汽油車變海拔動力恢復的增壓系統匹配研究

張璐璐，馬其華，張東劍，閆業翠

(上海工程技術大學 汽車工程學院， 上海 201620)

高原環境給汽車運行帶來諸多不利影響，如動力性下降、燃油消耗率上升、碳煙排放惡化等。以增壓柴油機為例，海拔每升高1 000 m動力會下降4.0%～13.0%，這是由于大氣壓力降低，柴油機缸內空氣量減少，產生燃燒遲滯造成的。同時，隨著海拔上升，壓氣機進入低雷諾區，渦輪進入跨聲速區，增壓系統工作區變窄，易出現壓氣機喘振、渦輪超速等現象[1]。

在變海拔柴油機動力性恢復方面已開展了多方面的研究。張晶等[2]通過在某高原地區對裝甲車進行實地試驗，研究高原環境下增壓系統與發動機的匹配規律。董素榮等[3]通過高原實地試驗對比研究輕型車輛低、高海拔起步加速性能和直接擋加速性能，分析加裝KSB低溫起動調節裝置對高海拔輕型車輛動力性恢復的作用。由于高原實地試驗存在試驗難度大、造價高、環境條件難以重現等缺點，采用模擬高原環境進行柴油機性能模擬試驗成為主要研究手段[4]。Peter L等[5]和張永虎等[6]針對高海拔地區大氣特點，提出增加進氣含氧量的方式提高柴油機的動力性。劉洋等[7]針對柴油機在高原環境存在動力下降的問題，提出一種采用燃氣渦輪增壓系統恢復高原柴油機動力的解決方案，并進行了高原環境模擬試驗驗證。但高原環境模擬試驗臺也存在試驗設備昂貴、試驗成本高等缺點。如今，數值模擬方法被廣大學者所采用。K Han[8]基于神經網絡的燃燒模型，建立渦輪增壓柴油機數值模型，通過調節不同海拔高度下的噴油參數(如噴油時間等)提高柴油發動機動力性。

以上研究主要集中在變海拔條件下柴油機整車和發動機的動力性恢復問題，而對于汽油車的變海拔動力性恢復研究不多。目前，已經開展了利用渦輪增壓技術在柴油機中實現高原動力性恢復的研究[9-10]，隨著增壓技術在汽油車中的普及，研究適應不同海拔下的汽油車增壓控制策略具有重要作用。本文在分析汽油車動力性受海拔影響的基礎上，基于GT-suite仿真平臺，研究汽油車動力性受海拔影響的變化規律，通過對選配增壓系統中廢氣旁通閥開度的標定，實現變海拔條件下的進氣控制策略，從而提高汽油車對海拔的適應性。

1 整車動力性仿真模型

為研究汽油車動力性隨海拔變化情況，以某汽油車(未安裝增壓系統)為研究對象，其主要參數如表1所示。

表1 汽油車結構基本參數

GT-Suite整車性能仿真平臺采用部件模塊化建模方式，通過設置各模塊的參數對不同車型進行快速靈活建模，并具備復雜完善的求解器，從而確保計算的快速完成。圖1為平臺所建立的汽油車動力學模型，包括發動機、車身、傳動系統、外部環境等模塊，其中發動機模塊采用韋伯燃燒模型及Woschni傳熱模型。

圖1 汽油車動力學模型

為研究汽油車在變海拔工況下的動力變化情況，需對汽油發動機模塊進行合理性驗證。圖2為該車發動機外特性仿真值與試驗值的對比。

圖2 發動機外特性仿真值與試驗值對比

由圖2可知，除轉速2 000 r/min下扭矩誤差較大,為8.91%，其他轉速下扭矩及功率誤差均保持在7%以內，發動機外特性仿真與試驗變化趨勢一致。因此，該發動機模型符合計算的精度要求，仿真結果具有可信性。同時，為保證汽油車仿真模型的合理性，還需對該車的動力性能仿真值與原車試驗值進行對比。由表2可知，由于該模型是假設在無風條件下行駛的前向動力學仿真，模擬換擋時與原車試驗的過程有些差距，但誤差均小于5%。因此，所建立的汽油車模型精度較高，可以用來進行性能分析研究。

