加載條件對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)的影響研究

宋德祥，李志鵬，李睿，石志勇，商顯赫，張付軍

(1.北京理工大學(xué)，北京 100081；2.中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072；3.山西柴油機(jī)工業(yè)有限公司，山西 大同 037036)

渦輪增壓是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)，它不僅使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性做到強(qiáng)化[1]，而且對(duì)于改善柴油機(jī)高原特性具有重要意義。大量的研究表明：平原匹配良好的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)到高原環(huán)境就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足現(xiàn)象[2]，在低速階段表現(xiàn)尤為突出，這是因?yàn)楦咴h(huán)境下，大氣的壓力比平原壓力低很多，進(jìn)氣管空氣流量小，增壓器響應(yīng)滯后加劇，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中“氣不跟油”，燃燒惡化[3-5]。由于排氣能量小，發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況增壓器幾乎不發(fā)揮作用，這種現(xiàn)象在高原環(huán)境下愈發(fā)明顯。渦輪增壓器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響，改善柴油機(jī)與增壓器的高原響應(yīng)特性對(duì)于柴油機(jī)在高原正常工作具有重要意義[6-8]。

許多學(xué)者對(duì)高原柴油機(jī)渦輪增壓方案進(jìn)行匹配和研究[9-11]。王俊等[12]通過(guò)理論計(jì)算選取了合適的壓氣機(jī)和渦輪，并進(jìn)行了配機(jī)試驗(yàn)，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械具有良好的高原適應(yīng)性。李書(shū)奇[13]更換高壓比壓氣機(jī)放氣閥渦輪增壓器解決高原增壓器超速問(wèn)題。劉系暠[14]通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)二級(jí)增壓在高原相比單級(jí)增壓最大扭矩會(huì)得到提高。近年來(lái)，基于柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速增扭和恒扭增轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況，學(xué)者做了大量研究[15-17]，然而這兩種特殊加載方式都是保持轉(zhuǎn)速或扭矩恒定，與發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際車(chē)輛上的情況相差較遠(yuǎn)。在車(chē)輛起步過(guò)程中，柴油機(jī)受到液力變矩器力矩的作用，扭矩跟隨轉(zhuǎn)速變化(自然特性)，并在最高轉(zhuǎn)速處做近似恒轉(zhuǎn)速加載的過(guò)程，故本研究對(duì)“自然特性和恒轉(zhuǎn)速”組合加載的瞬態(tài)工況展開(kāi)研究。柴油機(jī)與增壓器的動(dòng)態(tài)特性之間存在復(fù)雜的影響關(guān)系，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化會(huì)影響增壓器的動(dòng)態(tài)特性，增壓器的動(dòng)態(tài)特性反過(guò)來(lái)又影響柴油機(jī)進(jìn)氣壓力和流量、噴油量等的變化，因而有必要研究高原條件下柴油機(jī)加載條件對(duì)柴油機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。

1 瞬態(tài)性能仿真平臺(tái)的建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)是強(qiáng)耦合、復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)大多工作在瞬變過(guò)程，其工作狀態(tài)受氣體流動(dòng)和缸內(nèi)燃燒過(guò)程影響。由于進(jìn)排氣管路的容積大，加之氣體具有可壓縮性，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，進(jìn)氣的響應(yīng)速度遠(yuǎn)慢于噴油的響應(yīng)速度，具有較大的遲滯性。為了研究高原環(huán)境下渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)情況,反映發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程的工作狀態(tài)，需要建立詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)物理模型，其應(yīng)該能夠體現(xiàn)氣體的流動(dòng)狀況和滯后效應(yīng)，同時(shí)體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和增壓器轉(zhuǎn)子的慣量對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響等。

以某增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，在GT-Power中構(gòu)建其一維性能仿真模型，模型中主要包括增壓器模型、氣缸模型、進(jìn)排氣管路模型、噴油器模型、曲軸箱模型、與Simulink耦合模塊等子模型。

為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)模型的可行性和準(zhǔn)確性，以最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)的平原扭矩值作為參考，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，海拔0 m和4 500 m時(shí)試驗(yàn)和仿真的歸一化外特性扭矩?cái)?shù)據(jù)如圖1所示，扭矩的仿真值和試驗(yàn)值誤差均在3.5%之內(nèi)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)模型能夠滿(mǎn)足仿真的要求。

