壓氣機(jī)性能變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的影響

黃強(qiáng)煒，倪計(jì)民，王琦瑋

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

汽車在能源消耗和排放中占有的比例近年來(lái)逐漸增大。隨著法規(guī)的嚴(yán)格，渦輪增壓成為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)[1]。瞬態(tài)工況是汽車行駛工況的主體工況[2-3]，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在瞬態(tài)工況時(shí)，其響應(yīng)速度會(huì)影響動(dòng)力輸出?？紤]到渦輪增壓器的渦輪遲滯現(xiàn)象，國(guó)外開(kāi)展了較多針對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的研究[4-8]。

渦輪增壓器的壓氣機(jī)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況性能有一定影響[9]。本研究主要研究不同壓氣機(jī)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷時(shí)瞬態(tài)性能的影響。

1 增壓汽油機(jī)瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建

1.1 渦輪增壓器瞬態(tài)特性分析

渦輪增壓器的瞬態(tài)特性變化通過(guò)其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析。穩(wěn)態(tài)工況下，壓氣機(jī)所消耗的功率與渦輪所獲得的有效功率達(dá)到平衡，此時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速恒定；進(jìn)入瞬態(tài)工況時(shí)，該平衡被打破，使得增壓器轉(zhuǎn)子的角加速度不為0[10]。壓氣機(jī)葉輪與渦輪機(jī)葉輪通過(guò)同一根轉(zhuǎn)軸相連，根據(jù)牛頓第二定律可得增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩方程[11]。

其中：MT和MC為渦輪和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)矩；Mf為摩擦損失；JTC為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；nTC為增壓器轉(zhuǎn)速。

改善渦輪增壓器瞬態(tài)響應(yīng)的方法主要有：1)降低渦輪轉(zhuǎn)子慣性矩，即渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；2)減少渦輪噴嘴面積，即增大渦輪轉(zhuǎn)矩；3)減少增壓器軸承摩擦損失，提供空氣動(dòng)力學(xué)性能；4)采用補(bǔ)氣裝置，即減少壓氣機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；5)采用復(fù)合增壓切換系統(tǒng)[12]。目前的研究主要集中在渦輪端的改善以及采用復(fù)合增壓，對(duì)壓氣機(jī)端的研究較少，且本質(zhì)上以減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)獲得較好的瞬態(tài)響應(yīng)。而本研究著重于壓氣機(jī)端特性參數(shù)的改變對(duì)壓氣機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、所需渦輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，從而研究其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能改善的增益幅度。

1.2 增壓汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型的構(gòu)建

某1.5 L增壓汽油機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1。在GT-Power中建立的增壓汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型見(jiàn)圖1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖1 增壓汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率、油耗等參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。本研究以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能為主，故動(dòng)力性指標(biāo)的精度較高，趨勢(shì)變化相似度更高；其他性能指標(biāo)誤差相對(duì)較大，趨勢(shì)變化相似度較低。發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)的仿真誤差均在±5%以內(nèi)，能夠體現(xiàn)在全工況穩(wěn)態(tài)下各發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的影響和變化規(guī)律，滿足工程需求。

圖2 部分負(fù)荷下仿真與試驗(yàn)的對(duì)比

1.3 增壓汽油機(jī)瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建

瞬態(tài)仿真目前主要是通過(guò)將相鄰穩(wěn)態(tài)點(diǎn)之間的瞬態(tài)變化劃分成多個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，以此來(lái)近似表征瞬態(tài)過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及仿真結(jié)果，將發(fā)動(dòng)機(jī)各主要控制參數(shù)處理成隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷變化的函數(shù)，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)主要控制參數(shù)的MAP圖，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角、過(guò)量空氣系數(shù)、廢氣旁通閥開(kāi)度等(見(jiàn)圖3)。通過(guò)建立上述控制參數(shù)的MAP圖，加入節(jié)氣門(mén)開(kāi)度隨時(shí)間變化的控制模塊，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)仿真模型向瞬態(tài)仿真模型的轉(zhuǎn)化。

