通過增壓器匹配提高發動機瞬態性能

鄭廣勇，于秀敏，侯福建，谷京哲，魏 韜

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，長春 130011）

由于整車在實際運行過程中大多處于瞬變工 況，因此，整車性能不但取決于發動機的穩態性能，發動機的瞬態性能對于整車的使用性能也是至關重要的影響因素［1］。廣泛應用的GT－Power軟件在增壓發動機的增壓器匹配模擬中的大多數分析工作都是以發動機穩態性能為目標進行的［2-3］，由此匹配計算選出的增壓器由于沒有考慮瞬態響應的要求經常會導致整車加速響應性差的問題，甚至出現推翻原來的匹配方案重新進行增壓器匹配工作的情況。本文應用GT－Power和Simulink兩種軟件建立了發動機瞬態過程模擬仿真平臺，針對不同增壓器匹配方案對發動機和整車的瞬態過程的影響進行了模擬，建立了發動機增壓器瞬態模擬分析方法。最終對模擬結果進行了發動機臺架和整車兩種情況下的試驗驗證，通過模擬結果與試驗結果的對比分析，驗證了通過模擬分析改進發動機瞬態性能方法的可行性。

1 發動機瞬態性能仿真平臺的建立

在瞬變過程中，噴油的響應速度要遠遠快于進氣的響應速度，對于渦輪增壓發動機來說更是如此。所以，針對渦輪增壓發動機，如何通過合理匹配渦輪增壓器，提高發動機進氣的響應速度是改善發動機瞬態性能的關鍵［4-5］。整車加速過程中，由于渦輪增壓器的滯后響應，在加速初期，增壓壓力的建立過程遠遠慢于噴油量增加過程，導致空燃比會有一個突然下降，發動機燃燒處在缺少空氣的狀態，燃油未完全燃燒，燃燒效率極低，降低了整車動力性和經濟性［6-8］。建立的發動機仿真模型應具備反映這種空氣滯后效應的能力，要求所有與氣體流動相關的部件都采用物理模型或半物理模型；燃燒過程要能夠反映由于空氣缺少而引起的燃燒惡化現象；轉動部件要考慮轉動慣量，從而模擬轉動慣量對加速過程的影響。

應用GT－Power和Simulink兩種軟件建立的聯合仿真平臺進行瞬態過程的模擬，用GT－Power軟件建立發動機模型，主要用于發動機的性能參數的響應性模擬，用Simulink建立發動機和整車的控制部分，用以模擬發動機油量加載過程及發動機測功機和整車部分的轉矩平衡響應。兩個軟件耦合計算可以同時反映發動機的控制策略及發動機的響應過程［9］，仿真平臺如圖1所示，包含發動機氣缸和管路、增壓器部分，用以模擬發動機的燃燒和空氣的響應情況；發動機臺架的測功機負載和控制模塊，用來模擬發動機臺架的瞬態過程；整車負載及控制模塊用以模擬整車的瞬態響應情況。

圖1 發動機瞬態性能仿真平臺Fig.1 Engine transient performance simulation platform

瞬態模型的建立分為兩個步驟，首先進行穩態模型的校正，結果如圖2和圖3所示，模擬結果與試驗結果吻合度較好，誤差控制在5%以內，仿真模型能夠很好地反應發動機的真實性能。然后應用穩態模型校正的結果，將與發動機瞬態變化關系比較密切的燃燒模型參數、排氣背壓、摩擦功、中冷器參數、渦輪校正系數參數等轉化成隨轉速和負荷變化的map，并將模型與Simulink模塊耦合，升級成最終的發動機瞬態仿真平臺。