圖1 試驗(yàn)與仿真扭矩

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略模型

研究所用發(fā)動(dòng)機(jī)油量控制采用全程調(diào)速的方式。全程調(diào)速作用于怠速到最高轉(zhuǎn)速的所有轉(zhuǎn)速范圍，自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)供油量，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，承載能力較強(qiáng)。全程調(diào)速模型中對(duì)油量的計(jì)算包括調(diào)速特性和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制兩個(gè)部分。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前工況和油門(mén)踏板的位置，調(diào)速特性部分計(jì)算出下一循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，如圖2所示。轉(zhuǎn)速閉環(huán)部分根據(jù)調(diào)速特性計(jì)算的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，通過(guò)PID控制器將差值轉(zhuǎn)換成循環(huán)供油量，模型中調(diào)速率設(shè)置為10%。

圖2 全程調(diào)速特性模型

油量控制策略如圖3所示，通過(guò)全程調(diào)速計(jì)算得到循環(huán)供油量，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，由于渦輪增壓器的滯后效應(yīng)，進(jìn)氣響應(yīng)遠(yuǎn)低于噴油響應(yīng)，進(jìn)氣量不足導(dǎo)致燃燒惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)冒煙的現(xiàn)象。為了避免空燃比過(guò)低出現(xiàn)冒黑煙的情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冒煙極限進(jìn)行限值，模型中冒煙極限空燃比的取值不低于18。受外特性油量和冒煙極限的約束，取三者中油量最小值作為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量。

圖3 油量控制策略

1.3 測(cè)功機(jī)模型

以渦輪增壓柴油機(jī)為單一動(dòng)力的車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)中往往帶有液力變矩器，起到減速增扭的作用。液力變矩器作用在發(fā)動(dòng)機(jī)上的負(fù)荷是由泵輪的扭矩變化特性決定的。液力變矩器的泵輪扭矩特性為

MB=ρgλn2D5。

(1)

式中：MB為泵輪轉(zhuǎn)矩；ρ為液體的密度；λ為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)；n為泵輪轉(zhuǎn)速；D為液力變矩器直徑。

圖4示出為發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作輸入特性，是發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器匹配的基礎(chǔ)，曲線(xiàn)a,b,c,d是不同的液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速速比的輸入特性。通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器之間的前傳動(dòng)比值，可以改變共同輸入特性。

圖4 共同工作輸入特性示意

為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)輛運(yùn)行中受到的負(fù)載情況，以發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作輸入特性的形式給定加載方式(自然特性加載)。當(dāng)液力變矩器速比為0時(shí)，選擇前傳動(dòng)比分別為0.7，1，1.1，確定三種自然特性加載條件。當(dāng)三種自然特性加載條件到達(dá)標(biāo)定點(diǎn)轉(zhuǎn)速后改變加載方式，以恒速加載的方式將扭矩加載到3 500 N·m。如圖5所示，三種加載條件改變了自然特性和恒轉(zhuǎn)速在加載過(guò)程中所占的比例。圖5中，恒扭矩加速過(guò)程，由于前期轉(zhuǎn)速低，加載扭矩過(guò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能增加。所用發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min，仿真過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)從800 r/min開(kāi)始加速，加載扭矩為800 r/min時(shí)圖中對(duì)應(yīng)的扭矩。

圖5 加載條件

GT-Power仿真軟件有轉(zhuǎn)速模式和測(cè)功機(jī)模式，在加載過(guò)程中GT-Power不能將測(cè)功機(jī)模式切換到轉(zhuǎn)速模式，因此為了在測(cè)功機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速加載的過(guò)程，在測(cè)功機(jī)模塊下設(shè)計(jì)了一種可以近似模擬恒速加載的方法，通過(guò)測(cè)功機(jī)模塊進(jìn)行加載過(guò)程的切換，如圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的加載扭矩以自然特性加載方式進(jìn)行加載，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，加載過(guò)程切換到恒速加載。恒速加載過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為一定值，將需要穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為目標(biāo)值，與當(dāng)前采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)做差值，采用增量式PID控制算法，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的加載扭矩，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，近似模擬恒速加載的過(guò)程。

圖6 測(cè)功機(jī)模塊

1.4 耦合仿真平臺(tái)

