加載條件對柴油機瞬態響應的影響研究

宋德祥，李志鵬，李睿，石志勇，商顯赫，張付軍

(1.北京理工大學，北京 100081；2.中國北方車輛研究所，北京 100072；3.山西柴油機工業有限公司，山西 大同 037036)

渦輪增壓是內燃機發展的一個關鍵性技術，它不僅使發動機動力性做到強化[1]，而且對于改善柴油機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動機到高原環境就會出現動力不足現象[2]，在低速階段表現尤為突出，這是因為高原環境下，大氣的壓力比平原壓力低很多，進氣管空氣流量小，增壓器響應滯后加劇，導致發動機運行過程中“氣不跟油”，燃燒惡化[3-5]。由于排氣能量小，發動機低速工況增壓器幾乎不發揮作用，這種現象在高原環境下愈發明顯。渦輪增壓器的動態響應會對柴油機動態特性產生影響，改善柴油機與增壓器的高原響應特性對于柴油機在高原正常工作具有重要意義[6-8]。

許多學者對高原柴油機渦輪增壓方案進行匹配和研究[9-11]。王俊等[12]通過理論計算選取了合適的壓氣機和渦輪，并進行了配機試驗，保證農業機械具有良好的高原適應性。李書奇[13]更換高壓比壓氣機放氣閥渦輪增壓器解決高原增壓器超速問題。劉系暠[14]通過仿真發現二級增壓在高原相比單級增壓最大扭矩會得到提高。近年來，基于柴油機恒轉速增扭和恒扭增轉速瞬態工況，學者做了大量研究[15-17]，然而這兩種特殊加載方式都是保持轉速或扭矩恒定，與發動機在實際車輛上的情況相差較遠。在車輛起步過程中，柴油機受到液力變矩器力矩的作用，扭矩跟隨轉速變化(自然特性)，并在最高轉速處做近似恒轉速加載的過程，故本研究對“自然特性和恒轉速”組合加載的瞬態工況展開研究。柴油機與增壓器的動態特性之間存在復雜的影響關系，轉速和負荷變化會影響增壓器的動態特性，增壓器的動態特性反過來又影響柴油機進氣壓力和流量、噴油量等的變化，因而有必要研究高原條件下柴油機加載條件對柴油機動態特性的影響規律。

1 瞬態性能仿真平臺的建立

1.1 發動機模型

發動機是強耦合、復雜的非線性系統，車用發動機大多工作在瞬變過程，其工作狀態受氣體流動和缸內燃燒過程影響。由于進排氣管路的容積大，加之氣體具有可壓縮性，在動態過程中，進氣的響應速度遠慢于噴油的響應速度，具有較大的遲滯性。為了研究高原環境下渦輪增壓發動機瞬態響應情況,反映發動機動態過程的工作狀態，需要建立詳細的發動機物理模型，其應該能夠體現氣體的流動狀況和滯后效應，同時體現發動機曲軸和增壓器轉子的慣量對動態過程的影響等。

以某增壓柴油機為研究對象，在GT-Power中構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。

為了驗證發動機模型的可行性和準確性，以最高轉速點的平原扭矩值作為參考，將試驗數據和仿真數據進行歸一化處理，海拔0 m和4 500 m時試驗和仿真的歸一化外特性扭矩數據如圖1所示，扭矩的仿真值和試驗值誤差均在3.5%之內，說明發動機模型能夠滿足仿真的要求。

圖1 試驗與仿真扭矩

1.2 發動機控制策略模型

研究所用發動機油量控制采用全程調速的方式。全程調速作用于怠速到最高轉速的所有轉速范圍，自動調節循環供油量，發動機轉速波動較小，承載能力較強。全程調速模型中對油量的計算包括調速特性和轉速閉環控制兩個部分。根據發動機的當前工況和油門踏板的位置，調速特性部分計算出下一循環發動機目標轉速，如圖2所示。轉速閉環部分根據調速特性計算的目標轉速和實際轉速的差值，通過PID控制器將差值轉換成循環供油量，模型中調速率設置為10%。

圖2 全程調速特性模型

油量控制策略如圖3所示，通過全程調速計算得到循環供油量，在動態過程中，由于渦輪增壓器的滯后效應，進氣響應遠低于噴油響應，進氣量不足導致燃燒惡化，發動機出現冒煙的現象。為了避免空燃比過低出現冒黑煙的情況，對發動機冒煙極限進行限值，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動機循環供油量。

