某車型高原動(dòng)力性優(yōu)化策略分析

劉航瑜，康建偉，廉蓉，孫哲

（1.陜汽集團(tuán)商用車有限公司，陜西 寶雞 721000；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

近年來發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，海拔每升高1000 m，在中高轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣流量減小3.1%，在低轉(zhuǎn)速下減小量增至7.2%。在循環(huán)噴油量保持不變的前提下，進(jìn)氣量減小，必然造成空燃比隨海拔的增加而降低，5000m 海拔下的空燃比相對(duì)零海拔減小3～5。同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)滯燃期增加，后燃嚴(yán)重，指示熱效率降低，引起柴油機(jī)高海拔性能的下降[1]。

根據(jù)以往發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能試驗(yàn)及仿真計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，基于電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)的柴油機(jī)在高原環(huán)境使用，通過優(yōu)化匹配渦輪增壓器和對(duì)電控燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行高原環(huán)境標(biāo)定，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的高原性能。本論文旨在通過AVL BOOST對(duì)WP12.570 型目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一維仿真分析，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在高原工況下性能的提升。

1 AVL-Boost 構(gòu)建一維熱力學(xué)模型

使用一維仿真軟件AVL-Boost對(duì)WP12.570發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，如圖1 所示。使用數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行標(biāo)定，提高模型的準(zhǔn)確性，從而提高仿真分析的精度。其中增壓器參數(shù)如表1所示。

通過對(duì)渦輪增壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行高原環(huán)境標(biāo)定，得到其在高原環(huán)境下的基本性能參數(shù)。其中，高原標(biāo)定試驗(yàn)主要包含對(duì)駕駛性能標(biāo)定、增壓器的保護(hù)標(biāo)定和煙度限值標(biāo)定等項(xiàng)目。試驗(yàn)車輛從海拔2700 米的格爾木出發(fā)駛向海拔4800 米左右的昆侖山，根據(jù)車輛實(shí)際行駛情況，采集相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2。

圖1 WP12.570 發(fā)動(dòng)機(jī)一維熱力學(xué)模型

表1 增壓器參數(shù)

2 增壓器高原熱力學(xué)方仿真分析

高原地區(qū)車輛使用環(huán)境條件如表3 所示。

根據(jù)高原試驗(yàn)的限油情況，在標(biāo)定4000m 的一維熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，推算出平原上發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，分別計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔高度為2800m、4000m、4500m、5000m 和5231m的條件下的運(yùn)行狀態(tài)并與平原狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4 所示。

通過以上分析可知，WP12.570 柴油機(jī)在海拔4000m 及以上高原環(huán)境下，標(biāo)定點(diǎn)及高轉(zhuǎn)速區(qū)增壓器、壓氣機(jī)均超出限值。通過限油策略，可以保證增壓器轉(zhuǎn)速及壓氣機(jī)出口溫度滿足要求；且在低速區(qū)域，該策略也可避免煙度惡化。

表4 各海拔發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)對(duì)比

3 高原動(dòng)力性提升措施仿真分析

按照該車高原動(dòng)力性提升方案擬采取的措施，在AVL-Boost 仿真軟件中設(shè)置匹配VGT 渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)高原供油策略優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，構(gòu)建高原環(huán)境數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配優(yōu)化仿真分析

在AVL-Boost 仿真模塊下，對(duì)優(yōu)化匹配VGT 渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)總成在高原地區(qū)的性能進(jìn)行分析[2]。根據(jù)分析數(shù)據(jù)做出發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器在各海拔高度的聯(lián)合運(yùn)行線，并與平原狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖2 所示。

圖2 各海拔發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器聯(lián)合運(yùn)行線

將仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，誤差如表5 所示。

表5 仿真值與試驗(yàn)值誤差百分比

由表5 可以看出，仿真計(jì)算值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，仿真模型的精度滿足要求。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)高原供油策略優(yōu)化后動(dòng)力性仿真分析

通過調(diào)整噴油提前角和循環(huán)供油量的聯(lián)合優(yōu)化方法，對(duì)高原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以改變發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況下的燃燒相位，在提高循環(huán)熱效率的基礎(chǔ)上提升該車發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境下的性能。

