃的影响。此外，还展示了进一步的模型数据模型预测提升要求的能力适用于额定功率下的可变截面涡轮增压器或双涡流涡轮增压器。
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表1 PSA EP6CDTx Specification |
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排量 |
1.6L |
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缸径 |
77mm |
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行程 |
85.8mm |
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压缩比 |
10.5:1 |
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涡轮增压器 |
原装双涡轮管或可变截面涡轮增压器 |
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气门机构 |
进气和排气凸轮相位进气阀门（连续式VVL） |
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喷射系统 |
侧装缸内直喷 |
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额定功率 |
120kW/5000rpm |
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额定扭矩 |
240Nm/1600-4000rpm |
模型分析：
本研究选择的发动机是使用LP-EGR 的标志雪铁龙 EP6CDTx[1]。 表1列出了发动机的几何形状和测试配置，图1描述了发动机。
当双涡流涡轮增压器无法满足目标载荷期望的EGR率时需要补充增压。 提供补充助力，需要一台耦合到电动机的机械增压器。可以在图2.中找到测试单元的设置。增压器消耗的电能不包括在它的分析中，它的操作和预期的背压是包括在内的。该排气歧管压力增加以匹配进气量歧管压力模拟涡轮增压器能够满足增压压力要求。 对于所有模拟条件下，歧管空气温度设定为40°C至与发动机测试一致。 涡轮后EGR是在没有通过三元催化剂的情况下进入进气口（TWC）。 因此，EGR具有未催化的HC，CO和较少量的和这些都可以帮助稀释燃烧过程通过提高火焰速度[11]。有关测试设置的更多详细信息，请参阅参考文献[1]。
新鲜空气
图2 在测试单元和中找到的发动机配置在GT-Power中建模。 Boost通过库存提供，双涡流涡轮增压器和增加了排量的机械增压器。 EGR阀位于EGR后冷却器中涡轮机的下游。
废气
中冷器
机械增压
控制阀
三元催化转化器
EGR冷却
废气旁通阀
压气机
涡轮机
中冷器
排气
双凸轮相位器
EGR阀
节气门
进气
电子阀门系统（可变升程）
空气滤清器
ERG文丘里混合器
几何模型：
测试发动机是用GT-Power（GammaTechnologies，Ltd.，Morrisville，NC，USA）。 零件几何是直接组合确定的测量，工程判断，或由提供元件制造商（见表2）。
为实现本研究的目标，GT-Power模型需要以下功能：
bull;预测燃烧
bull;预测爆震
bull;逐步调整燃烧定相根据爆震模型预测减轻爆震
bull;灵活的负载控制算法
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表2 几何数据来源 |
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模型组成 |
方法 |
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进气、排气和EGR系统 |
直接测量 |
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阀门流量系数 |
流动台测试 |
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汽缸 |
由制造商提供工程估算 |
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涡轮增压器和外部增强设备 |
由供应提供 |
图3 10.5:1 燃烧室表面几何形状
预测燃烧模型需要详细的缸内几何形状预测湿润火焰面积和湍流。 非预测模型，如Wiebe函数[12,13,14]主要依赖于测试数据。 活塞头和活塞表面模型被添加到发动机模型中导入活塞的立体光刻（STL）文件气缸盖表面代表燃烧室。（图3）显示了活塞和气缸盖表面几何图形用作模型的输入。 表面细节是粗化以通过设置Surface来加快计算时间离散化参数为1.0。 网组成发动机呼吸系统的管道是进口的通过将STL文件转换为GT-Power地图，从CAD模型中获取使用GT-Power的GEM3D软件的零件。
负载控制：
该模型设计为在基线速度下运行和不同的EGR率的发动机负载图燃料和适度的硬件变化。 负载控制算法必须既灵活又模仿基线校准发动机 选定的负载控制算法是一种状态机器可以在表3中看到。
该控制算法在GT-Power中实现模型通过Mathworks（Natick，MA）MATLAB Simulink协同仿真。 协同仿真实现了综合优势GT-Power控制器和Simulink提供的功能灵活而强大的控制架构。 状态机和燃烧定相逻辑完全用Simulink编码。GT-Power中的油门和涡轮增压器控制器强大，因为它们是基于模型的。 因此，Simulink代码，只配置这些控制器以在所需的状态操作。 通过设置目标和实现此配置Simulink代码对GT-Power控制器的限制。
完整的Simulink代码如图4所示代码被编译为动态链接库文件（.dll扩展名）并通过Simulink Harness object输入GT-Power模型。 发动机测量，控制和监视器在GT地图中与此对象接口。
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表3 负载控制算法 |
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状态 |
负载控制设备 |
剩余负载控制执行器位置 |
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0 |
可变升程气门 |
废气门敞开 外部增压装置固定在0 RPM |
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1 |
节气门 |
VVL设定为最大升力 废气门敞开 外部增压装置固定在0 RPM |
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2 |
废气旁通阀 |
VVL设定为最大升力节气门敞开 外部增压装置固定在0 RPM |
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3 |
外部增压设备 |
VVL设定为最大升力 节气门敞开 废气门关闭 |
图4 Simulink控制代码。 一个更大规模的版本该原理图在附录图1中转载提高易读性。
燃烧模型预测：
包括预测燃烧模型以进行预测燃烧性能跨越广泛的操作范围条件，调整发动机时的重要考虑因素背压，正如增强装置研究所经历的那样。当改变背压时，总残留物含量变化。 残留物的存在会影响燃烧速率，自燃，传热和有效容积效率。GT-Power内的SI Turb模型有这种能力研究上述过程并为此选择增强装置。
火花点火汽油发动机中的燃烧是预混湍流燃烧。 火焰从高温点火引发的放热反应核心。 然后反应形成层状火焰不同尺度的湍流造成皱纹和扰动，主要是泰勒微量。 在这个阶段，火焰被定义为发展中的火焰。 一旦火焰有了生长到比湍流的整体尺度更大的尺寸，它被定义为充分燃烧。 此时，火焰有了恒速直到它到达燃烧室墙壁迅速减速。 火焰本身是有限的厚度约为1-2毫米。 在这个火焰厚度内，新鲜夹带的燃料 - 空气混合物被加热到这一点发生放热反应，释放热量燃料。 此过程的时间也被视为一种功能湍流尺度和层流燃烧速度。 一个典型的火焰半径与燃料质量分数之间的燃烧关系可以在图6中看到。
图6 火焰前半径（），燃烧气体半径（）和燃烧的燃料质量分数（MFB）作为曲轴转角的函数。
燃烧的燃料质量分数
半径
曲轴转角
GT-Power内的SI Turb模型具有独立性每个燃烧阶段的调整因子。 最低调整这些因素中的每一个都是理想的广泛应用该模型。 需要的两个因素映射调整是火焰核增长缩放因子（FKGM）和湍流火焰速度缩放因子（TFSM）。TFSM对燃烧的影响说明如下图7.减少TFSM会减缓燃烧过程并可用于调整燃料燃烧的10-90％质量分数（MFB 10-90）。 FKGM主要影响早期火焰增长，虽然它会影响整个燃烧过程，FKGM主要用于调整0-2％（MFB 0-2）燃烧持续时间。
图7 湍流火焰速度的灵敏度扫描燃料质量分数燃烧（MFB）和热量释放率（HRR）。
气缸曲轴转角
FKGM和TFSM的最终调整图是作为EGR和发动机制
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资料编号：[1085]
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