車用柴油機瞬態(tài)工況試驗及性能評價方法

張龍平，劉忠長，田徑，許允

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林長春130025)

車用發(fā)動機大部分時間都是運轉(zhuǎn)在瞬態(tài)工況中，即轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)常發(fā)生變化，所謂瞬態(tài)工況包括:轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都隨時間變化;定轉(zhuǎn)速變扭矩工況;定扭矩變轉(zhuǎn)速工況;起動工況;停車工況等工況模式。而目前大部分發(fā)動機的研發(fā)和標定工作是基于穩(wěn)態(tài)工況開展的，隨著車用排放法規(guī)對瞬態(tài)排放的要求日益嚴格，瞬態(tài)工況下柴油機的性能劣變程度及優(yōu)化問題成為了研究的重點[1-3]。

國內(nèi)外大量的研究結果表明[4-11]:與穩(wěn)態(tài)工況相比，瞬態(tài)工況下發(fā)動機的性能會出現(xiàn)明顯的劣化，發(fā)動機的油耗、煙度以及CO排放急劇升高，而造成發(fā)動機瞬態(tài)工況下性能劣變的主要原因是由于供氣量延遲而導致缸內(nèi)的燃燒惡化，油耗和排放增加。但發(fā)動機瞬態(tài)研究成果大多是定性或者趨勢性的分析其惡化的現(xiàn)象，缺乏對其劣變的具體大小提出明確的量化指標。而對發(fā)動機瞬變性能的劣變程度做出清晰的評價有助于研究者對發(fā)動機的瞬變性能以及不同優(yōu)化控制策略的優(yōu)劣情況做出快速、準確的判斷。

為此，本文對一臺重型車用增壓柴油機開展了不同瞬變時間加載過程的試驗分析，探討性的提出了用以表征瞬變過程中發(fā)動機性能參數(shù)延遲程度的評價指標——“滯后系數(shù)”和評價發(fā)動機瞬變性能惡化的評價指標——“劣變系數(shù)”以及衡量整個瞬變過程發(fā)動機瞬變綜合性能的“瞬變總量”和“瞬變平均值”，力求全面、清晰的對發(fā)動機瞬變性能做出評價。

1 發(fā)動機瞬態(tài)工況及試驗方法

1.1 發(fā)動機瞬態(tài)測試工況分析

所謂瞬態(tài)工況包括:扭矩和轉(zhuǎn)速都隨時間變化的工況、定轉(zhuǎn)速變扭矩工況;定扭矩變轉(zhuǎn)速工況;起動工況;停車工況。分析ETC瞬態(tài)測試循環(huán)可知，其循環(huán)分辨率為1 s(即每1 s即變換一個工況，其工況的變化幅度很大)，測試循環(huán)的總時間為1 800 s且必須使用瞬態(tài)測試系統(tǒng)。但是，在發(fā)動機研發(fā)、標定過程中，若每做一次參數(shù)的改變即采用ETC測試循環(huán)驗證標定的正確性和最優(yōu)性需要耗費大量的人力和財力，幾乎成為了不可能實現(xiàn)的任務。

賀淑超等人[12]根據(jù)ETC測試循環(huán)中所有工況的瞬變性，得出了各類工況在整個測試循環(huán)中的權重，如圖1所示。

圖1 ETC測試循環(huán)中各類工況所占百分比Fig.1 Percentage of all operation conditions in the European Transient Cycle

可以得出，在ETC測試循環(huán)中恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況和穩(wěn)態(tài)工況所占的比例最大，分別達到了42.66%和30.22%，而恒扭矩變轉(zhuǎn)速工況占10.55%。如果除去穩(wěn)態(tài)工況，恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況的時間比例更高達61.13%，因此，它是ETC測試循環(huán)中最重要的瞬態(tài)工況。

恒轉(zhuǎn)速變扭矩瞬態(tài)工況包括恒轉(zhuǎn)速增扭矩和減扭矩2種工況且二者權重相當，根據(jù)前期試驗結果顯示，瞬變過程中發(fā)動機性能惡化主要發(fā)生在加載過程，而在降負荷階段發(fā)動機性能甚至優(yōu)于穩(wěn)態(tài)(見圖2所示，以煙度排放為例，因為瞬態(tài)工況下煙度變化最敏感)，因此，本文以恒轉(zhuǎn)速增扭矩的瞬態(tài)工況作為試驗工況，以驗證評價指標的適用性。

圖2 發(fā)動機恒轉(zhuǎn)速(1 650 r/min)變扭矩瞬態(tài)工況下的煙度排放Fig.2 Engine smoke emission under constant speed(1 650 r/min)changing torque transient operation conditions