2 發動機瞬態性能模擬分析

2.1 發動機瞬態過程對比

圖2 轉矩的穩態模型校正結果Fig.2 Steady state model calibration result of engine torque

圖3 增壓壓力的穩態模型校正結果Fig.3 Steady state model calibration result of boost pressure

對應整車的瞬態過程，發動機工況大體可以從理論上分為定轉速增轉矩過程和定轉矩增轉速過程兩類，對應于整車加速過程，發動機工作接近于定轉速增轉矩的過程［8］，所以選擇發動機的定轉速增轉矩這一特定的瞬態過程進行模擬和評價。由于整車加速能力主要體現在低速轉矩的響應速度［9］，選擇最能反映整車加速能力的1200r／min作為研究工況進行增壓器方案的選擇。模擬發動機轉速固定在1200r／min，轉矩突然增大的瞬態過程進行模擬，分析不同的增壓器方案在這一加速過程中增壓壓力建立和空燃比變化過程，對增壓器的匹配方案進行選擇。

應用瞬態性能仿真平臺對發動機在應用不同增壓器匹配方案情況下的加速過程進行優化，本文省略掉繁雜的中間優化分析過程，只對最終的優化改進方案增壓器和原增壓器進行對比分析。兩個增壓器的參數如表1所示，渦輪流通能力對比如圖4所示，從流量對比來看，改進增壓器在最大膨脹比處比原增壓器流通能力減小35%左右，在1.2膨脹比處流通能力減小18%左右，采用小渦輪能夠更好地利用發動機低轉速廢氣能量，并且小渦輪具有較小的轉動慣量，有利于發動機瞬態性能改進。

表1 改進前后增壓器方案參數Table 1 Parameters between original and improved turbines

圖4 改進前后渦輪特性對比Fig.4 Performance comparison between original and improved turbines

在發動機瞬態模擬過程中，發動機轉速恒定在1200r／min，油量在1s內從很小的每循環5 mg迅速加到全負荷的每循環127mg，考察在這一過程中發動機進氣和轉矩的響應情況，計算結果見圖5～圖7。

圖5 增壓壓力的發動機瞬態過程計算結果Fig.5 Engine transient process simulation result of boost pressure

從計算結果可以看出，優化后的增壓器能在轉矩增加過程中更快地建立增壓壓力，從而得到更快的空氣響應能力，保證發動機空氣響應速度能夠較快地跟隨噴油速度，所以空燃比能在更短的時間內恢復到15以上，縮短了由于空氣缺少而引起的不正常燃燒時間，發動機轉矩也比原增壓器響應得更快，應用改進的增壓器發動機轉矩比原增壓器發動機轉矩達到900N·m的時間縮短將近1s，發動機轉矩響應時間改善了25.1%。

圖6 空燃比的發動機瞬態過程計算結果Fig.6 Engine transient process simulation result of air fuel ratio

圖7 轉矩的發動機瞬態過程計算結果Fig.7 Engine transient process simulation result of engine torque

2.2 整車瞬態過程對比

應用發動機瞬態仿真平臺對整車連續換檔加速過程進行模擬分析，考察增壓器改進前后對整車加速性能的影響，結果見圖8和圖9。

從整車連續換檔加速模擬結果來看，改進的增壓器實現了發動機轉矩的快速響應，能夠更快達到換檔轉矩，車速達到60km／h所用的時間縮短了5.4s，改進后的增壓器加速時間縮短了8.65%，較大程度地改善了整車的瞬態響應特性。

圖8 發動機轉速的整車換擋加速過程計算結果Fig.8 Vehicle accelerating process simulation result of engine speed

圖9 車速的整車換擋加速過程計算結果Fig.9 Vehicle accelerating process simulation result of vehicle speed

3 發動機及整車試驗驗證

3.1 發動機瞬態性能試驗驗證

在發動機試驗臺架上進行了發動機瞬態過程對比試驗，在1200r／min、50N·m工況穩定運轉一段時間，在1s內迅速加大油門到發動機全負荷，考察此時發動機氣路和轉矩響應情況。由圖10的增壓壓力響應結果中可以看出，發動機壓力在油門上升0.6s后才開始響應，油門穩定在最大開度5s后才達到穩定狀態。改進后的增壓器比原增壓器響應速度更快，達到80kPa的增壓壓力時間比原增壓器縮短了大約1s。