圖3 油量控制策略

1.3 測功機模型

以渦輪增壓柴油機為單一動力的車輛傳動系統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動機上的負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為泵輪轉矩；ρ為液體的密度；λ為泵輪轉矩系數；n為泵輪轉速；D為液力變矩器直徑。

圖4示出為發動機和液力變矩器共同工作輸入特性，是發動機和液力變矩器匹配的基礎，曲線a,b,c,d是不同的液力變矩器泵輪轉速和渦輪轉速速比的輸入特性。通過改變發動機和液力變矩器之間的前傳動比值，可以改變共同輸入特性。

圖4 共同工作輸入特性示意

為了模擬發動機在車輛運行中受到的負載情況，以發動機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)。當液力變矩器速比為0時，選擇前傳動比分別為0.7，1，1.1，確定三種自然特性加載條件。當三種自然特性加載條件到達標定點轉速后改變加載方式，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速在加載過程中所占的比例。圖5中，恒扭矩加速過程，由于前期轉速低，加載扭矩過大，發動機轉速不能增加。所用發動機的怠速轉速為800 r/min，仿真過程發動機從800 r/min開始加速，加載扭矩為800 r/min時圖中對應的扭矩。

圖5 加載條件

GT-Power仿真軟件有轉速模式和測功機模式，在加載過程中GT-Power不能將測功機模式切換到轉速模式，因此為了在測功機模式下實現恒轉速加載的過程，在測功機模塊下設計了一種可以近似模擬恒速加載的方法，通過測功機模塊進行加載過程的切換，如圖6所示。發動機的加載扭矩以自然特性加載方式進行加載，當到達目標轉速，加載過程切換到恒速加載。恒速加載過程發動機轉速為一定值，將需要穩定的發動機轉速作為目標值，與當前采集到的發動機信號做差值，采用增量式PID控制算法，控制發動機的加載扭矩，將發動機轉速穩定在一定范圍內，近似模擬恒速加載的過程。

圖6 測功機模塊

1.4 耦合仿真平臺

發動機的控制策略模型和測功機模塊在Simulink中建立，通過軟件的耦合單元建立聯合仿真平臺(見圖7)，能夠同時反映發動機的控制策略和動態過程的響應性。GT-Power運行模式設置為Load模式，Simulink傳遞循環噴油量和實時的負載信號給GT-Power，GT-Power將運行過程中的參數變化數據傳遞給Simulink，方便實時觀察和對數據進行后處理。

圖7 瞬態性能仿真平臺

2 不同加載條件下瞬態性能模擬分析

瞬態過程與穩態過程仿真計算中存在較大的差異，恒轉速增扭矩和恒扭矩增轉速是兩種典型的瞬態過程，而在車輛起步加速過程中不同于這兩種瞬態過程，發動機轉速和負載都是變化的。為了模擬車輛在高原海拔4 500 m環境中起步加速過程中發動機的瞬態變化情況，改變發動機的負載扭矩，也就改變了發動機的運行工況，進而探究渦輪增壓器各參數的動態變化情況，為后續研究高原環境發動機動態響應過程提供研究基礎。按圖5中三種加載條件進行加載，其中自然特性加載階段選用不同的前傳動比，以更好地模擬液力變矩器的加載狀態，到達最高轉速點再進行恒速加載，三種加載條件改變了加載過程中自然特性加載階段和恒速加載階段所占的比例。

2.1 發動機動態仿真分析

2.1.1 發動機瞬態響應過程分析

仿真從0 s開始，油門踏板在0.5 s內從0迅速增加到100%，仿真計算時長為12 s。由于仿真平臺的特殊計算方式，仿真開始的短時間處于怠速階段，當發動機轉速在全程調速的方式下開始上升時，加載模塊按圖5中加載條件1開始加載。發動機響應特性如圖8所示。

圖8 發動機轉速、空燃比、噴油量、渦輪功率、進氣壓力的響應特性(加載條件1)