1.2 瞬態(tài)工況試驗方法

對于完整的ETC瞬態(tài)循環(huán)的測試或研究，要求試驗臺架必須具有高響應性能和反拖能力的電力測功機及其他高響應高精度的測試設備。但是，根據(jù)上述分析，在實際的研究過程中可以按照瞬態(tài)工況的特性將ETC循環(huán)簡化為可用普通電渦流測功機測量的幾個重要的穩(wěn)態(tài)工況和幾個典型的瞬態(tài)工況(如恒轉(zhuǎn)速、恒扭矩工況，其中恒轉(zhuǎn)速增扭矩工況最為重要)的測試方法，從而極大的簡化瞬態(tài)工況的研究過程、降低研究成本且使研究策略更具針對性。

典型的瞬態(tài)工況測試平臺的示意圖如圖3所示，該試驗平臺采用瞬態(tài)油門電壓控制器精確調(diào)節(jié)油門電壓信號，同時配合具有恒轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)矩控制的電渦流測功機可實現(xiàn)ETC瞬態(tài)測試循環(huán)中發(fā)動機典型且權重較大的恒轉(zhuǎn)速和恒扭矩瞬態(tài)工況。測量系統(tǒng)采用具有高響應速率傳感器和測試設備及高速A/D采集卡(毫秒級精度)，實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油量、缸內(nèi)燃燒參數(shù)、進氣流量、消光式煙度、進排氣壓力及溫度和尾氣排放等參數(shù)的實時測量和采集。另外，利用ECU采集噴油量，同時與油耗儀測量值相互校正，可以大大提高燃油消耗量的測試精度和響應速度。

筆者所用的發(fā)動機是一臺高壓共軌、增壓中冷柴油機，其主要參數(shù)見表1所示。恒轉(zhuǎn)速增扭矩的瞬態(tài)工況保持轉(zhuǎn)速(1 650 r/min)不變，油門從該轉(zhuǎn)速下的零負荷勻速增加到滿負荷，加載時間分別為3、5、7和10 s，具體的瞬變加載策略如圖4所示。

圖3 瞬態(tài)試驗測控平臺示意圖Fig.3 Schematic of diesel engine testing bench

表1 試驗發(fā)動機基本參數(shù)Table 1 Diesel engine specifications

圖4 瞬變過程負荷加載策略示意圖Fig.4 Schematic of loading strategies

2 柴油機瞬態(tài)工況性能評價

2.1 柴油機瞬態(tài)工況動態(tài)響應評價

文獻資料[6]及前期的試驗結果表明，在瞬態(tài)工況下，由于增壓器以及缸壁熱力狀態(tài)相對供油量延后導致發(fā)動機瞬態(tài)性能惡化以及其他性能參數(shù)響應滯后。因此，為了客觀的評價瞬態(tài)工況中各性能參數(shù)的響應速率，作者以油量響應時間作為標準(因為噴油量代表發(fā)動機的工況，并且受操作者直接控制)，定義了“滯后系數(shù)”這一評價指標，所謂“滯后系數(shù)”就是某性能參數(shù)的響應時間以供油響應時間作為標準值的相對偏差:

式中:δ為某參數(shù)的滯后系數(shù)，tx為某性能參數(shù)的響應時間，tf為供油的響應時間。

當滯后系數(shù)小于零時，表示該性能參數(shù)的響應速度比供油響應速度快;當滯后系數(shù)為零時，表示該性能參數(shù)與供油的響應速率一致;當滯后系數(shù)大于零時，表示該性能參數(shù)的響應速度慢于供油響應速率，且值越大，表示該性能參數(shù)的響應越慢。

以性能參數(shù)響應到最大值的90%時為例，分析發(fā)動機主要性能參數(shù)的滯后系數(shù)這一評價指標隨加載時間的變化規(guī)律，見圖5所示(其他響應點，如50%，評價和分析方法類似)。相同加載時間下扭矩、進氣量和NOx的滯后系數(shù)依次增大。扭矩響應最快，這是由于扭矩的響應速度主要依靠噴油響應速度，以及缸內(nèi)燃燒決定，且二者的響應時間都可以達到循環(huán)級的響應速率。進氣量的響應速率則主要依靠增壓器的動態(tài)響應性能，同時還受進排氣管的容積、氣體可壓縮性的影響，因此，其滯后系數(shù)較供油量增大。由于每循環(huán)的進氣量與壓縮終點的壓力直接相關，從而影響缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力，所以Pmax與進氣量的滯后系數(shù)幾乎一致。而NOx的排放需要在以上參數(shù)以及缸壁熱力狀態(tài)響應接近完成才能達到穩(wěn)定，因此NOx的滯后系數(shù)最大，其中加載時間為3 s時 NOx的滯后系數(shù)最大，達到了3.06。