發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略模型和測(cè)功機(jī)模塊在Simulink中建立，通過(guò)軟件的耦合單元建立聯(lián)合仿真平臺(tái)(見(jiàn)圖7)，能夠同時(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略和動(dòng)態(tài)過(guò)程的響應(yīng)性。GT-Power運(yùn)行模式設(shè)置為L(zhǎng)oad模式，Simulink傳遞循環(huán)噴油量和實(shí)時(shí)的負(fù)載信號(hào)給GT-Power，GT-Power將運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)變化數(shù)據(jù)傳遞給Simulink，方便實(shí)時(shí)觀察和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

圖7 瞬態(tài)性能仿真平臺(tái)

2 不同加載條件下瞬態(tài)性能模擬分析

瞬態(tài)過(guò)程與穩(wěn)態(tài)過(guò)程仿真計(jì)算中存在較大的差異，恒轉(zhuǎn)速增扭矩和恒扭矩增轉(zhuǎn)速是兩種典型的瞬態(tài)過(guò)程，而在車(chē)輛起步加速過(guò)程中不同于這兩種瞬態(tài)過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載都是變化的。為了模擬車(chē)輛在高原海拔4 500 m環(huán)境中起步加速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)變化情況，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載扭矩，也就改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，進(jìn)而探究渦輪增壓器各參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況，為后續(xù)研究高原環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程提供研究基礎(chǔ)。按圖5中三種加載條件進(jìn)行加載，其中自然特性加載階段選用不同的前傳動(dòng)比，以更好地模擬液力變矩器的加載狀態(tài)，到達(dá)最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)再進(jìn)行恒速加載，三種加載條件改變了加載過(guò)程中自然特性加載階段和恒速加載階段所占的比例。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真分析

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程分析

仿真從0 s開(kāi)始，油門(mén)踏板在0.5 s內(nèi)從0迅速增加到100%，仿真計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為12 s。由于仿真平臺(tái)的特殊計(jì)算方式，仿真開(kāi)始的短時(shí)間處于怠速階段，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在全程調(diào)速的方式下開(kāi)始上升時(shí)，加載模塊按圖5中加載條件1開(kāi)始加載。發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)特性如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、空燃比、噴油量、渦輪功率、進(jìn)氣壓力的響應(yīng)特性(加載條件1)

從圖8可以看出，在自然特性加載過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升到最大轉(zhuǎn)速，到了恒速加載階段，轉(zhuǎn)速在PID的控制下經(jīng)過(guò)小幅度波動(dòng)后趨于平穩(wěn)。

在自然特性加載過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的加載扭矩較小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高較快。在這個(gè)過(guò)程前期，進(jìn)氣壓力變化平緩，進(jìn)氣量小，空燃比一直沒(méi)能擺脫冒煙極限的約束，處于最低水平的極限空燃比18，噴油量也不能快速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒指示功較小；排氣能量較低，排氣背壓較小，不能使渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快速升高，增壓器幾乎沒(méi)有發(fā)揮作用，渦輪輸出的功率也比較小，導(dǎo)致壓氣機(jī)壓縮空氣的增壓比小，進(jìn)氣量小，又限制了供油量的增加，進(jìn)氣響應(yīng)滯后于燃油供給的響應(yīng)性，“氣不跟油”，渦輪增壓器得不到足夠的排氣的能量，增壓器作用效果不明顯。在自然特性加載后期，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，排氣流量得到提升，渦輪開(kāi)始做功，增壓器發(fā)揮作用，進(jìn)氣量得到補(bǔ)充，雖然空燃比仍然處在冒煙極限限制空燃比，但噴油量隨著進(jìn)氣量明顯增加。

在恒速加載階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于最高轉(zhuǎn)速，隨著負(fù)載扭矩的增加，噴油量也快速增加。自然特性過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快速提升使得排氣流量增大，增壓器發(fā)揮作用，為恒速加載過(guò)程中提供了較高的進(jìn)氣量，噴油量能夠快速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣具備較高的能量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增速快，排氣能量給渦輪做功，渦輪功率較大，增壓器充分發(fā)揮增壓作用，進(jìn)氣壓力也快速上升；噴油量不受空燃比的約束，能夠根據(jù)扭矩的需求而變化，受發(fā)動(dòng)機(jī)外特性油量的約束，當(dāng)噴油量達(dá)到外特性油量時(shí)便不再增加。

