渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量建模研究

熊興旺 高鑫磊 于津濤 高俊華

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，北京 100176）

渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量建模研究

熊興旺 高鑫磊 于津濤 高俊華

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，北京 100176）

利用增壓柴油機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將用于計(jì)算增壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定，建立增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量估算模型。通過(guò)ESC和ETC試驗(yàn)分別進(jìn)行增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況與動(dòng)態(tài)工況模型預(yù)測(cè)流量與實(shí)測(cè)流量的對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，模型中兩擬合公式結(jié)合使用，相對(duì)誤差在（-10%,+10%）范圍內(nèi)；瞬態(tài)工況時(shí)，模型預(yù)測(cè)流量相對(duì)于試驗(yàn)流量的跟隨性都較好，在瞬態(tài)小流量工況時(shí)選用一次擬合關(guān)系式計(jì)算效果更好。

1 前言

柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量對(duì)于研究渦輪增壓柴油機(jī)的工作過(guò)程與渦輪增壓器的選型匹配至關(guān)重要[1]。目前柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量的建模主要從能量守恒和質(zhì)量守恒角度展開[2]，從根據(jù)理想氣體方程并考慮充氣效率、掃氣系數(shù)等參數(shù)的影響對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣流量估算[3]角度展開，針對(duì)增壓器、中冷器、EGR等子系統(tǒng)的全部[4]或一部分[5]進(jìn)行建模。這些建模方法為了獲得相對(duì)較高的計(jì)算精度，一般考慮的影響因素較多，模型較復(fù)雜，模型中需要標(biāo)定的參數(shù)較多。實(shí)際應(yīng)用中由于不同柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式不同（比如有無(wú)EGR），影響了模型的可移植性。

以前的研究中擬合得到了增壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)混合氣進(jìn)氣流量關(guān)于轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力、節(jié)氣門開度等參數(shù)的兩個(gè)關(guān)系式[6]。本文在一臺(tái)增壓柴油機(jī)上進(jìn)行外特性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)兩擬合公式中的系數(shù)重新標(biāo)定，建立增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量估算模型。根據(jù)GB17691—2005[7]標(biāo)準(zhǔn)在同一臺(tái)增壓柴油機(jī)上又進(jìn)行ESC試驗(yàn)和ETC試驗(yàn)，分別獲取穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與模型預(yù)測(cè)流量值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)臺(tái)架與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為采用分流過(guò)濾器（PFF）+DOC技術(shù)路線、滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的高壓共軌增壓中冷柴油機(jī)，其參數(shù)如表1所列。

試驗(yàn)中采用AVL公司DynoRoad 204/8 Sx型交流電力測(cè)功機(jī)，最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩934 N?m，額定吸收功率220 kW，轉(zhuǎn)速誤差±0.1%，轉(zhuǎn)矩誤差為滿量程的±0.4%。采用AVL T-06AMFM1200A型空氣流量計(jì)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣流量，測(cè)量范圍0～1 200 kg/h，測(cè)量精度±1%，響應(yīng)時(shí)間12 ms。采用AVL T-06ACM1600A.A001型進(jìn)氣調(diào)節(jié)單元對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)氣壓強(qiáng)控制精度（穩(wěn)態(tài)）為±0.1 kPa；溫度控制精度（穩(wěn)態(tài)）為±0.5℃；濕度控制精度（穩(wěn)態(tài)）為±3%相對(duì)濕度。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)性能參數(shù)

為了探究增壓柴油機(jī)是否具有和增壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)相同形式的規(guī)律，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速單位采用kr/min[8,9]，選取上述增壓柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1.0～3.2 kr/min、間隔0.1 kr/min的外特性試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)用于公式擬合，并進(jìn)行ESC穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)和ETC瞬態(tài)工況試驗(yàn)。

3 柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量計(jì)算模型

3.1 進(jìn)氣歧管壓力的測(cè)量

柴油機(jī)壓縮空氣從中冷器出口至流入進(jìn)氣歧管時(shí)不存在節(jié)流壓力損失，中冷器后壓力和進(jìn)氣歧管壓力相差很小。圖1為ESC試驗(yàn)和ETC試驗(yàn)中柴油機(jī)中冷器后氣體壓力和柴油機(jī)進(jìn)氣歧管壓力的對(duì)比圖。

圖1 ESC和ETC試驗(yàn)中冷器后和進(jìn)氣歧管氣體壓力對(duì)比

從圖1可以看出，無(wú)論是穩(wěn)態(tài)工況還是瞬態(tài)工況，中冷器后測(cè)得的壓力值和進(jìn)氣歧管處測(cè)得的壓力值差別微小，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況時(shí)絕對(duì)誤差不超過(guò)3 kPa，ETC瞬態(tài)循環(huán)工況時(shí)絕對(duì)誤差不超過(guò)7 kPa。為了避免進(jìn)氣歧管處安裝壓力傳感器對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)造成影響，同時(shí)為了測(cè)量方便，臺(tái)架試驗(yàn)中用中冷器后壓力傳感器測(cè)得的壓力值近似代替進(jìn)氣歧管壓力值進(jìn)行建模計(jì)算。

