增壓柴油機(jī)瞬態(tài)特性的評(píng)估方法

黃昕煜， 邱苗， 崔毅， 鄧康耀, 劉勝

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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增壓柴油機(jī)瞬態(tài)特性的評(píng)估方法

黃昕煜， 邱苗， 崔毅， 鄧康耀, 劉勝

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)典型瞬態(tài)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)變化及能量傳遞關(guān)系，提出了一個(gè)通用的評(píng)價(jià)渦輪增壓柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能的方法，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、渦輪增壓器尺寸、初始運(yùn)行工況參數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的顯式關(guān)系。采用一維計(jì)算模型對(duì)提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同機(jī)型上進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，提出的渦輪增壓柴油機(jī)瞬態(tài)性能評(píng)價(jià)方法適用性強(qiáng)，且在整機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段就能夠定量研究瞬態(tài)性能并判別設(shè)計(jì)方案的可行性。

增壓柴油機(jī)； 瞬態(tài)特性； 評(píng)價(jià)指標(biāo)； 響應(yīng)

增壓柴油機(jī)如今被廣泛應(yīng)用于中大型車輛中，并憑借油耗低、升功率大的優(yōu)勢(shì)，在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，有著廣闊的發(fā)展空間。過(guò)去對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略和性能優(yōu)化的研究都主要基于穩(wěn)態(tài)特性，而實(shí)際上在道路上運(yùn)行的汽車40%～75%的時(shí)間是處于起動(dòng)、加速、減速及其他過(guò)渡工況，即瞬態(tài)工況。當(dāng)汽車行駛在市區(qū)時(shí)瞬態(tài)工況所占的比例更大。此外，汽車大部分有害物的排放和燃油消耗的40%～80%都來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況[1]。在瞬態(tài)工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、油耗、排放、噪聲等將偏離匹配點(diǎn)，因此不能用傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)特性建立的模型進(jìn)行計(jì)算。

如今發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)特性已經(jīng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，各國(guó)機(jī)構(gòu)也做了很多相關(guān)研究[2-4]。這些研究采用的是直接評(píng)價(jià)法，即對(duì)典型的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行直接的仿真分析或臺(tái)架試驗(yàn)[5-12]，以增壓壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)判別瞬態(tài)工況性能。瞬態(tài)工況直接評(píng)價(jià)方法比較直觀，且結(jié)果一般比較準(zhǔn)確。但是該方法需要非常具體的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進(jìn)排氣管路尺寸，難以在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段運(yùn)用，只能在穩(wěn)態(tài)匹配完成后進(jìn)行瞬態(tài)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，在某些情況下需要多次迭代，降低了匹配效率。

為了克服直接評(píng)價(jià)方法的缺點(diǎn),本研究提出了一個(gè)響應(yīng)公式，用以計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性能。響應(yīng)公式的應(yīng)用可以與穩(wěn)態(tài)匹配同時(shí)進(jìn)行，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)初始階段的設(shè)計(jì)工作。

1 瞬態(tài)過(guò)程的時(shí)序能量變化分析

為了得出瞬態(tài)響應(yīng)公式，首先需要分析發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程的時(shí)序能量變化。對(duì)應(yīng)整車的瞬態(tài)過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)工況大體可以分為定轉(zhuǎn)速增扭矩過(guò)程和定扭矩增轉(zhuǎn)速過(guò)程兩類,本文的分析主要針對(duì)定轉(zhuǎn)速加載過(guò)程。由于整車加速能力主要體現(xiàn)在低速扭矩的響應(yīng)速度，選擇最能反映整車加速能力的低轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

在模擬分析時(shí)，固定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在當(dāng)前轉(zhuǎn)速的最小扭矩下，將噴油量突加到全負(fù)荷油量，計(jì)算加載過(guò)程進(jìn)氣壓力的變化，以油門(mén)開(kāi)始變化為起始時(shí)間，以進(jìn)氣壓力達(dá)到最終穩(wěn)定值的90%為響應(yīng)結(jié)束時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間之差為進(jìn)氣壓力響應(yīng)時(shí)間。進(jìn)氣壓力響應(yīng)時(shí)間表征了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