2.1.2 加載條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性的影響

按上述的仿真試驗(yàn)對(duì)圖5中三種加載條件進(jìn)行仿真，不同加載條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性如圖9所示，其中t1，t2，t3分別為三種加載條件自然特性加載和恒速加載的切換時(shí)刻。

如圖9所示，由于三種加載條件的加載扭矩都落在同一點(diǎn)，仿真結(jié)束時(shí)，三種加載條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)相同，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，但不同的加載條件下各個(gè)參數(shù)在變化過(guò)程中具有較大的差異。如圖9a所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升的過(guò)程中，加載條件1相比其他兩種加載條件負(fù)荷小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高快。當(dāng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，加載過(guò)程變?yōu)楹戕D(zhuǎn)速加載，加載條件1加載扭矩比較小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍在上升的階段，t1后，為了穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)加載扭矩不斷增加，且恒速加載扭矩比其他兩種條件快，為克服較大的加載扭矩，如圖9b所示，噴油量也增加得更快。如圖9d所示，相比其他兩種加載條件，條件1渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升速更快，渦輪增壓器更快地發(fā)揮作用，進(jìn)氣壓力建立得更快，也能更快地達(dá)到最大噴油量，最早達(dá)到目標(biāo)扭矩值。加載條件2和3在自然特性加載過(guò)程中逐漸走向中高負(fù)荷區(qū)域，轉(zhuǎn)速升高得相對(duì)較慢，削弱了轉(zhuǎn)速升高建立進(jìn)氣流量的能力，噴油量增加緩慢。從圖9c可以看出，條件1最早擺脫了冒煙極限的限制，進(jìn)氣量充足，可以滿(mǎn)足噴油量的增加。

圖9 不同加載條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量、空燃比、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性

發(fā)動(dòng)機(jī)以不同的加載條件從怠速開(kāi)始加載，直至發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)達(dá)到平衡狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的瞬態(tài)變化有明顯的差異。加載過(guò)程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)該動(dòng)態(tài)過(guò)程的最高轉(zhuǎn)速前，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩大于加載扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高較快，到達(dá)最高轉(zhuǎn)速時(shí)刻的前一狀態(tài)，加載扭矩越低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在下一狀態(tài)超過(guò)目標(biāo)值轉(zhuǎn)速差值越大，在加載扭矩的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很快平穩(wěn)，三種加載條件的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩也在不同時(shí)刻達(dá)到目標(biāo)扭矩值。

2.2 加載條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程參數(shù)的影響

從上述不同加載條件下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的分析可知，在高原環(huán)境中發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性差，主要是因?yàn)檫M(jìn)氣量響應(yīng)滯后于噴油量的響應(yīng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)仿真的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速和扭矩都是實(shí)時(shí)變化的，為了進(jìn)一步探究加載條件對(duì)瞬態(tài)性能的影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 渦輪功率、進(jìn)氣流量和噴油量隨轉(zhuǎn)速的變化

如圖10所示，仿真曲線(xiàn)分為兩個(gè)階段，第一階段是發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)隨轉(zhuǎn)速升高的變化過(guò)程，第二階段是各參數(shù)在恒定轉(zhuǎn)速下變化的過(guò)程。不同加載條件下這兩個(gè)階段所占的比例是不同的，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加階段加載扭矩大的加載條件此階段占的比例較大，恒轉(zhuǎn)速加載過(guò)程占的比例相對(duì)較少。理論上在恒轉(zhuǎn)速加載階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 200 r/min時(shí)，各參數(shù)的變化應(yīng)為一條垂直直線(xiàn)，圖中各參數(shù)在2 200 r/min附近小幅度水平波動(dòng)，反映了發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速加載的過(guò)程。

在同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，加載條件3排氣能量大，渦輪發(fā)出的功率多，增壓器具有更大的壓比，進(jìn)氣量大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量多。加載條件1在增速階段處于低負(fù)荷狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以更快達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，這種情況下，在自然特性加載的加速階段，由于克服扭矩所需噴油量少，所以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的能量小，進(jìn)氣排氣壓力和流量相對(duì)較??；在恒轉(zhuǎn)速加載階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升，排氣流量增加時(shí)增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已經(jīng)很高，消除了增壓器滯后現(xiàn)象，可以快速提供較大的進(jìn)氣流量，噴油量能夠不受限制(冒煙極限)地快速上升，達(dá)到目標(biāo)扭矩值對(duì)應(yīng)的最大油量。

