建模技術在渦輪增壓汽油機中的應用

【美】 L.Zhong M.Musial W.Resh K.Singh

建模技術在渦輪增壓汽油機中的應用

【美】 L.Zhong M.Musial W.Resh K.Singh

一維發動機建模精度和計算速度的提高使發動機在開發過程中可以更大程度地依賴這種仿真技術。建模的效益體現在諸多方面：增加模擬迭代次數，以實現更好的優化；減少硬件原型迭代數，以縮短項目開發的時間和降低總成本。在最初設計階段和整個項目中，都采用渦輪增壓發動機系統的一維GT-Power模型進行輔助設計。該模型是采用Chrysler集團預測燃燒和爆燃的專利建模軟件開發的。在這個項目的所有階段，通過對預測結果與測功器數據進行系統地研究，提高了模型的精度。研究重點是通過一維GT-Power模型優化與測功器試驗相結合，選擇發動機壓縮比和渦輪增壓器，并減小各循環間變動和缸內變動。在出現上述變動時，發現從進氣門和排氣門倒流的殘余廢氣、冷卻的再循環廢氣、空氣與燃油的混合氣（僅針對進氣道燃油噴射發動機）在本循環及下一個循環被重新分配到每個氣缸。因此，進氣門和排氣門的倒流是導致在每個氣缸中產生變動的主要因素之一。據此，通過一維GT-Power模型優化，并結合氣門設計工程師的輸入參數，設計了1組新的氣門升程曲線。結果表明，使用該方法后，在燃油耗、廢氣再循環耐受性和發動機穩定性及發動機性能改善方面均產生了效益。

冷卻廢氣再循環 V8汽油機 壓縮比選擇 混合氣倒流 容積效率

0 前言

當前的渦輪增壓汽油機正在采用各種先進技術，如冷卻廢氣再循環（EGR）、順序渦輪增壓器、可變幾何截面渦輪增壓器、可變氣門正時、可變氣門升程和汽油直噴等，以滿足降低燃油耗和尾氣排放的要求，這對發動機開發、測功器試驗、發動機控制，以及標定工程師都提出了重大挑戰。自20世紀90年代后期以來，基于仿真模型的發動機開發（如發動機標定）已逐漸應用于柴油機和汽油機，以減少測功器試驗點或試驗要求，進而節省發動機試驗成本，并縮短硬件開發周期[1-3，6]。隨著計算速度的提高，發動機仿真建模精度有了顯著改善，在未來的發動機開發項目中，使用這些模型將變得更加普遍。

在發動機開發中，建模和仿真方法的應用可以追溯到20世紀70年代后期。當時，由于計算機資源的限制，模型非常簡單，通常采用零維模型，即“填充和排空”模型。鑒于發動機開發對建模支持的需求，許多新型發動機性能仿真程序商業版本相繼面世。這些程序大量節省了程序代碼的開發時間。今天，內燃機行業更傾向于大量利用仿真結果，以減少發動機開發對測功器試驗的依賴。這種預測數據將被用于指導測功器試驗，以便快速找到目標點，并減少試驗點、成本和開發時間。

在本文中，這種方法被應用于1臺冷卻EGR渦輪增壓汽油機。眾所周知，增加壓縮比和增壓壓力會使發動機的抗爆要求更高，這表現在推遲點火定時和50％已燃質量的曲軸轉角（CA50）[8，9]。配備冷卻EGR技術的汽油機爆燃限制點火提前角大幅增加，但燃燒持續期變得更長，燃燒延遲更多，因為冷卻EGR技術能減慢火焰傳播速度，減少燃燒室的熱損失，增加比熱比[8-10]。

建模技術將有助于優化這些變量。在本研究中，廣泛應用一維建模方法，以輔助選擇或優化壓縮比、選擇渦輪增壓器，以及減小各循環間變動和缸內變動。新的建模技術已成為提高一維GT-Power模型預測精度的核心。

1 發動機配置

本研究使用的發動機是1臺6.1 L渦輪增壓進氣道燃油噴射的V8汽油機，具有高壓回路和低壓回路的EGR系統。圖1為發動機系統示意圖。表1列出了該汽油機的主要技術規格。