另外，各參數(shù)的滯后系數(shù)隨加載時間的增加而減少，這是因為同轉(zhuǎn)速下，隨著加載時間的增加，發(fā)動機具有更多的時間克服增壓器的延遲以及缸壁的熱慣性現(xiàn)象，降低了瞬變過程中供氣和缸內(nèi)熱力參數(shù)相對供油速率的延遲程度，從而使各參數(shù)的滯后系數(shù)減小，發(fā)動機的燃燒和排放性能得到優(yōu)化。

圖5 油量響應到90%，主要性能參數(shù)滯后系數(shù)對比Fig.5 Comparison of lag coefficients during different transient operations when the fuel consumption response to 90%maximum

2.2 柴油機瞬態(tài)工況性能劣變評價

由于在加載過程中發(fā)動機的性能存在明顯的劣變，其中主要包括AFR降低，比油耗、煙度及CO排放急劇增加，燃燒相位延后等劣變現(xiàn)象，但NOx排放降低[1-8]。為了量化各性能參數(shù)的劣變程度，提出利用“劣變系數(shù)”評價發(fā)動機在加載過程中性能劣變的程度，所謂“劣變系數(shù)”就是某性能參數(shù)的瞬態(tài)值以穩(wěn)態(tài)值作為標準值的相對偏差的絕對值:

式中:ψ為某性能參數(shù)的劣變系數(shù)，μt為某性能參數(shù)在瞬態(tài)工況下的值，μs為某性能參數(shù)在相同噴油量條件下穩(wěn)態(tài)工況的值。

當劣變系數(shù)等于零時，表示該性能參數(shù)在瞬變過程中沒有發(fā)生劣變，且劣變系數(shù)越大，表示發(fā)動機瞬變性能惡化越嚴重。由于在瞬變過程中NOx排放沒有發(fā)生劣變，因此，劣變系數(shù)不對該性能參數(shù)進行評價。同樣，以瞬變過程中90%滿負荷時主要性能參數(shù)的劣變系數(shù)為例，分析總結了劣變系數(shù)隨加載時間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 90%滿負荷下發(fā)動機主要性能參數(shù)劣變系數(shù)對比Fig.6 Comparison of deterioration coefficients during different transient operations under 90%full load

可以得出，在瞬態(tài)工況下，隨著加載時間的減小，各性能參數(shù)的劣變系數(shù)越大;這是由于隨著加載時間的減少，供油速率增快，供氣速率相對供油速率的滯后系數(shù)增大(見圖5)，造成空燃比下降越快，從而導致燃燒質(zhì)量下降，比油耗、煙度和CO的劣化系數(shù)也隨之逐漸增大，其中煙度和CO的劣變現(xiàn)象最明顯。

2.3 柴油機瞬態(tài)工況性能綜合評價

為了綜合評價整個瞬變過程發(fā)動機的性能情況，本文提出了“瞬變平均值”這一評價指標，所謂“瞬變平均值”就是某性能參數(shù)在整個瞬變過程的積分值(也稱“瞬變總量”)與加載時間的比值，見式(3)～(5)，其評價點著眼于整個瞬變過程。

在瞬態(tài)工況下，隨著加載時間的增大燃油的瞬變總量增加，但是瞬變平均值減少;碳煙和CO排放的總量和平均值都隨之降低，而NO的趨勢則剛好相反，如圖7所示。

圖7 發(fā)動機主要性能參數(shù)瞬變總量和瞬變平均值變化規(guī)律Fig.7 The variation of“transient total”and“transient average”

隨著加載時間的減小，發(fā)動機的比油耗、煙度及CO的劣化程度增加(如圖6所示)，因此，在各自的加載過程中各性能參數(shù)的瞬變平均值隨加載時間的減小而增大;但對于整個加載過程，燃油消耗總量和總排放量還與累積時間有關，所以隨加載時間的減少，雖然比油耗的瞬變平均值增大，但是由于加載過程短且比油耗的劣變系數(shù)較小，因此，總燃油消耗量則隨加載時間的減小而減少。