從圖8可以看出，在自然特性加載過程中，發動機轉速快速上升到最大轉速，到了恒速加載階段，轉速在PID的控制下經過小幅度波動后趨于平穩。

在自然特性加載過程中，發動機的加載扭矩較小，發動機轉速升高較快。在這個過程前期，進氣壓力變化平緩，進氣量小，空燃比一直沒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，發動機燃燒指示功較小；排氣能量較低，排氣背壓較小，不能使渦輪轉子轉速快速升高，增壓器幾乎沒有發揮作用，渦輪輸出的功率也比較小，導致壓氣機壓縮空氣的增壓比小，進氣量小，又限制了供油量的增加，進氣響應滯后于燃油供給的響應性，“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，發動機轉速高，排氣流量得到提升，渦輪開始做功，增壓器發揮作用，進氣量得到補充，雖然空燃比仍然處在冒煙極限限制空燃比，但噴油量隨著進氣量明顯增加。

在恒速加載階段，發動機轉速處于最高轉速，隨著負載扭矩的增加，噴油量也快速增加。自然特性過程中發動機轉速的快速提升使得排氣流量增大，增壓器發揮作用，為恒速加載過程中提供了較高的進氣量，噴油量能夠快速增加，發動機排氣具備較高的能量，轉子轉速增速快，排氣能量給渦輪做功，渦輪功率較大，增壓器充分發揮增壓作用，進氣壓力也快速上升；噴油量不受空燃比的約束，能夠根據扭矩的需求而變化，受發動機外特性油量的約束，當噴油量達到外特性油量時便不再增加。

2.1.2 加載條件對發動機瞬態響應性的影響

按上述的仿真試驗對圖5中三種加載條件進行仿真，不同加載條件下發動機的瞬態響應特性如圖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，仿真結束時，三種加載條件下發動機的運行狀態相同，且發動機轉速達到了穩態，但不同的加載條件下各個參數在變化過程中具有較大的差異。如圖9a所示，在發動機轉速上升的過程中，加載條件1相比其他兩種加載條件負荷小，發動機轉速升高快。當達到最高轉速，加載過程變為恒轉速加載，加載條件1加載扭矩比較小，發動機轉速仍在上升的階段，t1后，為了穩定發動機轉速，發動機加載扭矩不斷增加，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渦輪轉子轉速升速更快，渦輪增壓器更快地發揮作用，進氣壓力建立得更快，也能更快地達到最大噴油量，最早達到目標扭矩值。加載條件2和3在自然特性加載過程中逐漸走向中高負荷區域，轉速升高得相對較慢，削弱了轉速升高建立進氣流量的能力，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，進氣量充足，可以滿足噴油量的增加。

圖9 不同加載條件下的發動機轉速、噴油量、空燃比、轉子轉速的響應特性

發動機以不同的加載條件從怠速開始加載，直至發動機各個參數達到平衡狀態，發動機在動態過程中各個參數的瞬態變化有明顯的差異。加載過程中，在發動機到達該動態過程的最高轉速前，發動機輸出扭矩大于加載扭矩，發動機轉速升高較快，到達最高轉速時刻的前一狀態，加載扭矩越低，發動機轉速在下一狀態超過目標值轉速差值越大，在加載扭矩的控制下，發動機轉速很快平穩，三種加載條件的發動機扭矩也在不同時刻達到目標扭矩值。

2.2 加載條件對發動機動態過程參數的影響

從上述不同加載條件下發動機動態過程中各個參數隨時間變化的分析可知，在高原環境中發動機的動態響應性差，主要是因為進氣量響應滯后于噴油量的響應。在發動機仿真的動態過程中，轉速和扭矩都是實時變化的，為了進一步探究加載條件對瞬態性能的影響，對發動機參數隨轉速的變化進行分析，如圖10所示。

圖10 渦輪功率、進氣流量和噴油量隨轉速的變化

如圖10所示，仿真曲線分為兩個階段，第一階段是發動機參數隨轉速升高的變化過程，第二階段是各參數在恒定轉速下變化的過程。不同加載條件下這兩個階段所占的比例是不同的，在發動機轉速增加階段加載扭矩大的加載條件此階段占的比例較大，恒轉速加載過程占的比例相對較少。理論上在恒轉速加載階段，發動機轉速在2 200 r/min時，各參數的變化應為一條垂直直線，圖中各參數在2 200 r/min附近小幅度水平波動，反映了發動機恒轉速加載的過程。