圖3 主要控制參數(shù)MAP圖

通過(guò)查詢目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)MAP圖來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)所需噴油量。瞬態(tài)仿真時(shí)為了反映實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程，必須在整個(gè)仿真循環(huán)中將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)置為實(shí)際值，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因子設(shè)置為1。

2 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能研究

2.1 壓氣機(jī)高效率區(qū)分布對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的影響

壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)包括葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼3個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會(huì)影響壓氣機(jī)性能，反映在壓氣機(jī)MAP圖中則是喘振線、堵塞線以及高效率區(qū)的變化。本研究以高效率區(qū)的分布及變化作為壓氣機(jī)性能的主要表征參數(shù)，高效率區(qū)分布見(jiàn)圖4。

圖4 壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)不同分布示意

以葉輪為例，各個(gè)參數(shù)既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，其中葉輪進(jìn)出口參數(shù)為關(guān)鍵幾何參數(shù)。研究表明：1)在一定范圍內(nèi)，增大葉輪進(jìn)出口直徑的比值，壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)分布趨向大流量范圍，對(duì)喘振邊界的影響較??；2)在一定范圍內(nèi)，提高葉輪出口截面和進(jìn)口截面的面積比，可以在較大的流量區(qū)域獲得較高的壓比和效率，即高效率區(qū)分布在更高壓比范圍，且喘振線和堵塞線的變化較小。

依據(jù)葉輪關(guān)鍵幾何參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)分布的影響規(guī)律，在設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)具體的高效率區(qū)分布需求，初步確定各個(gè)參數(shù)的取值范圍，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此需要研究不同高效率區(qū)分布對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律，以此來(lái)制訂相應(yīng)的高效率區(qū)分布需求，本研究針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能進(jìn)行研究分析。

瞬態(tài)性能研究著重于加速性能研究。對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷、恒定轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度突然達(dá)到最大的階躍響應(yīng)來(lái)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能[10]。實(shí)際道路行駛時(shí)汽車換擋過(guò)程會(huì)影響節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度變化，換擋過(guò)程一般為0.5～2 s，所以節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化時(shí)間可在0.5～2 s范圍內(nèi)選取[13]。一般節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)的滯后程度越大[10]。

增壓汽油機(jī)瞬態(tài)模型采用恒定轉(zhuǎn)速增加扭矩的方式進(jìn)行仿真計(jì)算。選取工況點(diǎn)的初始狀態(tài)為轉(zhuǎn)速1 250 r/min、平均有效壓力0.15 MPa，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度設(shè)置為在0.5 s內(nèi)達(dá)到最大。

瞬態(tài)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)以瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為主。即發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷、恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，節(jié)氣門(mén)發(fā)生零階躍變化，從節(jié)氣門(mén)開(kāi)始變化至發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能參數(shù)達(dá)到全負(fù)荷下穩(wěn)定值的90%所需要的時(shí)間[2]。在實(shí)際情況中，節(jié)氣門(mén)很難實(shí)現(xiàn)零階躍變化。所以，通常將節(jié)氣門(mén)達(dá)到最大開(kāi)度時(shí)到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能參數(shù)到達(dá)穩(wěn)定值90%所需要的時(shí)間作為實(shí)際的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間[14](見(jiàn)圖5)。本研究以平均有效壓力作為瞬態(tài)研究時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能參數(shù)。

圖5 瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間示意

除此之外，本研究以負(fù)荷加載1 s后實(shí)際達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)平均有效壓力的百分比作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)?？紤]節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間，即從節(jié)氣門(mén)開(kāi)始變化起，經(jīng)過(guò)1.5 s后實(shí)際達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)平均有效壓力值的百分比。負(fù)荷加載后至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的這一時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的平均有效壓力變化梯度則是另一項(xiàng)輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究中負(fù)荷加載也考慮了節(jié)氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間，即以節(jié)氣門(mén)完全開(kāi)啟的時(shí)間作為平均梯度計(jì)算的起始點(diǎn)。