但CO和煙度排放隨著加載時間的減小其劣化程度成倍增加(見圖6(b))，即使在較短的瞬變過程中，也會因為劣變程度過大造成總排放隨之增大。在瞬變過程中NOx的排放降低，且隨加載時間的減少而降低，因此，隨著加載時間的減少，NOx的瞬變總量和瞬變平均值都減小。

綜上所述，對于整個加載過程而言，瞬變越快雖然會造成碳煙和CO排放的瞬變總量增大，但是燃油和NOx的瞬變總量卻隨之降低。因此，瞬變過程中的加載速度、總燃油耗量及NOx總排放量與碳煙和CO總排放量存在明顯的折衷關系。

3 結論

1)發(fā)動機恒轉(zhuǎn)速增扭矩的工況可以作為瞬態(tài)研究的典型工況且能通過普通的電渦流測功機實現(xiàn)工況控制，能降低研究成本。

2)滯后系數(shù)、劣變系數(shù)、瞬變總量及瞬變平均值4個評價指標能較全面、清晰的判斷出整個瞬變過程柴油機的性能優(yōu)劣情況。

3)滯后系數(shù)和劣變系數(shù)能對瞬變過程中柴油機性能參數(shù)的延遲和惡化程度做出直觀的評價，隨著加載時間的減小，各性能參數(shù)的滯后系數(shù)和劣變系數(shù)逐漸增大。

4)由瞬變總量可以得出，對于整個加載過程而言，加載速度、總燃油耗量及NOx總排放量與碳煙和CO總排放存在明顯的折衷關系，值得深入研究。

[1]RESCH T，KIARZN B.Analysis of engine dynamics under transient conditions[C]//[S.l.]:SAE Paper，2004.

[2]KANG H，F(xiàn)ARRELL P.Experimental investigation of transient emissions(HC and NOx)in a high-speed direct injection(HSDI) diesel engine [C]//[S.l.]:SAE Paper，2005.

[3]SERRANO J R，ARNAU F J.Methodology for characterisation and simulation of turbocharged diesel engines combustion during transient operation[J].Applied Thermal Engineering，2009，29(1):142-149.

[4]RAKOPOULOS C D，RAKOPOULOS D C，KYRITSIS D C.Development and validation of a comprehensive two-zone model for combustion and emissions formation in a DI diesel engine [J].International Journal of Energy Rsearch，2003(27):1221-1249.

[5]韓永強，劉忠長，劉曉明，等.柴油機恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況的燃燒過程分析及其對煙度的影響[J].燃燒科學與技術，2004，10(1):23-27.HAN Yongqiang，LIU Zhongchang，LIU Xiaoming，et al.Effect of combustion parameters on diesel engine smoke opacity under constant speed and increasing torque transient operating condition[J].Journal of Combustion Science and Technology，2004，10(1):23-27.

[6]隋菱歌.增壓柴油機瞬態(tài)工況性能仿真及優(yōu)化[D].長春:吉林大學，2012:93-109.SUI Lingge.Simulation and optimization of turbo-charged diesel engine performance under transient operations[D].Changchun:Jilin University，2012:93-109.

[7]GULLETTA B K，TOUATIB A，OUDEJANSB L，et al.Real-time emission characterization of organic air toxic pollutants during steady state and transient operation of a medium duty diesel engine[J].Atmospheric Environment，2006，40(22):4037-4047.

[8]NILSSON T，F(xiàn)ROBERG A，ASLUND J.Optimal operation of a turbocharged diesel engine during transients[C]//[S.l.]:SAE Paper，2012.

[9]GLEWEN W，HEVWETTER D ，F(xiàn)OSTER D，et al.Analysis of deviations from steady state performance during transient operation of a light duty diesel engine[C]//Detroit:SAE Paper，2012-01-1067.

[10]RAKOPOULOS C D，DIMARATOS A M，GIAKOUMIS E G，et al.Evaluation of the effect of engine load and turbocharger parameters on transient emissions of diesel engine[J].Energy Conversion and Management，2009，50(9):2381-2393.

[11]沈照杰，劉忠長，田徑，等.高壓共軌柴油機瞬變過程試驗與模擬分析[J].內(nèi)燃機學報，2013，31(5):407-413.SHEN Zhaojie ，LIU Zhongchang，TIAN Jin，et al.Simulation and experiment of DI diesel engine under transient operations[J].Transactions of CSICE，2013，31(5):407-413.

[12]賀淑超.車用增壓柴油機瞬態(tài)過程仿真及分析[D].長春:吉林大學，2009:3-10.HE Shuchao.Simulation of automobile turbocharged diesel engine under transient operating conditions[D].Changchun:Jilin University，2009:3-10.