3.2 流量與轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力的擬合關(guān)系

該增壓柴油機(jī)外特性試驗(yàn)各穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)的空氣進(jìn)氣流量如圖2所示。

圖2 擬合公式所選取工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)

構(gòu)造變量β1=n?PICO，其中n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，kr/min；PICO為中冷后氣體絕對(duì)壓力，kPa。β1與柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 流量與構(gòu)造變量β1的關(guān)系

由圖3可以看出，進(jìn)氣流量與該構(gòu)造變量間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，將兩變量用線性多項(xiàng)式擬合為：

其中，a1、a0為擬合系數(shù)，擬合式相關(guān)系數(shù)r為0.998 2。可見，mfair與構(gòu)造變量β1之間線性關(guān)系較為強(qiáng)烈。

3.3 流量與油門、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力的擬合關(guān)系

由前文可知，增壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上關(guān)于流量計(jì)算的線性擬合關(guān)系式規(guī)律同樣適用于增壓柴油機(jī)。柴油機(jī)噴油量大小受到油門開度信號(hào)控制，為了探究油門開度信號(hào)對(duì)于空氣進(jìn)氣流量的影響，將增壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中節(jié)氣門開度信號(hào)用增壓柴油機(jī)油門信號(hào)來(lái)代替，構(gòu)造變量β2=（n?PICO）?ln（n?α），α代表柴油機(jī)油門信號(hào)大小，其原大小取值范圍是0～100，為避免取對(duì)數(shù)運(yùn)算得到負(fù)值，將α最小值調(diào)整到一個(gè)大于零的小開度α0，最終α取值范圍定義為：α＞α0，則α取原值；若α≤α0，則令α=α0。觀察柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量與該構(gòu)造變量的關(guān)系，可以得到圖4，用三次多項(xiàng)式擬合得到式（2）。

圖4 流量與構(gòu)造變量β2的關(guān)系

式中，bi為擬合系數(shù)，該擬合式的相關(guān)系數(shù)r為0.998 4。

可見，mfair與構(gòu)造變量β2之間的多項(xiàng)式關(guān)系也較為顯著，擬合結(jié)果比較理想。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 穩(wěn)態(tài)工況驗(yàn)證

選取ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)的13工況點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)工況點(diǎn)如表2所列。

表2 ESC循環(huán)試驗(yàn)13工況點(diǎn)

將試驗(yàn)測(cè)量得到的轉(zhuǎn)速、中冷后壓力、油門開度信號(hào)以及空氣進(jìn)氣流量等數(shù)據(jù)代入擬合公式計(jì)算，計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖5所示。

圖5 ESC試驗(yàn)中流量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖5可以看出，穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，一次擬合多項(xiàng)式和三次擬合多項(xiàng)式的計(jì)算結(jié)果都較穩(wěn)定，但均存在一定誤差；在怠速工況時(shí)，一次擬合多項(xiàng)式的計(jì)算結(jié)果較接近試驗(yàn)值，三次擬合多項(xiàng)式計(jì)算結(jié)果偏小，而在其余穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，計(jì)算值相對(duì)于試驗(yàn)值均偏大，且三次擬合關(guān)系式得到的結(jié)果精度高于一次擬合多項(xiàng)式。

油門開度變化對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化。三次擬合關(guān)系式中構(gòu)造變量β2考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)進(jìn)氣流量的影響，能更全面的反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)于進(jìn)氣流量的影響，三次擬合關(guān)系式在除低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷之外的穩(wěn)態(tài)工況時(shí)計(jì)算精度普遍高于一次擬合關(guān)系式。在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況時(shí)排氣能量較低[10]，渦輪增壓幾乎不起作用，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于自然吸氣狀態(tài)，三次擬合關(guān)系式計(jì)算值誤差較大，說(shuō)明該工況下不適用。

為了更直觀的定量分析兩公式計(jì)算的相對(duì)誤差，計(jì)算得到ESC試驗(yàn)中兩擬合公式計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差如圖6所示?？芍诘∷俟r時(shí)，一次擬合關(guān)系式計(jì)算相對(duì)誤差分布在（0,+10%）區(qū)間內(nèi)，三次擬關(guān)系式誤差很大；在其余穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，三次擬合關(guān)系式的相對(duì)誤差均小于一次擬合關(guān)系式的誤差，且均位于（-10%,+10%）區(qū)間內(nèi)。所以用于穩(wěn)態(tài)工況流量計(jì)算時(shí)，可以采用在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時(shí)選用一次擬合關(guān)系式計(jì)算，在其余工況時(shí)選用三次擬合關(guān)系式計(jì)算的方式。

圖6 ESC試驗(yàn)中擬合公式的計(jì)算相對(duì)誤差

4.2 瞬態(tài)工況驗(yàn)證

為檢驗(yàn)兩擬合公式對(duì)瞬態(tài)工況的計(jì)算效果而進(jìn)行ETC瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)各工況對(duì)應(yīng)的扭矩與轉(zhuǎn)速如圖7所示。

