汽油車變海拔動力恢復(fù)的增壓系統(tǒng)匹配研究

張璐璐，馬其華，張東劍，閆業(yè)翠

(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

高原環(huán)境給汽車運(yùn)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(jī)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(jī)缸內(nèi)空氣量減少，產(chǎn)生燃燒遲滯造成的。同時，隨著海拔上升，壓氣機(jī)進(jìn)入低雷諾區(qū)，渦輪進(jìn)入跨聲速區(qū)，增壓系統(tǒng)工作區(qū)變窄，易出現(xiàn)壓氣機(jī)喘振、渦輪超速等現(xiàn)象[1]。

在變海拔柴油機(jī)動力性恢復(fù)方面已開展了多方面的研究。張晶等[2]通過在某高原地區(qū)對裝甲車進(jìn)行實地試驗，研究高原環(huán)境下增壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的匹配規(guī)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(diào)節(jié)裝置對高海拔輕型車輛動力性恢復(fù)的作用。由于高原實地試驗存在試驗難度大、造價高、環(huán)境條件難以重現(xiàn)等缺點，采用模擬高原環(huán)境進(jìn)行柴油機(jī)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(qū)大氣特點，提出增加進(jìn)氣含氧量的方式提高柴油機(jī)的動力性。劉洋等[7]針對柴油機(jī)在高原環(huán)境存在動力下降的問題，提出一種采用燃?xì)鉁u輪增壓系統(tǒng)恢復(fù)高原柴油機(jī)動力的解決方案，并進(jìn)行了高原環(huán)境模擬試驗驗證。但高原環(huán)境模擬試驗臺也存在試驗設(shè)備昂貴、試驗成本高等缺點。如今，數(shù)值模擬方法被廣大學(xué)者所采用。K Han[8]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的燃燒模型，建立渦輪增壓柴油機(jī)數(shù)值模型，通過調(diào)節(jié)不同海拔高度下的噴油參數(shù)(如噴油時間等)提高柴油發(fā)動機(jī)動力性。

以上研究主要集中在變海拔條件下柴油機(jī)整車和發(fā)動機(jī)的動力性恢復(fù)問題，而對于汽油車的變海拔動力性恢復(fù)研究不多。目前，已經(jīng)開展了利用渦輪增壓技術(shù)在柴油機(jī)中實現(xiàn)高原動力性恢復(fù)的研究[9-10]，隨著增壓技術(shù)在汽油車中的普及，研究適應(yīng)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(chǔ)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(guī)律，通過對選配增壓系統(tǒng)中廢氣旁通閥開度的標(biāo)定，實現(xiàn)變海拔條件下的進(jìn)氣控制策略，從而提高汽油車對海拔的適應(yīng)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(tǒng))為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 汽油車結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

GT-Suite整車性能仿真平臺采用部件模塊化建模方式，通過設(shè)置各模塊的參數(shù)對不同車型進(jìn)行快速靈活建模，并具備復(fù)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(xué)模型，包括發(fā)動機(jī)、車身、傳動系統(tǒng)、外部環(huán)境等模塊，其中發(fā)動機(jī)模塊采用韋伯燃燒模型及Woschni傳熱模型。

圖1 汽油車動力學(xué)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(fā)動機(jī)模塊進(jìn)行合理性驗證。圖2為該車發(fā)動機(jī)外特性仿真值與試驗值的對比。

圖2 發(fā)動機(jī)外特性仿真值與試驗值對比

由圖2可知，除轉(zhuǎn)速2 000 r/min下扭矩誤差較大,為8.91%，其他轉(zhuǎn)速下扭矩及功率誤差均保持在7%以內(nèi)，發(fā)動機(jī)外特性仿真與試驗變化趨勢一致。因此，該發(fā)動機(jī)模型符合計算的精度要求，仿真結(jié)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(jìn)行對比。由表2可知，由于該模型是假設(shè)在無風(fēng)條件下行駛的前向動力學(xué)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(jìn)行性能分析研究。

表2 仿真結(jié)果與原車參數(shù)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(chǔ)上，以表3參數(shù)作為環(huán)境變量輸入整車系統(tǒng)，以此模擬高原大氣環(huán)境對汽油車動力性的影響。

表3 不同海拔環(huán)境參數(shù)

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(huán)境不同[11]，設(shè)T0、p0和ρ0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)的溫度、壓力及大氣密度，則：

T=T0-αH

(1)

(2)

(3)

式中:T為環(huán)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(huán)境各異，進(jìn)氣條件的改變影響發(fā)動機(jī)動力輸出，最終導(dǎo)致汽車動力性變化。汽車動力性指標(biāo)包括最高車速、加速時間和最大爬坡度。