在同一個發動機轉速下，加載條件3排氣能量大，渦輪發出的功率多，增壓器具有更大的壓比，進氣量大，因此發動機噴油量多。加載條件1在增速階段處于低負荷狀態，發動機可以更快達到最高轉速，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，所以發動機排氣的能量小，進氣排氣壓力和流量相對較小；在恒轉速加載階段，由于發動機轉速提升，排氣流量增加時增壓器轉子轉速已經很高，消除了增壓器滯后現象，可以快速提供較大的進氣流量，噴油量能夠不受限制(冒煙極限)地快速上升，達到目標扭矩值對應的最大油量。

增壓器轉子轉速和進氣流量的變化率可以用于衡量渦輪增壓器的瞬態響應性，圖11示出了轉子轉速和進氣流量的變化率隨時間的變化曲線。

圖11 轉子轉速和進氣流量的變化率

如圖11所示，二者的變化趨勢是相同的，峰值的時刻也是近似對應的，排氣流量和進氣流量有著相互影響的關系。自然特性加載階段(即發動機轉速上升的階段)，增壓器轉子轉速和進氣流量的變化率同時在緩慢上升，因此發動機轉速的增加對增加排氣流量、提高渦輪功率、縮短渦輪增壓器滯后具有重要的作用。轉子轉速變化率達到峰值時，發動機處于恒速加載階段，由于增壓器已介入，進氣量增加，噴油量也迅速增加，負荷增大，排氣能量更高，因此轉子轉速變化率迅速增大且達到最大值，在渦輪增壓器的作用下，進氣流量也相應地變化。三種加載條件下轉子轉速變化率和進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載扭矩小，發動機轉速升高快，可提升排氣流量，轉子轉速和進氣流量的變化率升高速度也更快，因此峰值到來的時間更早，加載條件1在解決渦輪增壓器響應滯后的問題上效果更顯著。

由上述分析，發動機的進氣量主要受發動機轉速和噴油量兩個因素影響，三種加載條件下發動機瞬態進氣壓力隨轉速和噴油量的變化如圖12所示。

圖12 進氣壓力隨轉速和噴油量的變化

從圖12可以看出，三種不同的加載條件下，發動機從怠速開始沿著不同的軌跡到達相同的最終狀態(即標定轉速和大負荷工況)。對于條件1，在發動機轉速升高的過程中，前期噴油量比較小，進氣壓力也比較小，但是阻力小，發動機快速到達最高轉速，由于發動機排氣流量快速增加、增壓器滯后消失，發動機由低負荷增加到高負荷過程中，進氣壓力和噴油量都得以迅速增加。對于條件3，隨著發動機轉速的增加，由于負荷增加較快，因而在到達最高轉速前發動機已經處于高負荷狀態，噴油量和進氣壓力也隨之緩慢增加，此外由于在發動機提速初期噴油量受到空燃比限制，所以相對加載條件1而言，增壓器的滯后時間更長。圖12表明不同的加載條件導致發動機沿著不同的軌跡(轉速、噴油量和進氣壓力)達到標定點工況附近。以達到發動機高轉速高負荷工況為目標，為提高渦輪增壓器的瞬態響應性，可以改變發動機的加載條件，在低負荷階段提升發動機轉速，利用發動機排氣量的快速提升克服增壓器滯后現象，然后在高轉速下逐漸加載，以最短時間達到高轉速高負荷狀態。

3 結論

a)以解決高原環境車輛起步加速過程發動機響應性差的問題為目的，通過分析柴油機與變矩器的共同工作特性，提出了“自然特性和恒轉速”組合方式的測功機加載方式，建立了MATLAB/Simulink組合加載方式的仿真模型，實現了基于發動機性能分析軟件開展高原環境下加載條件對柴油機瞬態響應的影響研究；

b)通過三種不同的加載條件，從渦輪增壓器和發動機性能參數兩方面分析了發動機在高原環境中瞬態響應性，發現渦輪增壓器是解決發動機在高原環境中動態響應性差問題的關鍵；在變轉速增扭矩的瞬態變化過程中，發動機轉速和噴油量是影響進氣流量的兩個重要因素；

c)給發動機施加不同的加載條件，發動機就有不同的運行工況軌跡，在低負荷下快速提高發動機轉速，在高轉速下快速加載，能夠較快地建立起增壓壓力，達到發動機高速高負荷狀態。