不同高效率區(qū)分布下，進(jìn)氣壓力構(gòu)建過(guò)程的響應(yīng)不同導(dǎo)致進(jìn)氣流量瞬態(tài)響應(yīng)差異，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能。不同高效率區(qū)分布下瞬態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)果見(jiàn)圖6。由響應(yīng)時(shí)間對(duì)比可知，當(dāng)高效率區(qū)處在大、小流量范圍時(shí)，響應(yīng)時(shí)間與原機(jī)相差不大。而當(dāng)高效率區(qū)位于低壓比范圍時(shí)，響應(yīng)時(shí)間相比于原機(jī)明顯增長(zhǎng)，說(shuō)明滯后程度增大，響應(yīng)變慢。當(dāng)高效率區(qū)處在高壓比范圍時(shí)，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)于原機(jī)則明顯縮短，表明滯后程度變小，響應(yīng)變快。

輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化趨勢(shì)基本上與響應(yīng)時(shí)間一致。高效率區(qū)位于大、小流量范圍時(shí)，穩(wěn)定值的百分比以及平均梯度與原機(jī)相近。高效率區(qū)處在高壓比范圍時(shí)，穩(wěn)定值的百分比以及平均梯度較原機(jī)有明顯上升。高效率區(qū)位于低壓比范圍時(shí)，穩(wěn)定值百分比相比原機(jī)有所下降。改變比例為10%時(shí)，平均梯度與原機(jī)相差不大，改變比例為15%和20%時(shí)，平均梯度較原機(jī)有所增加。由圖6可知，在節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟初期，低壓比范圍內(nèi)改變比例15%和20%的平均有效壓力增長(zhǎng)較緩慢，所以穩(wěn)定值90%對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；而在后期趨近穩(wěn)定時(shí)，這二者的平均有效壓力增長(zhǎng)較迅速，故而平均梯度有所上升。

圖6 壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)不同分布下瞬態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜上所述，壓氣機(jī)高效率區(qū)在大、小流量范圍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)與原機(jī)相差不大，即加速性能變化不大；壓氣機(jī)高效率區(qū)在低壓比范圍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)較原機(jī)變慢，即加速性能惡化；壓氣機(jī)高效率區(qū)在高壓比范圍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)明顯較原機(jī)加快，即加速性能得到優(yōu)化。當(dāng)壓氣機(jī)高效率區(qū)在高壓比范圍內(nèi)改變比例為20%時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間為0.91 s。而原機(jī)為2.84 s，可知優(yōu)化幅度在68%左右。

2.2 MAP高效率區(qū)位置變化時(shí)瞬態(tài)結(jié)果分析

增壓內(nèi)燃機(jī)加速性滯后的根本原因在于內(nèi)燃機(jī)的空氣供給跟不上供油。進(jìn)氣流量與增壓壓力密切相關(guān)，而且壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)增壓壓力的建立有一定的影響[8]。由圖6可知，高效率區(qū)的變化引起穩(wěn)定狀態(tài)平均有效壓力的變化不大，可認(rèn)為該瞬態(tài)過(guò)程所需構(gòu)建的增壓壓力基本一致，且選取工況點(diǎn)所需的流量、壓比也相差不大。

壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)的不同分布影響其轉(zhuǎn)速線的分布，從而對(duì)運(yùn)行工況點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速有所影響(見(jiàn)圖7)。

高效率區(qū)處在小流量范圍時(shí)，轉(zhuǎn)速線末端沿小流量區(qū)收縮，選取工況點(diǎn)所需流量、壓比基本相等，則對(duì)應(yīng)的初始?jí)簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)速基本吻合，而其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速略有上升。

高效率區(qū)位于大流量范圍時(shí)，轉(zhuǎn)速線末端沿大流量區(qū)膨脹，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況與高效率區(qū)處于小流量范圍時(shí)相反。