圖1示出了實(shí)測(cè)的某車用增壓柴油機(jī)定轉(zhuǎn)速加載過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨時(shí)間的變化規(guī)律[13]。這是一個(gè)典型的瞬態(tài)加載過(guò)程，可以將這一瞬態(tài)過(guò)程分成3個(gè)階段(見(jiàn)圖2)。在階段A，隨著油量突加，扭矩也隨即上升，沒(méi)有延遲。而階段A扭矩上升的程度由缸內(nèi)初始的空氣量決定。在階段A末段，空燃比降到最低值。在階段B，雖然空燃比逐漸增加，但是由于空燃比的絕對(duì)值較低，不完全燃燒現(xiàn)象嚴(yán)重，因此扭矩基本保持不變。在C階段，隨著進(jìn)氣壓力的提高，空燃比逐漸提高，燃燒改善，因此輸出扭矩逐漸增加到穩(wěn)定值。

圖1 實(shí)測(cè)的定轉(zhuǎn)速加載過(guò)程

圖2 定轉(zhuǎn)速加載過(guò)程的3個(gè)階段

從以上的試驗(yàn)可以看出，扭矩上升的延遲是由進(jìn)氣量的不足導(dǎo)致的。為了預(yù)測(cè)出增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，需要對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)的響應(yīng)加以分析。

(1)

式中，A為溫升因子，受空燃比α和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。在相同轉(zhuǎn)速下，空燃比較高時(shí)燃油都可以保證充分燃燒，A基本不會(huì)隨α變化；當(dāng)空燃比偏低時(shí)，由于燃燒的不完全，A值隨α下降而減小。在瞬態(tài)工況下，空燃比α的突變導(dǎo)致了工質(zhì)溫度的突升。

已知Trise，則氣缸的排氣溫度可由進(jìn)氣溫度和Trise相加計(jì)算得到：

Tout=Tin+Trise。

(2)

在突加噴油的瞬時(shí)，增壓器的角加速度可以用式(3)求出：

(3)

此時(shí)渦輪功：

(4)

(5)

(6)

最終推出

(7)

在此加速度下，增壓器由低工況穩(wěn)態(tài)加速到高工況穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間定義為切向加速時(shí)間(見(jiàn)圖3)：

(8)

圖3 某機(jī)型增壓器轉(zhuǎn)速的GT-Power計(jì)算結(jié)果

切向加速時(shí)間Btangi反映了柴油機(jī)增壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，Btangi越小，則瞬態(tài)響應(yīng)越迅速。實(shí)際的響應(yīng)時(shí)間則是在Btangi的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)系數(shù)kB，kB與工況變化幅度有關(guān)。

最終可得渦輪增壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間：

(9)

2 渦輪增壓器響應(yīng)公式的簡(jiǎn)化

渦輪增壓器的響應(yīng)公式中很多性能參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段并不知道，因此還需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

首先考慮渦輪增壓器系統(tǒng)，式(10)建立了渦輪增壓器的能量平衡關(guān)系：

(10)

由式(10)可以得到：

(11)

根據(jù)渦輪流量公式可以得到渦輪流量和壓比的關(guān)系：

(12)

式中：αf為脈沖流量系數(shù)；β為脈沖能量系數(shù)。這兩個(gè)系數(shù)是在考慮脈沖氣流對(duì)渦輪流量和能量影響后提出的修正系數(shù)，通過(guò)這兩個(gè)系數(shù)的修正，就可以把實(shí)際的脈沖氣流作為平均壓力和溫度下的假想穩(wěn)定氣流來(lái)處理。

壓氣機(jī)的氣體流量可以通過(guò)式(13)得到：

(13)

式中：ηv為充氣效率；φs為掃氣系數(shù)；ρs為進(jìn)氣密度；vd是氣缸的工作容積。

(14)

將式(11)代入可得壓氣機(jī)的絕熱焓降：

(15)