增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量的變化率可以用于衡量渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)性，圖11示出了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量的變化率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

圖11 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量的變化率

如圖11所示，二者的變化趨勢(shì)是相同的，峰值的時(shí)刻也是近似對(duì)應(yīng)的，排氣流量和進(jìn)氣流量有著相互影響的關(guān)系。自然特性加載階段(即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升的階段)，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量的變化率同時(shí)在緩慢上升，因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加對(duì)增加排氣流量、提高渦輪功率、縮短渦輪增壓器滯后具有重要的作用。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化率達(dá)到峰值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于恒速加載階段，由于增壓器已介入，進(jìn)氣量增加，噴油量也迅速增加，負(fù)荷增大，排氣能量更高，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化率迅速增大且達(dá)到最大值，在渦輪增壓器的作用下，進(jìn)氣流量也相應(yīng)地變化。三種加載條件下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化率和進(jìn)氣流量變化率的峰值幾乎相同，其中條件1自然特性加載階段負(fù)載扭矩小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高快，可提升排氣流量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量的變化率升高速度也更快，因此峰值到來(lái)的時(shí)間更早，加載條件1在解決渦輪增壓器響應(yīng)滯后的問(wèn)題上效果更顯著。

由上述分析，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量主要受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量?jī)蓚€(gè)因素影響，三種加載條件下發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)進(jìn)氣壓力隨轉(zhuǎn)速和噴油量的變化如圖12所示。

圖12 進(jìn)氣壓力隨轉(zhuǎn)速和噴油量的變化

從圖12可以看出，三種不同的加載條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速開(kāi)始沿著不同的軌跡到達(dá)相同的最終狀態(tài)(即標(biāo)定轉(zhuǎn)速和大負(fù)荷工況)。對(duì)于條件1，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高的過(guò)程中，前期噴油量比較小，進(jìn)氣壓力也比較小，但是阻力小，發(fā)動(dòng)機(jī)快速到達(dá)最高轉(zhuǎn)速，由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量快速增加、增壓器滯后消失，發(fā)動(dòng)機(jī)由低負(fù)荷增加到高負(fù)荷過(guò)程中，進(jìn)氣壓力和噴油量都得以迅速增加。對(duì)于條件3，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，由于負(fù)荷增加較快，因而在到達(dá)最高轉(zhuǎn)速前發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)處于高負(fù)荷狀態(tài)，噴油量和進(jìn)氣壓力也隨之緩慢增加，此外由于在發(fā)動(dòng)機(jī)提速初期噴油量受到空燃比限制，所以相對(duì)加載條件1而言，增壓器的滯后時(shí)間更長(zhǎng)。圖12表明不同的加載條件導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)沿著不同的軌跡(轉(zhuǎn)速、噴油量和進(jìn)氣壓力)達(dá)到標(biāo)定點(diǎn)工況附近。以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況為目標(biāo)，為提高渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)性，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的加載條件，在低負(fù)荷階段提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量的快速提升克服增壓器滯后現(xiàn)象，然后在高轉(zhuǎn)速下逐漸加載，以最短時(shí)間達(dá)到高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷狀態(tài)。

3 結(jié)論

a)以解決高原環(huán)境車(chē)輛起步加速過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)性差的問(wèn)題為目的，通過(guò)分析柴油機(jī)與變矩器的共同工作特性，提出了“自然特性和恒轉(zhuǎn)速”組合方式的測(cè)功機(jī)加載方式，建立了MATLAB/Simulink組合加載方式的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了基于發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析軟件開(kāi)展高原環(huán)境下加載條件對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)的影響研究；

b)通過(guò)三種不同的加載條件，從渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)兩方面分析了發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境中瞬態(tài)響應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器是解決發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境中動(dòng)態(tài)響應(yīng)性差問(wèn)題的關(guān)鍵；在變轉(zhuǎn)速增扭矩的瞬態(tài)變化過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量是影響進(jìn)氣流量的兩個(gè)重要因素；

c)給發(fā)動(dòng)機(jī)施加不同的加載條件，發(fā)動(dòng)機(jī)就有不同的運(yùn)行工況軌跡，在低負(fù)荷下快速提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在高轉(zhuǎn)速下快速加載，能夠較快地建立起增壓壓力，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷狀態(tài)。