米勒循环发动机涡轮增压器，其中的两个系统，应该如何优化？
文丨聆听娱纪
编辑丨聆听娱纪
介绍
为了满足全球范围内减少温室气体排放和提高车辆燃油经济性的日益增长的需求。
开发和实施未来火花点火式（SI）和压燃式（CI）发动机的先进技术至关重要。发动机小型化和增压正成为提高发动机效率的主流技术。
单级增压装置，如排气驱动的涡轮增压器或机械增压器，通常用于增加增压空气密度，以增加小型发动机的扭矩和功率输出。
排气驱动的涡轮增压器提取排气能量以压缩进气，这在增压条件下提供了较低的发动机燃料消耗的好处。
在瞬态车辆操纵期间具有较慢的发动机扭矩响应的限制。
机械增压器由发动机曲轴驱动，这增加了发动机在增压条件下的寄生损耗。
提供了更快的瞬态响应和降低发动机转速的潜力，以提高车辆的燃油经济性。
两级增压，如组合涡轮增压器和增压器，提供更高的压力比，以进一步增加增压空气密度和气缸中的截留质量。
它还提供了充分利用并结合涡轮增压和增压优势的机会，以提高车辆性能或降低车辆的燃油消耗。
并针对特定应用优化各种系统配置和增压器位置的各种设计选择。
在由涡轮增压器和增压器组成的复合增压系统中，当增压器位于涡轮增压器的上游时，称为增压器-涡轮增压器（SC–TC）增压系统。
例如在1.4升四缸SI发动机3、4和2.0升四缸SI发动机上实施。
当涡轮增压器位于由涡轮增压器和增压器组成的复合增压系统中的增压器上游时，它被称为涡轮增压器-增压器（TC–SC）增压系统，例如应用于CI发动机。
在CI发动机应用中，已经探索了使用涡轮增压器和增压器复合增压系统的增压系统布局和车辆燃油经济性优势。
在8级长途车辆的15 l CI发动机中，选择TC–SC配置而不是SC–TC配置。
考虑到其燃油经济性提高、增压器尺寸更小以及具有中压回路废气再循环能力的优点，8级职业车辆用13 l CI发动机和6级皮卡和送货车辆用6.7 l CI发动机。
模拟表明，与仅使用涡轮增压器的基线发动机相比，使用TC–SC两级增压系统（发动机降速）的发动机提高了燃油经济性，同时在所有三种应用中保持或提高了车辆性能。
进行建模研究是为了设计一个两级增压系统，以实现0.73升二冲程二缸CI发动机的45千瓦发动机功率目标，该发动机具有均匀充气CI燃烧。
考虑并评估了由涡轮增压器和增压器组成的复合系统的各种系统配置。
得出的结论是，关于发动机功率的最佳折衷方案，燃油消耗和硬件可行性是将低压级的固定几何涡轮增压器和高压级的机械增压器相结合的配置。
使用1.6升四缸CI发动机的发动机和车辆模拟，探索了三种不同的两级增压系统（双涡轮增压器增压系统、SC–TC增压系统和TC–SC增压系统）。
而SC–TC增压系统和TC–SC增压系统具有更快的车辆加速度。带有双涡轮增压器系统的发动机在稳态条件下显示出较低的满载油耗。
配备TC–SC增压系统或SC–TC增压系统的发动机通过降低发动机转速以减少摩擦和泵送损失，显示出显著降低的油耗。
由于增压器较小，传动比较低，TC–SC增压系统的油耗低于SC–TC系统
还研究了不同增压系统配置对小型增压汽油直喷（GDI）发动机性能和燃油经济性的影响。
对1.2升三缸GDI发动机的三种不同的两级增压系统（双涡轮增压器增压系统、SC–TC增压系统和TC–SC增压系统）进行了评估。
以使与带有单级增压系统（涡轮增压器或离合器式增压器）的1.6升四缸GDI发动机相比。
瞬态车辆模拟预测，经过进一步缩小尺寸和两级增压的三缸发动机在新欧洲驾驶循环、联邦测试程序驾驶循环和US06驾驶循环中提高了燃油经济性；特别是SC–TC系统，它提供了最大的燃油经济性优势。
除了发动机的小型化和增压之外，膨胀比的增加和稀薄燃烧是提高SI发动机效率的主要途径。
随着米勒循环发动机的先进发展和生产实施方式最近迅速增加，结果表明，具有单级增压的米勒循环发动机需要增加发动机排量，以保持与奥托循环发动机相同的发动机性能。