擬合結(jié)果為

(16)

(17)

式中：Rg為理想氣體常數(shù)；AT為渦輪通流面積；DT為渦輪直徑。結(jié)合式(9)和式(17)，可以最終得到響應(yīng)公式：

(18)

圖4 log(A1) 和 log(A2)的比例關(guān)系

綜上所述，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)匹配的理論計(jì)算估算出需要的性能參數(shù)，就可以估算出渦輪增壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間Btc。

3 渦輪增壓系統(tǒng)響應(yīng)公式的驗(yàn)證

為了確定響應(yīng)公式的適用性，針對(duì)D6114增壓柴油機(jī)計(jì)算不同工況下的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)提出的響應(yīng)公式進(jìn)行驗(yàn)證。D6114柴油機(jī)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 D6114增壓柴油機(jī)主要參數(shù)

采用GT-Power軟件建立D6114柴油機(jī)的仿真計(jì)算模型。進(jìn)排氣管路根據(jù)進(jìn)排氣管路尺寸建模。中冷器采用Pipe模塊，通過(guò)增大管壁面積、設(shè)定目標(biāo)壁溫、增大傳熱系數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)中冷器的效果。燃燒模型通過(guò)試驗(yàn)得到的缸壓曲線求得相應(yīng)的韋伯參數(shù)。由此建立D6114柴油機(jī)的計(jì)算模型，并將計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，模型的誤差情況見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 標(biāo)定轉(zhuǎn)速模型誤差情況

圖6 最大扭矩轉(zhuǎn)速模型誤差情況

可以看出，主要性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差都在5%以內(nèi)。所建立的仿真模型精度較高，可以用來(lái)進(jìn)行性能分析研究。

對(duì)于D6114柴油機(jī)，需要計(jì)算其在表2所示工況下,5 s時(shí)突加載的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

表2 計(jì)算工況

首先要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)匹配計(jì)算公式計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下的穩(wěn)態(tài)性能參數(shù),并通過(guò)這些穩(wěn)態(tài)參數(shù)求出增壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間(見(jiàn)表3)，kB值取1.2。

表3 響應(yīng)時(shí)間計(jì)算表

為了驗(yàn)證Btangi的精度，用D6114柴油機(jī)的GT模型對(duì)以上工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，用進(jìn)氣壓力的變化來(lái)反映瞬態(tài)特性，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。

以進(jìn)氣壓力達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)值90%的時(shí)刻作為加載結(jié)束時(shí)刻，得到GT仿真下各工況的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間(見(jiàn)表4)。

圖7 不同工況下進(jìn)氣壓力的響應(yīng)特性

工況點(diǎn)工況1工況2工況3工況4加速響應(yīng)時(shí)間/s4．53．25．08．0

對(duì)比表4中工況1與工況4的響應(yīng)時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加1倍，響應(yīng)時(shí)間并不是相應(yīng)增加1倍。這是由于進(jìn)氣壓力的響應(yīng)不只與渦輪增壓器的響應(yīng)特性相關(guān)，還與發(fā)動(dòng)機(jī)的能量傳遞延遲和進(jìn)排氣管道的壓力波傳遞延遲有關(guān)，這部分的延遲時(shí)間可定義為B′。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)際的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為B=Btc+B′。相比于Btc，延遲時(shí)間B′更難用一個(gè)直觀的公式表示，因?yàn)橛绊懩芰總鬟f和壓力波傳遞的因素更加繁雜。B′主要與發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑、轉(zhuǎn)速、進(jìn)排氣管的結(jié)構(gòu)相關(guān)，而與渦輪增壓系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

工況4與工況1相比，渦輪增壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大一倍，B′不變，Btc增大了一倍。因而可以求出原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下Btc=3.5 s，工況1下B′=1 s。

對(duì)于以上4個(gè)工況，由于氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進(jìn)排氣管路相同，因此延遲時(shí)間B′均取1 s，用GT仿真的加速響應(yīng)時(shí)間B減去B′,可以得到實(shí)際的渦輪增壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間(見(jiàn)表5)。

