基于AMEsim的涡轮增压系统分析

摘要：涡轮增压系统是提升发动机动力和输出特性的一种机械装置，本文以AMEsim为开发平台，建立四缸涡轮增压型发动机，深入分析涡轮增压机工作原理及发动机输出特性。

关键词：涡轮增压系统；AMEsim；发动机；输出特性

中图分类号：TK413.5 文献标识码：A文章编号：

1.AMEsim概述

LMS Imagine.Lab AMESim(以下简称AMEsim)为多学科领域复杂系统建模仿真平台。它集合了电子、液压、气动于一体，综合开发出机械库、信号控制库、液压元件库、发动机库、传动系统库等数十个专业应用库；用户可以利用其图形化的操作界面开发符合用户需要的各类专业系统，并在此基础上进行模拟仿真。AMEsim使工程师能够迅速建模仿真以分析和优化设计，从而降低了开发成本和缩短了开发周期。

2. 四缸涡轮增压发动机建模

在本次研究中，调用AMEsim中Mechaanical库、IFP Engine库和Signal and Control库建立如图1所示的系统方案图。采用优先子模型设置，为各个部件设置好子模型；设置仿真时间为4秒。

图1

3. 仿真运行结果分析

3.1燃烧室气体压力分析

本次研究主要用来评估涡轮增压发动机的尾气排放特性，燃料在燃烧室中的燃烧可以近似的用wiebe方法处理，它采用一个代数形式来表示燃烧热流量。研究将发动机转速恒定控制在3000rpm，故发动机相位角会呈线性增加状态。图2所示为气缸中气体密度曲线，显现地，约在1.5秒开始，气缸气体密度显著增加，从2.5kg/m**3增加至12.0 kg/m**3，压力提升为原来5倍。

图2 气缸压力

3.2 供油系统分析

普通内燃机都存在燃烧零点现象，即由燃烧室进气量控制燃料输入，在节气门100%打开情况下，达到燃烧零界状态后，汽车扭矩输出也将保持稳定。在此情况下分析供油系统供油状态，如图3所示，供油系统在稳态基础上增加供油量，使燃气比达到引擎要求比值，使燃烧持续运行。涡轮增压系统能提供给汽车更强劲的动力输出。

图3供油系统

3.3 发动机输出特性分析

如图4所示，在1.5秒启动涡轮增压系统后，发动机扭矩输出也显著提升，发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的，输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制，所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态（燃烧零界状态），再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量，提高燃烧作功能力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是惟一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。 涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，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，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮也相应压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，以此来增加发动机的输出功率。

图4 发动机输出特性

4. 结论

发动机涡轮增压系统能克服普通内燃机存在的燃烧零点现象，在发动机节气门100%开启情况下，普通发动机采用吸气燃烧，受气缸容量限制，吸入气体容量存在最大状态，在此状态下，供油受气量限制，所以动力输出也存在最佳状态。而采用涡轮增压系统，涡轮增压器能利用引擎排出的高压气体带动叶轮做功，使空气经过压缩后进入气缸，缸内气体密度和燃烧面积增大，以使供油系统输入更多燃料供引擎提升功率和扭矩。故涡轮增压系统是在不改变发动机原有结构的基础上提升发动机性能的机械装置。

参考文献：

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作者简介：

胡宏伟（1990-），男，汉族，四川大英人，本科，西华大学机械学院学生。研究方向：机械设计制造