將空氣進(jìn)氣流量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖7 ETC試驗(yàn)中各工況對(duì)應(yīng)的扭矩和轉(zhuǎn)速

圖8 ETC試驗(yàn)中流量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

從對(duì)比結(jié)果可以看出，在瞬態(tài)工況時(shí)一次擬合關(guān)系式空氣進(jìn)氣流量的計(jì)算值相對(duì)于試驗(yàn)值跟隨性好，滯后時(shí)間短，誤差較小，計(jì)算精度較高；三次擬合關(guān)系式相對(duì)于試驗(yàn)值偏離較大，尤其是在流量值小于200 kg/h工況時(shí)。

三次擬合式計(jì)算瞬態(tài)工況進(jìn)氣流量精度較低，主要原因是進(jìn)氣歧管壓力和進(jìn)氣流量的變化滯后于油門信號(hào)的變化。油門開度大小發(fā)生變化時(shí)，噴油量隨之改變，排氣能量也隨之改變，驅(qū)動(dòng)渦輪進(jìn)行增壓的能力也發(fā)生變化，從而引起進(jìn)氣歧管壓力和空氣進(jìn)氣流量的改變。瞬態(tài)工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力和空氣進(jìn)氣流量沒有充分的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，某一時(shí)刻測(cè)得的瞬態(tài)進(jìn)氣歧管壓力和進(jìn)氣流量只是向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡的中間值，進(jìn)氣歧管壓力和進(jìn)氣流量的變化要滯后于油門信號(hào)的變化，因此瞬態(tài)計(jì)算時(shí)若考慮油門信號(hào)會(huì)帶來(lái)較大誤差。所以，在瞬態(tài)工況流量預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)選用一次擬合關(guān)系式。

5 結(jié)束語(yǔ)

a.增壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上得到的關(guān)于混合氣進(jìn)氣流量的擬合規(guī)律同樣適用于增壓柴油機(jī)。增壓柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量與構(gòu)造變量β1之間具有很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，同時(shí)空氣進(jìn)氣流量和構(gòu)造變量β2之間也具有明顯的多項(xiàng)式擬合關(guān)系；

b.根據(jù)ESC試驗(yàn)驗(yàn)證，用于穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算時(shí)，兩擬合公式分別在某些工況下有較高精度，兩公式結(jié)合起來(lái)用于穩(wěn)態(tài)工況流量計(jì)算可將相對(duì)誤差控制在較小范圍內(nèi)；

c.ETC試驗(yàn)驗(yàn)證表明，一次擬合關(guān)系式計(jì)算精度高于三次擬合關(guān)系式，瞬態(tài)工況進(jìn)氣流量計(jì)算時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用一次擬合關(guān)系式；

d.擬合得到的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式形式簡(jiǎn)單，計(jì)算涉及的參數(shù)少，需要標(biāo)定的系數(shù)少，可移植性好，可用于增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況的空氣進(jìn)氣流量預(yù)測(cè)。

1 黃粉蓮,紀(jì)威,周煒.渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量的計(jì)算與仿真.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013（3）:62～68.

2 孫曉輝.柴油機(jī)進(jìn)氣過(guò)程的數(shù)值仿真研究:[學(xué)位論文].濟(jì)南：山東大學(xué),2011.

3 歐陽(yáng)明高,李建秋,楊福源.汽車新型動(dòng)力系統(tǒng):構(gòu)型、建模與控制.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

4 段樹林,歐陽(yáng)明高,劉崢.渦輪增壓柴油機(jī)動(dòng)態(tài)仿真的研究.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),1999（2）:78～81.

5 Bai L,Yang M.Coordinated Control of EGR and VNT in Turbocharged Diesel Engine Based on Intake Air Mass Observer.SAE Technical Paper,2002-01-1292.

6 熊興旺.天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型建模與驗(yàn)證:[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué),2015.

7 GB 17691—2005.車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2005.

8 Hendricks E,Sorenson S.Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines.SAE Technical Paper 900616,1990.

9 Hendricks E,Chevalier A,Jensen M,et al.Modelling of the Intake Manifold Filling Dynamics.SAE Technical Paper 960037,1996.

10 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年8月1日。

Modeling Research on Air Intake Flow of Turbocharged Diesel Engine

Xiong Xingwang,Gao Xinlei,Yu Jintao,Gao Junhua
（China Automotive Technology&Research Center,Beijing 100176）

With the full load test data of the turbocharged diesel engine,coefficients of empirical formulas applied to calculate air intake flow of turbocharged gas engine were re-calibrated to construct the diesel engine air intake flow estimation model.And ESC steady state tests and ETC transient tests were conducted respectively,then simulation results were compared with the test results.The results showed that under steady state condition,the relative error was in the range of(-10%,+10%)by jointly use of the two fitting formulas.Under transient condition,the following performances of simulation results are good,and the one order fitting formula is better for small air intake flow calculation.

Turbocharged diesel engine,Air intake flow,Modeling

渦輪增壓柴油機(jī) 進(jìn)氣流量 建模

U464.1

A

1000-3703（2017）02-0030-04