表2 仿真結果與原車參數對比

2 汽油車變海拔工況的動力性分析

在汽油車仿真模型合理的基礎上，以表3參數作為環境變量輸入整車系統，以此模擬高原大氣環境對汽油車動力性的影響。

表3 不同海拔環境參數

2.1 汽油車變海拔工況動力性能變化分析

各海拔條件的大氣環境不同[11]，設T0、p0和ρ0分別為標準大氣狀態的溫度、壓力及大氣密度，則：

T=T0-αH

(1)

(2)

(3)

式中:T為環境溫度(℃)；H為海拔高度(km)；p為海拔高度H下的氣壓(kPa)；α為溫度梯度(6.5 ℃/km)；ρ為大氣密度(kg/m3)。

由式(1)～(3)可知，不同海拔條件的大氣環境各異，進氣條件的改變影響發動機動力輸出，最終導致汽車動力性變化。汽車動力性指標包括最高車速、加速時間和最大爬坡度。

剩余驅動力ΔF=Ft-(Ff+FW)，當驅動力大于行駛阻力時，剩余驅動力可用于加速、爬坡以及達到最高車速。

(4)

式中:W為車輪負荷；f為滾動阻力系數；ur為有風條件下的相對車速；ηT為傳動系的效率；ηet為有效熱效率；gb為各缸噴油量(mg)；Hu為燃料低熱值；i為氣缸數；τ為沖程數。

ΔF=a1ηetgbηT-[a2f+ω(ρ)]

(5)

由式(4)可知，整車動力性主要取決于有效熱效率ηet、各缸噴油量gb、機械效率ηT、滾動阻力系數f和空氣密度ρ。

假設汽車在不同海拔環境下運行，無風、噴油參數、傳動效率及道路條件基本不變。隨著海拔上升，大氣壓力降低，進氣密度降低，發動機進氣量減小，過量空氣系數降低，造成壓縮終點壓力和溫度降低，反應物分子間碰撞幾率降低。混合氣預反應時間延長，滯燃期延長化學反應速度降低，平均指示壓力降低，指示熱效率和有效熱效率ηet下降[12]，最終影響整車動力性。大氣密度下降，空氣阻力FW隨之下降，雖有助于提升整車動力，但減小程度有限，無法補償動力損失。由以上分析可知：影響汽車動力的關鍵是發動機的進氣及燃燒過程。但燃燒過程復雜，無法準確分析動力損失狀況，因此本文建立汽油車模型，定量分析海拔條件對整車動力性的影響。

2.2 汽油車變海拔工況性能變化仿真分析

假設汽車在無風的良好路面行駛，改變外部環境模塊參數模擬仿真各海拔的最高車速、加速時間以及最大爬坡度。其中，汽車上坡能力用1擋滿載最大爬坡度表示[13]，由1擋起步實現0～100 km/h加速，各項動力指標隨海拔變化趨勢如圖3所示。

圖3 汽油車變海拔工況性能變化趨勢

由圖3可知，隨著海拔上升，汽油車動力性基本呈下降趨勢。其中，海拔1 km的最大爬坡度較0 km略有上升，由于此時空氣密度下降幅度較小，發動機進氣量小幅度變化，減小的空氣阻力補償了整車的驅動力損失。隨著海拔上升，空氣密度下降幅度越來越大，盡管空氣阻力減小，一定程度上提升了汽油車動力性，但無法補償發動機動力下降對整車動力性能造成的損失。其中，海拔4 000 m的加速性能下降最為明顯，加速時間增加74.97%，而最高車速和最大爬坡度下降幅度較小，分別為31.4%和33.74%。圖3中，海拔每升高1 000 m，最高車速降低6.46%～13.3%。文獻[14]的道路試驗結果表明：最高車速下降了7.98%～18.67%，與仿真變化趨勢接近。該汽油車0～20 km/h起步換擋加速情況如表4所示。