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

(4)

式中:W為車輪負(fù)荷；f為滾動阻力系數(shù)；ur為有風(fēng)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(shù)；τ為沖程數(shù)。

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(jī)械效率ηT、滾動阻力系數(shù)f和空氣密度ρ。

假設(shè)汽車在不同海拔環(huán)境下運(yùn)行，無風(fēng)、噴油參數(shù)、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(jìn)氣密度降低，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量減小，過量空氣系數(shù)降低，造成壓縮終點壓力和溫度降低，反應(yīng)物分子間碰撞幾率降低?；旌蠚忸A(yù)反應(yīng)時間延長，滯燃期延長化學(xué)反應(yīng)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(bǔ)償動力損失。由以上分析可知：影響汽車動力的關(guān)鍵是發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣及燃燒過程。但燃燒過程復(fù)雜，無法準(zhǔn)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(shè)汽車在無風(fēng)的良好路面行駛，改變外部環(huán)境模塊參數(shù)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(xiàn)0～100 km/h加速，各項動力指標(biāo)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(fā)動機(jī)進(jìn)氣量小幅度變化，減小的空氣阻力補(bǔ)償了整車的驅(qū)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(bǔ)償發(fā)動機(jī)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(xiàn)[14]的道路試驗結(jié)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(xiàn)[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(qū)增加1.2 s。由于實地試驗的高海拔風(fēng)阻減小，且試驗車輛為四驅(qū)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(yīng)性。

3 汽油車變海拔工況的增壓系統(tǒng)匹配

采用增壓技術(shù)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(fù)問題，通過增加進(jìn)氣壓力的方式研究增壓技術(shù)對發(fā)動機(jī)性能恢復(fù)的影響，通過對增壓系統(tǒng)進(jìn)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(fù)的增壓系統(tǒng)匹配方案確定和控制策略制定提供支撐。

3.1 進(jìn)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(fā)動機(jī)的進(jìn)氣壓力的方式研究增壓技術(shù)對發(fā)動機(jī)性能恢復(fù)的影響。以海拔4 000 m為例，當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000、2 500和3 000 r/min的全負(fù)荷工況時，設(shè)置進(jìn)氣壓力分別為60、70、80、90和100 kPa，研究發(fā)動機(jī)功率變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 發(fā)動機(jī)功率隨進(jìn)氣壓力的變化

由圖4可知，轉(zhuǎn)速一定時，隨著進(jìn)氣壓力增大，進(jìn)氣量得到提高，發(fā)動機(jī)功率增加。進(jìn)氣壓力從60 kPa增加到100 kPa時，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的功率逐漸增大，最大增加77.07%。隨著進(jìn)氣壓力的上升，汽油機(jī)進(jìn)氣狀況逐漸得到改善。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，進(jìn)氣壓力從60 kPa增加到100 kPa，功率增加12.62 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，進(jìn)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(jìn)氣增壓對高轉(zhuǎn)速動力改善的效果更為明顯，因此本文采用增壓技術(shù)實現(xiàn)變海拔動力性能恢復(fù)。

3.2 增壓系統(tǒng)匹配方案確定

由以上分析可知，增加發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力可有效提高汽油車高原適應(yīng)性，同時為防止汽油發(fā)動機(jī)發(fā)生高壓爆燃現(xiàn)象，采用進(jìn)氣中冷的方法恢復(fù)汽油車的動力性。為適應(yīng)各海拔大氣環(huán)境，達(dá)到整車在海拔4 000 m范圍內(nèi)動力不降的目標(biāo)，以平原地區(qū)的原機(jī)動力性能為準(zhǔn)選配增壓器。根據(jù)發(fā)動機(jī)性能與進(jìn)氣量、噴油量以及增壓壓力之間的內(nèi)在聯(lián)系，推導(dǎo)所需壓氣機(jī)的質(zhì)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(nèi)壓力(Pa)；τ為沖程數(shù)；mair為進(jìn)氣流量(kg/s)； mf為燃油質(zhì)量流量(kg/s)；R為氣體常數(shù)；T為缸內(nèi)混合氣溫度(K)；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；VS為排量(m3)；Pout-c為壓氣機(jī)出口壓力；Pin-c為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力；ΔPc為中冷器壓降；ΔP為進(jìn)氣壓力損失；π為增壓比。

在選配過程中忽略進(jìn)氣壓力損失，壓氣機(jī)進(jìn)口壓力取高原(4 000 m)環(huán)境壓力 61.6 kPa，中冷器壓降采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通常中冷器的最大壓降在外特性上最大流量點達(dá)到且控制在 5 kPa以內(nèi)，最終匹配計算結(jié)果見表5。