有必要探索和开发具有两级增压的Miller循环发动机概念，以提供更高的压力比。
从而增加增压空气密度和截留在气缸中的质量，以允许积极的Millerization和膨胀比的进一步增加。
在先前的工作中开发了一种具有两级增压和可变气门驱动的2.0升米勒循环SI发动机。
实验结果表明，使用延迟进气门关闭（LIVC）凸轮，打开持续时间比基线，以降低有效压缩比并控制爆震。
两级增压系统通过提供更高的增压比来弥补由于LIVC而减少的截留质量和发动机扭矩，使米勒循环发动机能够保持与基准单级涡轮增压发动机相同的扭矩和功率性能。
在这个研究中对2.0 l Miller循环SI发动机上的SC–TC配置进行了评估。
并针对TC–SC配置对增压器尺寸进行了优化（具有12:1的高膨胀比和40CA长持续时间的LIVC凸轮）。
目的是探索和确定在2.0升米勒循环发动机上实施涡轮增压器和增压器复合增压系统的最佳系统布局和增压器尺寸，以最大限度地提高车辆的燃油经济性。
实验装置
在这个研究中，考虑并评估了由涡轮增压器和增压器组成的复合增压系统的各种设计方案，用于2.0升火花点火式直喷（SIDI）米勒循环发动机。
米勒循环发动机是在四缸涡轮增压生产发动机的基础上开发的，该发动机配备了双独立凸轮相位器和双涡旋单级涡轮增压器。
表1列出了详细的发动机技术规格。
通过重新设计活塞顶几何结构，米勒循环发动机的几何压缩比（CR）增加到120:1。
为了实现12.0:1的高几何压缩比，必须降低有效压缩比，以避免异常燃烧，包括在较高发动机负载下的过度爆震和预燃。
LIVC凸轮策略使用长时间进气凸轮来显著延迟进气门关闭，这被证明可以显著降低爆震抑制的有效压缩比，并使燃烧阶段显著提前。
图1比较了基准进气凸轮和40 CA较长持续时间的LIVC凸轮的凸轮轮廓。
基线进气凸轮的气门开度为231 CA，峰值气门升程为10.3 mm。
如图所示，40 CA较长持续时间的LIVC凸轮保持了与基线凸轮相同的斜坡上升和斜坡下降轮廓以及相同的峰值升程。
但它在其峰值升程处增加了40 CA的停留时间，因此其总进气持续时间比基线凸轮长40 CA。
采用LIVC凸轮降低爆震抑制的有效压缩比；但是截留质量和发动机扭矩显著降低。
为了实现与基准发动机相同的发动机输出，需要向发动机提供更多的增压。
在这个研究中，为米勒循环发动机设计了TC–SC增压系统和SC–TC增压系统，并对它们的性能和效率进行了评估和比较。
使用AVL AMA i60排气测量系统连续测量所有气体排放60 s，并使用AVL 415S烟度计在排气尾管处测量烟雾排放三次；使用平均数据进行分析。
进气空调系统和中冷器空调系统用于将进气温度、湿度和压力保持在所需值。在发动机试验之前，每天（上午和下午）在选定的发动机工作点进行标准测试。
不仅如此，他们还分析了实验不确定度和测量中的标准误差，以确保结果准确且可重复。
结果与讨论
这个研究的目的是优化涡轮增压器和增压器复合增压系统的设计，以获得2.0升四缸米勒循环发动机的最佳性能和最佳效率。
对TC–SC系统布局和SC–TC系统布局进行了评估和比较，针对米勒循环发动机优化了每个系统布局的各种增压器选项。
重点研究了发动机转速在1000–3000 r/min范围内的发动机工况，因为当发动机转速高于3000 r/min时，离合器增压器会关闭。
针对每种情况进行全凸轮相位优化，以最小化BSFC。凸轮优化结果表明，当进气凸轮相位（ICP）延迟时，摩擦平均有效压力（增压器功）增加。
因为需要更高的进气压力，增压器必须更加努力地工作并消耗更多的功率。
当由于较高的进气压力而使ICP延迟时，泵送平均有效压力也增加。50%燃烧质量分数（CA50）下的曲柄角可以提前，因为具有延迟ICP的LIVC效应更大。