圖7 壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)不同分布下轉(zhuǎn)速線分布變化

高效率區(qū)處在低壓比范圍時(shí)，轉(zhuǎn)速線整體往低壓比區(qū)收縮，選取工況點(diǎn)所需流量、壓比基本一致，則對(duì)應(yīng)的初始?jí)簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)速相比于原機(jī)略有增加，但二者差值極小，可認(rèn)為基本相同。而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速明顯高于原機(jī)。

高效率區(qū)位于高壓比范圍時(shí)，轉(zhuǎn)速線整體往高壓比區(qū)膨脹，選取工況點(diǎn)所需流量、壓比基本一致。則對(duì)應(yīng)的初始?jí)簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)速下降，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速也減小。

壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)的不同分布下，所選取的工況點(diǎn)在整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程中壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速變化見(jiàn)圖8。

圖8 壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)不同分布下壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速變化

將壓氣機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和所需渦輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間差值的瞬態(tài)變化代入式(1)，計(jì)算可得增壓器轉(zhuǎn)子瞬態(tài)工況下的角加速度，從而分析瞬態(tài)響應(yīng)的快慢。其角加速度的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)不同分布下角加速度變化

高效率區(qū)處在小流量范圍時(shí)，建立同等增壓壓力所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差相比于原機(jī)略有增大。如圖9所示，瞬態(tài)工況下的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度一致，所以此時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)增壓壓力所需的時(shí)間略有增加，在改變比例為20%時(shí)增加21%。

高效率區(qū)位于大流量范圍時(shí)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差值略有減小，而壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度依然與原機(jī)相差不大。故而響應(yīng)時(shí)間在該情況下略有減少，在改變比例20%時(shí)減小9%。

高效率區(qū)處在低壓比范圍時(shí)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差值較原機(jī)提升明顯，如圖9所示瞬態(tài)工況下的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度略有增大，達(dá)到全負(fù)荷穩(wěn)態(tài)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速所需時(shí)間仍將大幅增長(zhǎng)，在改變比例為20%時(shí)增長(zhǎng)52%。

高效率區(qū)位于高壓比范圍時(shí)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差值的變化規(guī)律見(jiàn)圖10。由圖10可知，達(dá)到所需增壓壓力時(shí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差相比于原機(jī)大幅降低，而由圖9可知瞬態(tài)工況下壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度略有減小。綜合之下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間明顯低于原機(jī)，即響應(yīng)時(shí)間大幅縮短，在改變比例為20%時(shí)縮短68%。

綜上所述，當(dāng)壓氣機(jī)MAP中高效率區(qū)在高低壓比、大小流量范圍內(nèi)的分布不同時(shí)，選取工況點(diǎn)所需流量、壓比基本一致，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速線的收縮與膨脹影響工況點(diǎn)所需的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差以及增壓器轉(zhuǎn)子角加速度，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)速度。

圖10 高效率區(qū)位于高壓比范圍時(shí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差值對(duì)比

3 結(jié)論

a) 當(dāng)高效率區(qū)處在小流量范圍時(shí)，選取工況點(diǎn)在MAP中對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差略有增大，響應(yīng)時(shí)間略有增加，在改變比例20%時(shí)增加21%；

b) 當(dāng)高效率區(qū)位于大流量范圍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差略有減小，響應(yīng)時(shí)間略有縮短，在改變比例20%時(shí)減小9%；

c) 當(dāng)高效率區(qū)處在低壓比范圍時(shí)，選取工況點(diǎn)在MAP中對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差明顯增大，響應(yīng)變慢，在改變比例為20%時(shí)響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)52%；

d) 當(dāng)高效率區(qū)位于高壓比范圍時(shí)，選取工況點(diǎn)在MAP中對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速差大幅減小，響應(yīng)顯著變快，在改變比例為20%時(shí)響應(yīng)時(shí)間縮短68%。