表4 0～20 km/h起步換擋加速

由表4可知:該汽油車在4 000 m的0～20 km/h加速仿真過程中，相較于0 m增加1.47 s。文獻[15]中某汽油車在海拔4 200 m的0～20 km/h加速試驗時間相較于海拔50 m地區增加1.2 s。由于實地試驗的高海拔風阻減小，且試驗車輛為四驅車，故動力變化較小，但在一定程度上驗證了仿真的可靠性。因此，針對汽油車的高原動力損失問題，需采取措施提高其變海拔適應性。

3 汽油車變海拔工況的增壓系統匹配

采用增壓技術可以有效改善汽油車的變海拔動力性能。針對變海拔汽油車動力恢復問題，通過增加進氣壓力的方式研究增壓技術對發動機性能恢復的影響，通過對增壓系統進行匹配計算，選擇合適的增壓器，并研究增壓器的變海拔控制策略，為汽油車變海拔動力性能恢復的增壓系統匹配方案確定和控制策略制定提供支撐。

3.1 進氣壓力對汽油車動力性能的影響

隨著海拔的上升，汽油車的動力性顯著下降，因此，通過提高發動機的進氣壓力的方式研究增壓技術對發動機性能恢復的影響。以海拔4 000 m為例，當汽油機轉速分別為2 000、2 500和3 000 r/min的全負荷工況時，設置進氣壓力分別為60、70、80、90和100 kPa，研究發動機功率變化情況，結果如圖4所示。

圖4 發動機功率隨進氣壓力的變化

由圖4可知，轉速一定時，隨著進氣壓力增大，進氣量得到提高，發動機功率增加。進氣壓力從60 kPa增加到100 kPa時，不同轉速下發動機的功率逐漸增大，最大增加77.07%。隨著進氣壓力的上升，汽油機進氣狀況逐漸得到改善。當轉速為2 000 r/min時，進氣壓力從60 kPa增加到100 kPa，功率增加12.62 kW；當轉速為3 000 r/min時，進氣壓力從60 kPa增加到100 kPa，功率增加26.86 kW。由功率變化情況可知，進氣增壓對高轉速動力改善的效果更為明顯，因此本文采用增壓技術實現變海拔動力性能恢復。

3.2 增壓系統匹配方案確定

由以上分析可知，增加發動機進氣壓力可有效提高汽油車高原適應性，同時為防止汽油發動機發生高壓爆燃現象，采用進氣中冷的方法恢復汽油車的動力性。為適應各海拔大氣環境，達到整車在海拔4 000 m范圍內動力不降的目標，以平原地區的原機動力性能為準選配增壓器。根據發動機性能與進氣量、噴油量以及增壓壓力之間的內在聯系，推導所需壓氣機的質量流量與壓比，其中：

(6)

Pout-c=Pin+ΔPc

(7)

Pin-c=P-ΔP

(8)

(9)

式中：Pin為缸內壓力(Pa)；τ為沖程數；mair為進氣流量(kg/s)； mf為燃油質量流量(kg/s)；R為氣體常數；T為缸內混合氣溫度(K)；n為發動機轉速；VS為排量(m3)；Pout-c為壓氣機出口壓力；Pin-c為壓氣機進口壓力；ΔPc為中冷器壓降；ΔP為進氣壓力損失；π為增壓比。

在選配過程中忽略進氣壓力損失，壓氣機進口壓力取高原(4 000 m)環境壓力 61.6 kPa，中冷器壓降采用經驗數據，通常中冷器的最大壓降在外特性上最大流量點達到且控制在 5 kPa以內，最終匹配計算結果見表5。