当ICP提前和/或排气凸轮相位延迟时，有更多的扫气，但它受到催化剂温度的限制。
在平衡所有影响后，为具有可接受的CA50和指示平均有效压力的变化系数的最低BSFC选择最佳凸轮正时。
在所有情况下，发动机都被控制为废气中的化学计量，涡轮增压器在其喘振极限内运行。
图25显示了在1000–3000 r/min满负荷发动机工况下，使用带两个中冷器和一个中冷的TC–SC增压系统，V250增压器出口处模拟增压空气温度的比较。
不出所料，增压器压缩后，增压器出口处的空气温度升高。
在TC–SC增压系统中使用两个中冷器时，增压器出口的最高空气温度为122℃。
使用单个中间冷却器时，由于增压器入口的温度较高，增压器出口处的空气温度通常变得更高，并在198℃达到峰值。
当具有更先进ICP的单个中冷器以2000–3000 r/min的速度使用时，可以在具有单个中冷的TC–SC增压系统中将增压器出口温度控制在170℃。
如前所述，在TC–SC增压系统中，有可能使用位于增压器后面、进气节气门正前方的单个中冷器来降低系统复杂性。
但ICP需要在2000–3000 r/min时更先进，以降低增压器所需的增压，从而将增压器的工作温度控制在硬件保护范围内。
单个中冷器与高级ICP一起使用时，增压器功耗在2000–3000 r/min时显著降低（见图26），从而降低了发动机油耗，如图27所示。
另一方面，LIVC凸轮的ICP的提前增加了有效压缩比并延迟了爆震受限的CA50，而增压器增压的减少减少了发动机负载并有助于CA50的提前。
使用单一中间冷却器设计的权衡需要在未来的实验中进行评估。
总结和结论
本文介绍了复合增压系统的设计优化，该系统由涡轮增压器和增压器用于2.0升四缸米勒循环发动机，该发动机具有12.0:1的高膨胀比和可变气门驱动。
对各种系统配置和各种增压器尺寸进行了数值和实验评估，以降低增压器功率消耗和发动机燃料消耗，同时在稳态条件下保持相同的发动机扭矩性能。
这个研究的主要结论总结如下：
在2.0 l Miller循环发动机评估的所有涡轮增压器和增压器复合增压系统选项中，配备V400增压器的TC–SC增压系统显示出最高的油耗。
最初选择V400增压器是因为其卓越的瞬态性能；它的大尺寸导致了显著的增压器功率消耗和在高发动机负载下的高旁通空气流量。
配备V400增压器的SC–TC增压系统在增压条件下的平均发动机油耗比配备相同V400增压机的TC–SC增压系统低2.8%；这是通过发动机循环模拟预测并通过实验验证的。
当增压器被放置在涡轮增压器的上游时，增压器入口压力较低，通过增压器的总质量流量降低，这降低了增压器的功耗和旁通空气流量。
与配备V400增压器的TC–SC增压系统相比，配备较小增压器（R340或V250）的TC–增压系统的发动机效率分别显著提高了3.3%或5.0%。
随着增压器尺寸的减小，通过增压器的空气质量流量变低，从而最大限度地降低了增压器的功耗。
增压器被缩小尺寸，以实现更好的燃油经济性，同时在稳态满载条件下保持相同的发动机性能，这可能会导致发动机响应和瞬态操作期间的扭矩积累时间恶化。
根据模拟结果，在2.0 l Miller循环发动机（CR为12.0:1，使用40 CA长持续时间的LIVC凸轮）评估的所有涡轮增压器和增压器复合增压系统选项中，配备V250增压器的TC–SC增压系统在满载条件下实现了最低的发动机油耗。
TC–SC增压系统考虑采用单一中冷器设计，以降低系统复杂性。
仿真结果表明，使用先进的ICP可以将增压器的工作温度控制在硬件保护范围内，以降低增压器的增压和2000–3000 r/min的功耗；这需要通过实验评估进行优化和验证。
这个研究定义了在2.0升米勒循环SI发动机上实施涡轮增压器和增压器复合增压系统的最佳系统布局和增压器尺寸。
这样才能以最大限度地提高车辆的燃油经济性，同时保持相同的扭矩性能。