圖10 增壓壓力的發動機臺架瞬態試驗結果Fig.10 Engine transient process test result of boost pressure

圖11 轉矩的發動機臺架瞬態試驗結果Fig.11 Engine transient process test result of engine torque

從圖11的轉矩響應上來看，隨著油門開度的突然變化，轉矩響應滯后時間比增壓壓力短，大約只有0.2s轉矩即發生變化，但是由于進氣響應嚴重滯后，發動機轉矩在噴油的瞬變之后受制于進氣響應緩慢，燃燒惡化，導致轉矩有個向下的拐點，然后隨著增壓壓力的逐步建立才緩慢上升。改進后增壓器轉矩建立過程比原增壓器快，改進增壓器轉矩達到900N·m僅用2.88s，比原方案時間縮短了29.4%。無論增壓壓力還是轉矩的響應過程，模擬結果與試驗結果在趨勢上都吻合較好，說明應用模擬計算的方法預測發動機的瞬態響應過程的準確性。

3.2 整車瞬態性能試驗驗證

圖12 發動機轉速的整車連續換檔加速試驗結果Fig.12 Vehicle accelerating process test result of engine speed

在整車上進行了連續換檔加速試驗來驗證改進方案的瞬態響應情況，結果見圖12和圖13。從對比結果中可以看出，應用改進后的增壓器，發動機轉速可以更快提升，車速達到60km／h所用的時間也比原增壓器快6.1s，加速時間縮短7.8%，能夠大大提升整車的加速響應能力，節省加速油耗量，提高整車經濟性。

3.3 試驗結果與模擬結果對比

從試驗結果與模擬結果的對比來看，二者在發動機臺架的瞬態過程結果相差較大，整車加速過程結果相差較小，改進效果的絕對值相差較大，相對值相差較小（見表2）。由于在模擬計算過程中未考慮發動機臺架試驗過程中測功機的轉動慣量和測功機自身控制因素影響，導致模擬結果與試驗結果相差較大，但是其接近于可以接受的瞬態過程模擬計算15%的誤差范圍。整體來看，模擬與試驗結果比較吻合，應用發動機瞬態性能仿真平臺進行模擬計算的方法是可行的。

圖13 車速的整車連續換檔加速試驗結果Fig.13 Vehicle accelerating process test result of vehicle speed

表2 模擬結果與試驗結果比較Table 2 Comparison of simulation and test results

4 結 論

（1）應用GT－Power和Simulink軟件建立了聯合仿真平臺，進行了發動機和整車的瞬態過程模擬，通過對增壓器方案的對比，確定了能夠改進發動機和整車瞬態響應性能的方案。

（2）在發動機臺架上進行了瞬態性能的對比驗證，應用模擬計算確定的增壓器方案轉矩響應時間比原方案縮短31%，能夠很好地改進發動機低轉速的性能和發動機瞬態響應性能。

（3）在整車上進行了連續換檔加速試驗，改進方案增壓器有較好的瞬態響應性能，車速達到60 km／h的時間比原方案減少8.7%，能夠減少加速時間。

（4）發動機模擬計算預測發動機與整車瞬態改進的相對結果與試驗值非常吻合，能夠反映不同方案對發動機和整車瞬態響應的影響，應用模擬計算的方法進行發動機改進方案的預測是可行的。

（5）應用模擬分析方法，能夠在發動機性能設計的初期對發動機和整車的瞬態性能進行分析和評價，避免了因只做穩態分析評價導致的整車加速性差的問題，能夠更好地從改善加速性方面入手進行整車經濟性和動力性的優化。應用模擬分析方法進行發動機和整車的瞬態性能評價，能夠縮短開發周期和試驗量，節約開發成本。

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