表5 仿真得出的渦輪增壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

圖8示出了表3(響應(yīng)公式)與表5(仿真)的結(jié)果對(duì)比。從圖8中可以看到，響應(yīng)公式計(jì)算的Btangi值與GT的仿真結(jié)果基本一致。可見(jiàn)此響應(yīng)公式對(duì)D6114機(jī)型的響應(yīng)特性有很好的預(yù)測(cè)性。

圖8 響應(yīng)公式計(jì)算的Btangi與GT仿真值的對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)公式，將公式應(yīng)用于另兩款增壓柴油機(jī)132和WP7中，計(jì)算其瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。機(jī)型的基本參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 柴油機(jī)主要參數(shù)

計(jì)算了132柴油機(jī)在2 100 r/min，扭矩從350 N·m加載到880 N·m以及WP7柴油機(jī)在1 000 r/min，扭矩從480 N·m加載到950 N·m的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

表7示出了穩(wěn)態(tài)參數(shù)，并用公式計(jì)算了響應(yīng)時(shí)間，kB值取1.2。

表7 不同機(jī)型的響應(yīng)時(shí)間計(jì)算表

類似地，建立了132和WP7柴油機(jī)的GT模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，得出的進(jìn)氣壓力響應(yīng)特性見(jiàn)圖9。

圖9 132和WP7柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力瞬態(tài)響應(yīng)特性

從圖9中找到各機(jī)型增壓壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)值90%的點(diǎn)，132機(jī)型加速時(shí)間為2.6 s，WP7的加速時(shí)間為3.7 s，減去約1 s的延遲時(shí)間B′，兩者的實(shí)際渦輪增壓器響應(yīng)時(shí)間為1.6 s和2.7 s，與表6中計(jì)算得出的響應(yīng)時(shí)間Btc基本相符。由此可見(jiàn)，本研究提出的響應(yīng)公式在不同機(jī)型、不同工況下有著較廣的適用性，可以用于在發(fā)動(dòng)機(jī)初始設(shè)計(jì)階段估算不同方案的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一個(gè)便于使用的瞬態(tài)響應(yīng)公式，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)初始設(shè)計(jì)階段判斷機(jī)型的瞬態(tài)特性。通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程的能量時(shí)序變化，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)過(guò)程的渦前排溫突變是影響瞬態(tài)響應(yīng)的主因，并以此為突破口，提出了切向加速時(shí)間這個(gè)參數(shù)來(lái)反映渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性。采用一些數(shù)學(xué)方法，對(duì)響應(yīng)公式中一些難以求得的性能參數(shù)作了簡(jiǎn)化，得到了增壓器響應(yīng)時(shí)間Btc與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及性能參數(shù)的顯式關(guān)系。最后，通過(guò)GT仿真不同機(jī)型、不同工況下的響應(yīng)特性，對(duì)Btc的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)公式能較好地預(yù)測(cè)渦輪增壓柴油機(jī)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

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[編輯： 姜曉博]

Evaluation Method for Transient Performance of Turbocharged Diesel Engine

HUANG Xinyu1, QIU Miao1， CUI Yi1, DENG Kangyao1, LIU Sheng2

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

An evaluation method for transient performance of a turbocharged diesel engine was put forward according to the variation of each parameter and the energy transfer relationship during the typical transient process and the explicit relationship of transient response index with engine critical geometry parameter, turbocharger dimension and initial operating parameters was built. The proposed evaluation index was verified in different engines with one-dimensional calculation model. The results show that the evaluation method can analyze the transient performance quantitatively and judge the feasibility of design schemes due to its strong application characteristics.

turbocharged diesel engine; transient characteristic; evaluation index； response

2015-09-21；

2015-12-13

科工局基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新項(xiàng)目(MPRDDE0404)

黃昕煜(1992—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮杉?jí)增壓系統(tǒng)匹配及瞬態(tài)特性；361020604@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.004

TK421.8

B

1001-2222(2016)01-0022-06