考慮渦輪增壓發(fā)動機響應遲滯的商用車性能 仿真與驗證

周兵兵，楊志剛，方慧平

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710020）

1 前言

隨著我國商用車節(jié)能減排法規(guī)日益嚴苛，對各OEM廠商提出了新一輪技術挑戰(zhàn)。廢氣渦輪增壓器在改善柴油機動力性、經濟性、排放水平等方面優(yōu)勢明顯，因此被廣泛應用于商用車領域[1]。其基本原理是利用發(fā)動機排氣能量推動渦輪帶動壓縮機對進氣系統(tǒng)進行增壓，提高進氣量，從而達到改善發(fā)動機響應性能的目的。采用廢氣旁通閥的渦輪增壓發(fā)動機常存在低速工況扭矩弱（發(fā)動機低轉速工況，廢氣量不足、增壓器轉速低、進氣壓力下降、缸內燃燒惡化導致低速扭矩響應弱）；加速工況瞬態(tài)響應差（增壓壓力變化不及時，進氣量供給響應滯后于燃油地供給響應，導致柴油機瞬態(tài)響應性能差）等問題[2]。如何進一步改善增壓發(fā)動機響應遲滯特性成為當下的研究熱點。

本文以某柴油發(fā)動機為研究對象，依據渦輪增壓器遲滯響應臺架數(shù)據，建立發(fā)動機扭矩響應修正方法，并利用CRUISE軟件對整車進行了動力性能仿真及試驗驗證，為商用車精準模型搭建及動力匹配設計提供了方法。

2 渦輪增壓器響應特性

2.1 廢氣渦輪增壓器控制過程

車輛行駛過程中，發(fā)動機控制單元（ECU） 通過油門踏板信號實時獲取駕駛員駕駛意圖（扭矩需求），根據發(fā)動機當前運行狀態(tài)計算出需求的進氣量，同時結合采集的增壓器相關信號（壓氣機出口壓力、溫度等）得到需求的增壓器目標壓力，最終通過調節(jié)廢氣旁通控制閥開度實現(xiàn)壓力跟隨[3]。

2.2 廢氣渦輪增壓發(fā)動機響應試驗

在整車性能開發(fā)階段，由于發(fā)動機工況多變，難以準確地對增壓器響應遲滯特性進行動態(tài)模擬，導致仿真精度較差。為了獲得真實的發(fā)動機動態(tài)響應特性，實現(xiàn)發(fā)動機仿真構建，策劃了發(fā)動機臺架性能試驗，得到了發(fā)動機各轉速下的扭矩響應測試數(shù)據，試驗結果如圖1所示。

圖1 發(fā)動機各轉速下扭矩響應實測數(shù)據

圖2 、圖3給出了1000、1500轉速下發(fā)動機真實扭矩響應與仿真扭矩響應對比圖，從圖中可以看出考慮增壓器響應遲滯特性的發(fā)動機建模更貼合實際，驗證了所采用的動態(tài)扭矩修正方法可行性的同時，也為后續(xù)的整車動力性建模與仿真提供了真實可信的發(fā)動機模型。

圖2 1000轉速下仿真響應扭矩與測試數(shù)據對比圖

圖3 1500轉速下仿真響應扭矩與測試數(shù)據對比圖

3 基于CRUISE的商用車動力性能仿真

3.1 整車仿真模型搭建

為進一步驗證所搭建的增壓器遲滯模型在整車驅動上的表現(xiàn)，本文以某平臺4×2載貨車為研究對象，利用AVL CRUISE專業(yè)車輛動力學分析軟件搭建了其整車一維仿真模型。模型主要包含車身、駕駛員、離合器、變速器、傳動軸、主減速器、差速器、制動器、輪胎、排氣系統(tǒng)等[4]，為保證所搭建的整車模型與實車狀態(tài)一致，模型還考慮了發(fā)動機附件消耗（主要包含：轉向油泵、硅油風扇、空氣壓縮機、自動空調模塊），總附件消耗以法蘭盤負負載形式加載至發(fā)動機。搭建完成的整車CRUISE仿真模型如圖4所示。

圖4 整車動力學仿真模型

3.2 整車動力性仿真

根據國標GB/T 12543-2009《汽車加速性能試驗方法》中的要求，在CRUISE計算任務中進行整車試驗工況模擬設置，得到全油門下各檔最大加速度曲線，如圖5所示。為保證整車加速時間最短，應選取相鄰檔位加速度曲線交點作為最佳換擋點[5]。按照加速度交點設置換擋規(guī)律進行整車加速仿真，仿真結果如圖6所示。

圖5 各檔最大加速度曲線

圖6 整車原地起步0-100km/h加速時間仿真結果

由圖6可以看出，考慮渦輪增壓遲滯特性的整車0-100 km/h原地起步連續(xù)換擋加速時間為98.46s，而未考慮增壓器遲滯響應特性的整車0-100km/h原地起步連續(xù)換擋加速時間為94.63s，差值為3.83s，由扭矩響應遲滯帶來的時間延長占總時長4%（相對于未考慮遲滯響應的加速時間而言）。從加速過程中的檔位分布可以看出，未考慮增壓器響應遲滯的發(fā)動機扭矩隨信號瞬間響應，增壓器增壓壓力建立時間短，發(fā)動機瞬間即可達到扭矩峰值，較短的時間即達到各車速換擋點，總體加速時間短。

表1 整車仿真與試驗結果對比

4 試驗驗證

為驗證增壓器響應參數(shù)標定合理性以及整車仿真模型的可信度、可行性，對該4×2載貨車進行了整車加速性能試驗，仿真與試驗對比結果如表2所示。由表1可知整車0-100km/h原地起步連續(xù)換擋加速時間的仿真與試驗結果誤差分別為-5.35%（未考慮增壓器響應遲滯）和-1.52%（考慮增壓器響應遲滯）。該結果表明，所搭建的增壓器及整車仿真模型結果指標與實車試驗結果較為吻合，誤差在可接受范圍之內。

5 結束語

本文以某柴油發(fā)動機為研究對象，結合發(fā)動機臺架測試數(shù)據，分析了其渦輪增壓器響應遲滯特性及扭矩響應修正理論，并搭建其部件仿真模型驗證了修正方法的正確性。在此基礎上利用CRUISE軟件進行了整車加速性能仿真及試驗驗證。結果表明：考慮渦輪增壓器響應遲滯的整車模型仿真結果與試驗值更為貼合，誤差僅為-1.52%，仿真分析方法可靠有效，所建立的整車模型可用于后續(xù)整車燃油經濟性能分析與研究。