表5 壓氣機增壓比及目標空氣流量

由計算結果可知:增壓后發動機目標需求的最大流量為0.111 kg/s，最大增壓比為1.991。根據渦輪增壓發動機的實際需求，選擇TF035增壓系統。為確保良好的匹配特性，避免超速現象，該增壓系統通過控制廢氣旁通閥開度的方式進行渦輪增壓。其原理是：當廢氣旁通閥開度大時，大量的廢氣將從該廢氣旁通閥流過而不經過渦輪機；當廢氣旁通閥開度小時，絕大部分的廢氣從渦輪機流過而不經過該閥，因而通過對該廢氣旁通閥的控制可以達到控制渦輪增壓的目的。圖5為渦輪增壓控制方式示意圖。

圖5 渦輪增壓示意圖

3.3 增壓系統標定與匹配分析

為研究發動機與增壓系統匹配效果，在原有發動機模型的基礎上匹配增壓系統，如圖6所示。

圖6 發動機增壓系統匹配模型

發動機與增壓系統匹配的動力性能要求在4 000～4 500 r/min的轉速范圍內具有186 N·m左右的扭矩，且轉速在6 000 r/min時，功率要達到103 kW左右，當節氣門全開時，設定不同海拔下各轉速的廢氣旁通閥開度。圖7為廢氣旁通閥開度的標定曲線。

圖7 廢氣旁通閥開度標定曲線

由圖7可知：各海拔下廢氣旁通閥開度隨轉速變化的趨勢基本一致，海拔越低則廢氣旁通閥開度隨轉速變化的幅度越大。在相同轉速條件下，若保持目標動力性能要求不變，則海拔越低越需增大廢氣旁通閥的開度從增加渦輪做功的能力，為壓氣機提供合適的渦輪膨脹功，保證發動機與增壓系統的正常聯合運行。在海拔4 000 m，發動機處于1 000～6 000 r/min的外特性工況下，壓氣機與發動機聯合仿真運行效率如圖8所示。

圖8 壓氣機與發動機聯合運行效率

由圖8可以看出：各個運行點均未出現在壓氣機的喘振區和阻塞區，運行曲線穿過壓氣機高效率區域內，絕大多數運行點的效率在60%以上，說明增壓系統與發動機匹配情況良好。海拔4 000 m時，渦輪與發動機的聯合運行仿真效率如圖9所示。

圖9 渦輪與發動機聯合運行效率

由圖9可以看出：在1 000～6 000 r/min的外特性工況下，渦輪效率保持在52%～70%；在1 000～4 000 r/min工況下，渦輪效率保持在57%以上。因此，標定廢氣旁通閥開度后的增壓系統與發動機匹配效果良好。

3.4 增壓系統匹配效果分析

基于已選增壓系統，發動機在各海拔下的動力恢復結果如圖10所示。

對廢氣增壓采用有效控制可使發動機的功率基本保持一致。高海拔地區氣壓低，為達到目標功率，增壓器的壓比相應升高，由于汽油機中轉速工況穿過增壓器高效區，動力恢復最為顯著。通過動力分析可知：高原地區加速性能下降顯著，難以滿足行駛要求，因此以各海拔加速性能的恢復為例，研究汽油車動力恢復狀況，結果如圖11所示。

圖10 各海拔發動機功率恢復

圖11 增壓后各海拔原地起步加速

通過進氣增壓，高海拔地區的加速性能基本恢復至平原性能，4 000 m處加速時間縮短40%以上，加速性能得到很大的提升。因此，對廢氣旁通閥進行開度標定，可實現變海拔汽油車動力恢復的目標。

4 結論

通過建立汽油車仿真模型，改變各海拔的大氣條件模擬汽油車動力性狀況，同時研究增壓系統對汽油車高原動力性能恢復的作用。結果表明：

1) 海拔上升，大氣條件變化，改變了發動機進氣量，最終導致整車各項動力性指標均呈現下降趨勢，加速性能的損失尤為顯著。海拔3 000 m以上，原地起步加速時間增加49.58%～74.97%。

2) 進氣壓力對汽油車動力性能影響較為顯著，選擇合適的增壓系統，通過對廢氣旁通閥開度的標定，實現廢氣旁通閥放氣量的連續調節，滿足變海拔汽油車性能恢復的需求，實現海拔4 000 m范圍內汽油車動力性能基本不變。