2 發動機建模和模型的相關性

本研究采用一種具有預測爆燃功能的燃燒模型。為了提高模型的預測精度，在Chrysler集團的一維GT-Power模型中開發了以下項目：（1）改進的火花點燃湍流模型；（2）改進的氣缸、氣缸蓋和活塞傳熱模型；（3）考慮冷卻EGR和燃油特性影響的新爆燃預測模型，它與發動機類型、發動機轉速和運行條件無關，并根據參考文獻[4，7，8]中所做的工作和3種不同Chrysler發動機的測功器數據實施改進；（4）改進的摩擦平均有效壓力模型，根據5個Chrysler發動機系列測功器數據分析結果，確立了隨發動機轉速、負荷、行程和缸徑變化的函數。

圖1 6.1 L V8汽油機系統示意圖

表1 Chrysler 6.1 L V8汽油機的主要技術規格

模型的建立基于Chrysler 6.1 L自然吸氣V8汽油機，并使用Chrysler的模型相關性程序，在整個發動機工作轉速和負荷范圍內對其進行了驗證，證實與測功器數據具有很好的一致性。然后，將這一模型轉換成裝有高壓及低壓冷卻EGR系統的渦輪增壓汽油機。

圖2示出了該模型相關性的某一實例，使用在節氣門全開、發動機轉速分別為1 600 r/min、3 600 r/min、4 400 r/min和6 400 r/min的測功器數據。在獲得測功器數據之后，立即對模型進行驗證。圖3給出了發動機轉速為2 000 r/min、平均有效壓力為1.2 MPa時的增壓壓力驗證結果。試驗發現，只有2個點出現異常，其中，渦輪增壓器轉速偏離5％，而對于其他點，參數模型預測誤差均小于2.5％。

圖2 節氣門全開時預測的模型相關性

圖3 發動機轉速2 000 r/min時采用外部冷卻EGR的模型驗證結果

3 模型應用

如上節所述，已把具有很好相關性的6.1 L V8汽油機模型轉換成裝有高壓及低壓冷卻EGR系統的渦輪增壓汽油機模型。在本節中，利用該模型，并基于設計目標選擇發動機壓縮比，篩選渦輪增壓器，減小各循環間變動。

3.1 選擇壓縮比

壓縮比是在發動機開發初期確定的關鍵參數之一。它不僅影響發動機的燃燒和燃油耗，而且還影響EGR系統尺寸和渦輪增壓器的選擇。通常，主要根據經驗和測功器試驗來確定壓縮比。本研究中，在渦輪廢氣放氣閥完全關閉時運行模型，從10.0～14.0改變壓縮比（在圖4中分別為A1～A5），與此同時，全負荷時每個壓縮比的外部EGR率分別為10％～36％。

圖4 發動機轉速1 200 r/min時壓縮比的分析結果

由圖4可以看出，最低燃油消耗率的扭矩隨壓縮比發生變化。當壓縮比增大時，最低燃油消耗率的扭矩下降。圖4中，最低燃油消耗率的扭矩隨壓縮比從A1到A4降低，然后從A5到A4稍有升高。隨著壓縮比的增加，每條燃油消耗率曲線的斜率增大，最大扭矩下降。基于這些數據，選中了與A4相關的新壓縮比。

3.2 渦輪增壓器尺寸的選擇

渦輪增壓器的選擇不僅會影響發動機的目標扭矩是否可以實現，還會顯著影響整機的燃油經濟性。在本研究中，將發動機轉速設為1 500 r/min。渦輪廢氣放氣閥模擬為全關，并考慮規定的泄漏率影響，以更好地模擬實際的硬件泄漏。圖5表示不同渦輪機從T1（最大）～T5（最小）的預測扭矩曲線。在上述預測中，改變外部冷卻EGR率，而壓氣機保持不變。

圖5 外部冷卻EGR率對發動機扭矩的影響（發動機轉速1 500 r/min）

如圖5所示，通過少量增加冷卻EGR率，使用最大的渦輪機（T1和T2）使預測的發動機扭矩滿足目標。在目標扭矩點上采用相同的冷卻EGR率，通過采用較大的渦輪機，使渦輪機上游的發動機背壓減小，從而降低發動機的燃油消耗率（在圖6中為10 g/（k W·h））。采用最小的渦輪，發動機仍可以實現目標扭矩，但燃油消耗率會受到影響，無論采用多大的冷卻EGR率都是如此。基于這些仿真結果，選用渦輪機T2和T3進行測功器試驗。

