为了满足世界各地越来越严格的排放法规,OEM厂商正转向小型的火花点火内燃机。虽然这些小型发动机消耗的燃料更少,排放也明显更低,但它们需要增压进气系统才能达到驾驶者期望的现代乘用车的性能。

这些小型涡轮发动机的驾驶性能必须至少等于他们的自然吸气等量的性能。这需要在发动机低速时充分增压,而不需要在高速时耗尽蒸汽,这只能通过一个复杂的增压控制系统来实现。

这些强制增压内燃机的主要问题是精确控制在不同增压压力下接近化学计量值的空气燃料比。低速时,这些发动机在中等到高负荷下容易发生爆震。

现代压力控制系统

控制涡轮侧旁路是增压控制的最简单形式。

一旦达到特定的增压压力,部分废气流就会通过旁路绕过涡轮。弹簧加载膜片通常操作废液门,根据增压压力开启或关闭旁路。

近来,制造商已经转向改变涡轮形状来调节增压压力。这种可变的几何形状允许涡轮流动截面的变化,以匹配发动机的运行参数。

在发动机低转速时,通过关闭导叶来减小流动截面。增压压力和发动机扭矩增加的结果更高的压降之间的涡轮进口和出口。在从低速加速时,叶片打开并适应相应的发动机要求。

通过调节每个工作点的涡轮流动截面,可以优化废气能量,从而使涡轮增压器的效率和发动机的效率都高于旁路控制。

今天,电子增压调节系统越来越多地应用于现代火花点火汽油发动机。与只能作为满载压力限制器的纯气动控制相比,灵活的增压压力控制可以实现最佳的部分负载增压压力设置。

叶片的操作受到可调控制压力,而不是增压的影响。

仿真降低了生产和研发成本

面对过多的复杂变量,制造商在设计和测试阶段转向了仿真。

小型化涡轮增压发动机需要克服的一个重大障碍是,离心式压缩机在高增压压力下稳定运行的范围太窄。

建立有效的仿真模型的唯一方法是通过广泛的实地测试。这种试验主要是在气候实验室的发动机测功器上进行的。

在大开和部分节气门时,会记录以下压力信息:

  • 进气歧管压力
  • 增压
  • 气压

当然,所有这些都与发动机温度(冷却液和油)集成,以获得发动机在整个发动机转速范围内的性能表现。

在测试过程中,工程师注意到任何性能异常都是很重要的,因为特定发动机转速下的排气脉冲等事件可能会产生驻波,从而在某个临界频率激发叶轮,从而降低涡轮的寿命,甚至导致灾难性故障。

因此,压缩机和涡轮的压力测量性能对于建立精确的外推模型进行仿真是至关重要的。

一个好的仿真工具在压力测试完成后可以节省OEM厂商在测功机和道路测试中的时间和金钱。