法國(guó)成人教育的一大特色就是多機(jī)構(gòu)參與，這些機(jī)構(gòu)主要包括營(yíng)利性、非營(yíng)利性私營(yíng)機(jī)構(gòu)、公立和半公立機(jī)構(gòu)等?？梢越梃b法國(guó)的做法，在鼓勵(lì)諸如職教中心、職業(yè)院校開展成人教育的同時(shí)，通過政策支持社會(huì)力量興辦成人教育，這些社會(huì)力量應(yīng)包括營(yíng)利性私營(yíng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，應(yīng)通過補(bǔ)貼的方式鼓勵(lì)各種成人和職業(yè)教育協(xié)會(huì)等民間非營(yíng)利性組織實(shí)施成人教育。這樣才能調(diào)動(dòng)全社會(huì)的積極性，吸引更多的成人教育的專業(yè)人才投入到成人教育事業(yè)之中。

3.2.1 供油提前角及最大循環(huán)供油量?jī)?yōu)化

在不同海拔下，噴油定時(shí)極大地影響了最高燃燒壓力隨海拔的變化規(guī)律。隨海拔的增加，該高壓共軌柴油機(jī)噴油提前，提前量在1～5℃A，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷越高，提前量也越大。海拔4000m 比平原提前5 A℃ 。該柴油機(jī)在噴油定時(shí)提前量較大的工況下，最高燃燒壓力相位提前量也比較大，在其他工況下，最高燃燒壓力相位隨海拔的升高提前較小，這也是其他工況下最高燃燒壓力隨海拔的升高明顯下降的重要原因之一。

噴油提前，預(yù)混合燃燒量增加，最高燃燒壓力增加，能夠部分補(bǔ)償因進(jìn)氣壓力降低造成的最高燃燒壓力的下降，并提高柴油機(jī)的熱效率，改善燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔運(yùn)行時(shí)，通過控制噴油定時(shí)來保持理想的缸內(nèi)最高燃燒壓力。當(dāng)環(huán)境壓力低于某一限制值，并且增壓壓力在某一預(yù)定范圍時(shí)，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過了最低限制值，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模塊就控制噴油器提前噴油，提前量由增壓壓力、噴油率和噴油最大提前量等參數(shù)決定[3]。

在適當(dāng)調(diào)整供油提前角的同時(shí)，可以增加最大循環(huán)供油量，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恢復(fù)能力。對(duì)WP12.570 型發(fā)動(dòng)機(jī)的供油策略進(jìn)行如下調(diào)整，見表6 及圖3。

表6 供油策略調(diào)整

圖3 供油策略對(duì)比

通過供油策略調(diào)整前后的對(duì)比可以看出：

1）在1200 r/min 以上工況點(diǎn)，調(diào)整后的循環(huán)供油量相比調(diào)整前有所提升；

2）在1200r/min 以下的工況點(diǎn)，為避免壓氣機(jī)發(fā)生喘振，循環(huán)供油量相對(duì)于原發(fā)動(dòng)機(jī)的供油策略有所降低。

3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)高原供油策略優(yōu)化后動(dòng)力性變化

由BMEP 與油耗關(guān)系圖4 和圖5 可以看出，通過噴油提前角和最大循環(huán)供油量的聯(lián)合調(diào)整，利用高原環(huán)境柴油機(jī)缸內(nèi)壓力降低的特點(diǎn)，很大程度實(shí)現(xiàn)了WP12.570 型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的恢復(fù)。在改善優(yōu)化高原燃燒技術(shù)方面，降低渦輪入口溫度是增加噴油提前角的主要貢獻(xiàn)，柴油機(jī)的功率得到進(jìn)一步提升則是增加循環(huán)供油量的主要貢獻(xiàn)。由此可以看出，通過高原燃燒技術(shù)的優(yōu)化既可以改善柴油機(jī)中速區(qū)間外特性，又能避免柴油機(jī)在高原環(huán)境下發(fā)生壓氣機(jī)喘振和超速現(xiàn)象。

圖4 4000m 環(huán)境下BMEP 與油耗關(guān)系圖

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)高原供油策略優(yōu)化后BMEP 與油耗關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)指標(biāo)與仿真結(jié)果的對(duì)比，表明了采取渦輪增壓器匹配優(yōu)化和發(fā)動(dòng)機(jī)高原供油策略優(yōu)化的措施使得發(fā)動(dòng)機(jī)高原動(dòng)力提升效果顯著，且發(fā)動(dòng)機(jī)供油策略調(diào)整原則如下：

（1）以壓氣機(jī)最高安全轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)10%喘振邊界、渦輪入口溫度和最高燃燒壓力為四個(gè)條件；

（2）以原發(fā)動(dòng)機(jī)供油策略為參考進(jìn)行最大循環(huán)供油量的調(diào)整；

（3）調(diào)整到位的判斷依據(jù)是以上四個(gè)條件的任意一個(gè)接近其限值。