涡轮增压系统是发动机领域内强化升功率、改善燃油经济性、降低排放和恢复发动机高原动力性的有效技术措施。涡轮增压技术的出现很好地解决了工程师们对发动机动力性、经济性和排放等性能指标的要求。但是，增压器方案的选择，除了要考虑发动机和增压器本身的性能外，还需要考虑发动机和增压器是否匹配，能否达到最佳效果。本文在AVL-BOOST软件平台对某柴油机发动机的多款增压器方案匹配问题进行研究。

模型搭建与校核

在AVL-BOOST软件中根据发动机各零部件的实际几何尺寸以及空滤器、中冷器、增压器等元件特性参数搭建四缸增压柴油机的一维热力学模型，如图1所示。环境气体从边界SB1 吸入，通过管1 到空滤器CL1，再通过管2将气体引入压气机，压气机后通过管3连接中冷器CO1，中冷器后再通过管6连接节气门，出来再通过管8、40进入进气歧管的谐振腔PL1。

图1  发动机热力学模型

管子9、10、21、22、26、27、31、32代表进气道，通过气道将空气引到气缸C1～C4。管子11、12、13、23、24、25、28、29、30、33、34、35代表排气道，14、15、16、17、18、19、20、36代表排气歧管，通过歧管将废气引到涡轮机，涡轮机后通过管4连接催化器CAT1，然后经管5连接腔体PL2，最后经管7连接出口边界SB2。

根据台架测试外特性试验数据对一维热力学模型进行校核，使功率、转矩、比油耗和进气量等关键指标与试验数据吻合，标定结果如图2所示，且计算值与试验值差值均小于3%，关键点小于2%，证明该模型精度满足要求，可适用于后续热力学预测。

图2   热力学模型标定结果

 增压器匹配仿真分析

本文主要对三款不同的增压器方案（方案一、方案二和方案三）进行匹配计算，匹配计算时保持发动机的动力性和压气机压比以及EGR阀开度不变，将三种增压器方案对应的map数据迭代到已经标定的热力学模型中进行仿真预测，对比比油耗、进气量和过量空气系数等热力学结果，并对比三款增压器匹配运行状态，为增压器的选型提供指导和建议。

1.热力学结果分析

三款增压器方案进行匹配计算时，保持相同的进排气计算边界，在相同动力性和压比的情况下，三款增压器方案对应的热力学结果如图3所示。

图3  三款增压器方案对应的热力学结果

（1）在相同动力性和相同压比情况下，三款增压器进气量基本一致；比油耗方面，方案二最差，方案三最好，比油耗与涡前压力相关，且成正比，通过对比涡前压力结果，可以得到验证，方案二涡前压力最高，方案三最低；过量空气系数与新鲜进气量和喷油量相关，在新鲜进气量相同的情况下，比油耗最高的方案二对应的过量空气系数最小，比油耗最低的方案三对应的过量空气系数最大。

（2）三款增压器匹配运行结果显示：方案二压气机转速在全转速（1 000～2 900 r/min）范 围内均高于方案一和方案三增压器；方案三压气机转速在低转速范围（1  000～1 800 r/min）与方案一增压器转速 基本一致，中高转速（2 000～2 900 r/min）稍高于方案一增压器；方案三增压器总效率均高于方案二和方案一增压器。

2.增压器匹配分析

判断压气机匹配是否合格时，主要关注以下几点：发动机工况点尽可能运行在高效率线附近；低速区匹配运行线不能超出喘振线；高速区匹配运行线不能超出阻塞线；增压器转速不能超出其最大转速。图4为三款压气机匹配运行线。

图4  三款增压器map匹配运行线

方案一：低转速靠近喘振线，中高转速未匹配到高效率区，效率偏低，高转速远离增压器的最大转速线和阻塞线；

方案二：低转速距离喘振线有一定裕度，中高转速靠近高效率区，高转速远离增压器的最大转速线和阻塞线；

方案三：低转速距离喘振线有一定裕度，中高转速穿过高效率区，高转速远离增压器的最大转速线和阻塞线。

由热力学结果和增压器匹配分析结果可知：在动力性相同的情况下，方案三增压器对应的经济性最优，过量空气系数最大（一般来说，过量空气系数越大，排放越好）；方案三增压器总效率均高于方案二和方案一增压器；方案三与压气机匹配原则最吻合：低转速距离喘振线有一定裕度，中高转速穿过高效率区，高转速远离增压器的最大转速线和阻塞线。因此，方案三增压器的综合表现更好。

结论

本文基于AVL–­BOOST软件搭建了发动机热力学模型并根据台架测试数据进行模型标定，模型精度满足要求，可适用于后续热力学预测。
在动力性相同的情况下，三种方案中，方案三的增压器对应的经济性最优，过量空气系数最大（一般来说，过量空气系数越大，排放越好）；方案三的增压器总效率均高于方案二和方案一的增压器功率。

方案三与压气机匹配原则最吻合：低转速距离喘振线有一定裕度，中高转速穿过高效率区，高转速远离增压器的最大转速线和阻塞线。
基于以上分析结果，方案三的增压器表现更好，与该款柴油机匹配最好。