表5 壓氣機(jī)增壓比及目標(biāo)空氣流量

由計算結(jié)果可知:增壓后發(fā)動機(jī)目標(biāo)需求的最大流量為0.111 kg/s，最大增壓比為1.991。根據(jù)渦輪增壓發(fā)動機(jī)的實際需求，選擇TF035增壓系統(tǒng)。為確保良好的匹配特性，避免超速現(xiàn)象，該增壓系統(tǒng)通過控制廢氣旁通閥開度的方式進(jìn)行渦輪增壓。其原理是：當(dāng)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(jīng)過渦輪機(jī)；當(dāng)廢氣旁通閥開度小時，絕大部分的廢氣從渦輪機(jī)流過而不經(jīng)過該閥，因而通過對該廢氣旁通閥的控制可以達(dá)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(tǒng)標(biāo)定與匹配分析

為研究發(fā)動機(jī)與增壓系統(tǒng)匹配效果，在原有發(fā)動機(jī)模型的基礎(chǔ)上匹配增壓系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 發(fā)動機(jī)增壓系統(tǒng)匹配模型

發(fā)動機(jī)與增壓系統(tǒng)匹配的動力性能要求在4 000～4 500 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有186 N·m左右的扭矩，且轉(zhuǎn)速在6 000 r/min時，功率要達(dá)到103 kW左右，當(dāng)節(jié)氣門全開時，設(shè)定不同海拔下各轉(zhuǎn)速的廢氣旁通閥開度。圖7為廢氣旁通閥開度的標(biāo)定曲線。

圖7 廢氣旁通閥開度標(biāo)定曲線

由圖7可知：各海拔下廢氣旁通閥開度隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢基本一致，海拔越低則廢氣旁通閥開度隨轉(zhuǎn)速變化的幅度越大。在相同轉(zhuǎn)速條件下，若保持目標(biāo)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(jī)提供合適的渦輪膨脹功，保證發(fā)動機(jī)與增壓系統(tǒng)的正常聯(lián)合運(yùn)行。在海拔4 000 m，發(fā)動機(jī)處于1 000～6 000 r/min的外特性工況下，壓氣機(jī)與發(fā)動機(jī)聯(lián)合仿真運(yùn)行效率如圖8所示。

圖8 壓氣機(jī)與發(fā)動機(jī)聯(lián)合運(yùn)行效率

由圖8可以看出：各個運(yùn)行點均未出現(xiàn)在壓氣機(jī)的喘振區(qū)和阻塞區(qū)，運(yùn)行曲線穿過壓氣機(jī)高效率區(qū)域內(nèi)，絕大多數(shù)運(yùn)行點的效率在60%以上，說明增壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)匹配情況良好。海拔4 000 m時，渦輪與發(fā)動機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行仿真效率如圖9所示。

圖9 渦輪與發(fā)動機(jī)聯(lián)合運(yùn)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(biāo)定廢氣旁通閥開度后的增壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)匹配效果良好。

3.4 增壓系統(tǒng)匹配效果分析

基于已選增壓系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)在各海拔下的動力恢復(fù)結(jié)果如圖10所示。

對廢氣增壓采用有效控制可使發(fā)動機(jī)的功率基本保持一致。高海拔地區(qū)氣壓低，為達(dá)到目標(biāo)功率，增壓器的壓比相應(yīng)升高，由于汽油機(jī)中轉(zhuǎn)速工況穿過增壓器高效區(qū)，動力恢復(fù)最為顯著。通過動力分析可知：高原地區(qū)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(fù)為例，研究汽油車動力恢復(fù)狀況，結(jié)果如圖11所示。

圖10 各海拔發(fā)動機(jī)功率恢復(fù)

圖11 增壓后各海拔原地起步加速

通過進(jìn)氣增壓，高海拔地區(qū)的加速性能基本恢復(fù)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(jìn)行開度標(biāo)定，可實現(xiàn)變海拔汽油車動力恢復(fù)的目標(biāo)。

4 結(jié)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(tǒng)對汽油車高原動力性能恢復(fù)的作用。結(jié)果表明：

1) 海拔上升，大氣條件變化，改變了發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，最終導(dǎo)致整車各項動力性指標(biāo)均呈現(xiàn)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(jìn)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(tǒng)，通過對廢氣旁通閥開度的標(biāo)定，實現(xiàn)廢氣旁通閥放氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足變海拔汽油車性能恢復(fù)的需求，實現(xiàn)海拔4 000 m范圍內(nèi)汽油車動力性能基本不變。