圖6 外部EGR對發動機燃油消耗率的影響（發動機轉速1 500 r/min）

在相同的目標扭矩點上，渦輪機T2和T3均有相似的燃油消耗率。但是，渦輪T3的冷卻EGR率比渦輪T2的高10％，這有利于減輕發動機的爆燃傾向。

3.3 減小各循環間變動

各循環間的變動是汽油機中的一種典型現象，特別是在缸內殘余氣體分數較高（由于內部EGR和外部EGR）的條件下運行時。這些變動受許多因素的影響，如空氣和燃油流量的變化，供油時噴油量的變動[5，6]等。這些變化對于每種發動機配置都各不相同，目前研究人員正利用仿真方法努力解決這些循環間變動的難題。

圖7表示在發動機轉速1 200 r/min、外部冷卻EGR率25％的工況下，150次連續循環的測功器數據中平均有效壓力的變動。由此可見，平均有效壓力的最大差值可高達0.2 MPa，CA50位置的變動可以超過22°CA。采用Chrysler公司開發的燃燒分析軟件，對每次循環進行詳細分析，發現最大平均有效壓力和小于CA50的循環中有強烈爆燃的跡象，而在小于平均有效壓力和大于CA50的循環中，燃燒會受限。

圖7 基于平均有效壓力和CA50的各循環間變動

如果可以消除CA50非常遲的循環，CA50平均值就會靠近最大扭矩的最小點火提前角。因此，發動機的燃燒效率會提高，平均有效壓力會增加。

為了深入研究這種變動，在與測功器試驗相同的工況下，運行了具有燃燒及爆燃預測模塊的一維GT-Power模型。

建模數據綜合分析的重點是進氣道和排氣道，以及每個氣缸中的回氣量。如圖8所示，在進氣門和排氣門上都觀察到了顯著的倒流。

圖8 通過排氣門和進氣門的質量流量（發動機轉速1 200 r/min）

排氣門的分析結果如下：（1）如果在進氣門打開前出現混合氣倒流，則會產生缸內殘余氣體分數的變動；（2）如果在氣門重疊期出現混合氣倒流，則可能引起缸內殘余氣體分數、冷卻EGR率、容積效率和燃空比的變動，因為部分殘余氣體、冷卻的再循環廢氣、空燃混合氣進入排氣系統，與其他氣缸的混合氣混合，并重新進入原氣缸。

進氣門的分析結果如下：（1）如果在氣門重疊期出現混合氣倒流，則可能引起缸內容積效率和燃空比變動，這是由于部分殘余氣體、冷卻的再循環廢氣、空燃混合氣倒流到進氣道，甚至進入進氣歧管，該混合氣可能不會倒流至原氣缸；（2）如果在進氣門關閉之前出現混合氣倒流，則缸內容積效率、回氣量、冷卻EGR率和燃空比可能會產生變動，結果是，冷卻的再循環廢氣、殘余氣體、空燃混合氣倒流到進氣道和進氣歧管，與歧管中空氣混合，最后被重新分配到每一氣缸。

可以斷定，氣門中的倒流是產生缸內變動和各循環間變動的主要因素之一。為了驗證分析結果，用燃空比和冷卻EGR率進行模型運行試驗設計。燃空比的變動范圍為0.050～0.095，冷卻EGR率的變動范圍為士6％。圖9為本研究的仿真結果與測功器數據的比較，運行工況為發動機轉速1 200 r/min，平均有效壓力0.85 MPa和冷卻EGR率18.5％，由此可見，燃空比和冷卻EGR率是影響各循環間變動的主要因素。

圖9 最高缸內壓力相對于CA50各循環間變動的比較（發動機轉速1 200 r/min，平均有效壓力0.85 MPa和冷卻EGR率18.5％）

圖10 采用新設計的氣門升程曲線時容積效率變動的減小（發動機轉速1 200 r/min）

根據以上分析，倒流使容積效率發生變化，并產生缸內變動。圖10顯示了容積效率的缸內變動，式（1）定義了容積效率變動。式中，VEmax是8個氣缸中的最大容積效率，VEmin是8個氣缸中的最小容積效率。

因此，減小容積效率的缸內變動可以減少各循環間變動。

為了盡量減少通過進氣門和排氣門的倒流，應通過一維GT-Power模型重新優化氣門升程曲線。將進氣門和排氣門的開啟持續時間和升程系數作為變量，以容積效率變動為優化目標，進行正交優化。利用凸輪軸設計工程師的輸入，選擇凸輪軸系數。在仿真和設計之間的交互過程中，創建1組新的凸輪型線，以及與其對應的氣門升程曲線，并將其輸入到模型中。如圖8所示，新的型線在進氣門關閉之前幾乎完全消除了倒流，從圖10和圖11可知，容積效率增加20％以上，其缸內變動顯著減小。

圖11 采用新設計的氣門升程曲線時容積效率的改善（發動機轉速1 200 r/min）

根據模擬結果，設計并訂購了1個新的凸輪軸，并將其安裝到測功器上的試驗發動機中，其結果在圖12～圖17中示出。如圖所示，發動機采用高壓回路EGR系統，發動機轉速為1 600 r/min和3 600 r/min。對不同的冷卻EGR率進行全面試驗，試圖在每種冷卻EGR率上達到最大功率。圖12～圖17中所列曲線均代表經試驗的2種凸輪軸設計。

圖12 新的氣門升程曲線對有效功率的影響（發動機轉速1 600 r/min，高壓回路EGR系統）

圖13 新的氣門升程曲線對燃油消耗率的影響（發動機轉速1 600 r/min，高壓回路EGR系統）

圖14 新的氣門升程曲線對平均指示壓力協方差的影響（發動機轉速1 600 r/min，高壓回路EGR系統）

圖15 新的氣門升程曲線對有效功率的影響（發動機轉速3 600 r/min，高壓回路EGR系統）

圖16 新的氣門升程曲線對燃油消耗率的影響（發動機轉速3 600 r/min，高壓回路EGR系統）

該模型預測，采用新設計的氣門升程曲線，在發動機轉速1 600 r/min時，發動機有效功率增加超過5 k W（圖12），在3 600 r/min時增加約45 k W（圖15）。因為發動機功率不同，當平均指示壓力協方差小于目標值時，2種凸輪型線之間的燃油消耗率差異較小（圖13和圖16）。采用新設計的氣門升程曲線時，平均指示壓力協方差減小，或發動機的穩定性對外部EGR更具耐受性。數據表明，在發動機轉速1 600 r/min時采用新的升程曲線后，對外部EGR的容許極限提高3％以上（圖14）；而在發動機轉速3 600 r/min時，很難對外部EGR容許極限進行比較（圖17），因為有效功率變化較大，盡管只有改善容許極限才有可能使負荷增加。有了這些改進，該項目考慮提高發動機的壓縮比，以便在保持目標動力性能的同時，進一步達到更好的燃油經濟性。

圖17 新的氣門升程曲線對平均指示壓力協方差的影響（發動機轉速3 600 r/min，高壓回路EGR系統）

4 結語

在預測性良好的一維GT-Power模型的指導下，對1臺裝有水冷EGR的Chrysler 6.1 L渦輪增壓汽油機進行研究，得出以下結論。

（1）在發動機開發初期選擇壓縮比和渦輪增壓器尺寸的過程中，采用基于仿真（或建模）的數據，而不是測功器試驗數據，并通過有限的測功器試驗數據驗證功率、扭矩和燃油經濟性目標。

（2）通過進氣門和排氣門的倒流是引起缸內變動和每個氣缸中各循環間變動的主要因素。缸內殘余氣體、冷卻的再循環廢氣、空燃混合氣（僅針對進氣道噴射汽油機）的倒流極有可能被重新分配到本次循環和下一循環中的每個氣缸。

（3）通過一維GT-Power建模，推薦了1組新的氣門升程曲線，以提高容積效率和減小容積效率的缸內變動。

（4）采用冷卻的高壓回路EGR汽油機，并應用基于模型設計的新氣門升程曲線后，在發動機轉速1 600 r/min和3 600 r/min時進行測功器試驗，得出結果是功率大幅提高（發動機轉速3 600 r/min時增加45 k W），有效燃油消耗率和平均指示壓力協方差顯著改善，這表明各循環間變動顯著減小。

（5）這些相同的方法已成功應用于其他幾個發動機項目，測功器試驗點、成本和開發時間均顯著減少。

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張然治 譯自 SAE Paper 2013-01-1621

劉巽俊 校

虞 展 編輯

2013-07-23）