通过增压器匹配提高发动机瞬态性能

郑广勇，于秀敏，侯福建，谷京哲，魏 韬

（1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.中国第一汽车股份有限公司 技术中心，长春 130011）

由于整车在实际运行过程中大多处于瞬变工 况，因此，整车性能不但取决于发动机的稳态性能，发动机的瞬态性能对于整车的使用性能也是至关重要的影响因素［1］。广泛应用的GT－Power软件在增压发动机的增压器匹配模拟中的大多数分析工作都是以发动机稳态性能为目标进行的［2-3］，由此匹配计算选出的增压器由于没有考虑瞬态响应的要求经常会导致整车加速响应性差的问题，甚至出现推翻原来的匹配方案重新进行增压器匹配工作的情况。本文应用GT－Power和Simulink两种软件建立了发动机瞬态过程模拟仿真平台，针对不同增压器匹配方案对发动机和整车的瞬态过程的影响进行了模拟，建立了发动机增压器瞬态模拟分析方法。最终对模拟结果进行了发动机台架和整车两种情况下的试验验证，通过模拟结果与试验结果的对比分析，验证了通过模拟分析改进发动机瞬态性能方法的可行性。

1 发动机瞬态性能仿真平台的建立

在瞬变过程中，喷油的响应速度要远远快于进气的响应速度，对于涡轮增压发动机来说更是如此。所以，针对涡轮增压发动机，如何通过合理匹配涡轮增压器，提高发动机进气的响应速度是改善发动机瞬态性能的关键［4-5］。整车加速过程中，由于涡轮增压器的滞后响应，在加速初期，增压压力的建立过程远远慢于喷油量增加过程，导致空燃比会有一个突然下降，发动机燃烧处在缺少空气的状态，燃油未完全燃烧，燃烧效率极低，降低了整车动力性和经济性［6-8］。建立的发动机仿真模型应具备反映这种空气滞后效应的能力，要求所有与气体流动相关的部件都采用物理模型或半物理模型；燃烧过程要能够反映由于空气缺少而引起的燃烧恶化现象；转动部件要考虑转动惯量，从而模拟转动惯量对加速过程的影响。

应用GT－Power和Simulink两种软件建立的联合仿真平台进行瞬态过程的模拟，用GT－Power软件建立发动机模型，主要用于发动机的性能参数的响应性模拟，用Simulink建立发动机和整车的控制部分，用以模拟发动机油量加载过程及发动机测功机和整车部分的转矩平衡响应。两个软件耦合计算可以同时反映发动机的控制策略及发动机的响应过程［9］，仿真平台如图1所示，包含发动机气缸和管路、增压器部分，用以模拟发动机的燃烧和空气的响应情况；发动机台架的测功机负载和控制模块，用来模拟发动机台架的瞬态过程；整车负载及控制模块用以模拟整车的瞬态响应情况。

图1 发动机瞬态性能仿真平台Fig.1 Engine transient performance simulation platform

瞬态模型的建立分为两个步骤，首先进行稳态模型的校正，结果如图2和图3所示，模拟结果与试验结果吻合度较好，误差控制在5%以内，仿真模型能够很好地反应发动机的真实性能。然后应用稳态模型校正的结果，将与发动机瞬态变化关系比较密切的燃烧模型参数、排气背压、摩擦功、中冷器参数、涡轮校正系数参数等转化成随转速和负荷变化的map，并将模型与Simulink模块耦合，升级成最终的发动机瞬态仿真平台。

2 发动机瞬态性能模拟分析

2.1 发动机瞬态过程对比

图2 转矩的稳态模型校正结果Fig.2 Steady state model calibration result of engine torque

图3 增压压力的稳态模型校正结果Fig.3 Steady state model calibration result of boost pressure

对应整车的瞬态过程，发动机工况大体可以从理论上分为定转速增转矩过程和定转矩增转速过程两类，对应于整车加速过程，发动机工作接近于定转速增转矩的过程［8］，所以选择发动机的定转速增转矩这一特定的瞬态过程进行模拟和评价。由于整车加速能力主要体现在低速转矩的响应速度［9］，选择最能反映整车加速能力的1200r／min作为研究工况进行增压器方案的选择。模拟发动机转速固定在1200r／min，转矩突然增大的瞬态过程进行模拟，分析不同的增压器方案在这一加速过程中增压压力建立和空燃比变化过程，对增压器的匹配方案进行选择。

应用瞬态性能仿真平台对发动机在应用不同增压器匹配方案情况下的加速过程进行优化，本文省略掉繁杂的中间优化分析过程，只对最终的优化改进方案增压器和原增压器进行对比分析。两个增压器的参数如表1所示，涡轮流通能力对比如图4所示，从流量对比来看，改进增压器在最大膨胀比处比原增压器流通能力减小35%左右，在1.2膨胀比处流通能力减小18%左右，采用小涡轮能够更好地利用发动机低转速废气能量，并且小涡轮具有较小的转动惯量，有利于发动机瞬态性能改进。

表1 改进前后增压器方案参数Table 1 Parameters between original and improved turbines

图4 改进前后涡轮特性对比Fig.4 Performance comparison between original and improved turbines

在发动机瞬态模拟过程中，发动机转速恒定在1200r／min，油量在1s内从很小的每循环5 mg迅速加到全负荷的每循环127mg，考察在这一过程中发动机进气和转矩的响应情况，计算结果见图5～图7。

图5 增压压力的发动机瞬态过程计算结果Fig.5 Engine transient process simulation result of boost pressure

从计算结果可以看出，优化后的增压器能在转矩增加过程中更快地建立增压压力，从而得到更快的空气响应能力，保证发动机空气响应速度能够较快地跟随喷油速度，所以空燃比能在更短的时间内恢复到15以上，缩短了由于空气缺少而引起的不正常燃烧时间，发动机转矩也比原增压器响应得更快，应用改进的增压器发动机转矩比原增压器发动机转矩达到900N·m的时间缩短将近1s，发动机转矩响应时间改善了25.1%。

图6 空燃比的发动机瞬态过程计算结果Fig.6 Engine transient process simulation result of air fuel ratio

图7 转矩的发动机瞬态过程计算结果Fig.7 Engine transient process simulation result of engine torque

2.2 整车瞬态过程对比

应用发动机瞬态仿真平台对整车连续换档加速过程进行模拟分析，考察增压器改进前后对整车加速性能的影响，结果见图8和图9。

从整车连续换档加速模拟结果来看，改进的增压器实现了发动机转矩的快速响应，能够更快达到换档转矩，车速达到60km／h所用的时间缩短了5.4s，改进后的增压器加速时间缩短了8.65%，较大程度地改善了整车的瞬态响应特性。

图8 发动机转速的整车换挡加速过程计算结果Fig.8 Vehicle accelerating process simulation result of engine speed

图9 车速的整车换挡加速过程计算结果Fig.9 Vehicle accelerating process simulation result of vehicle speed

3 发动机及整车试验验证

3.1 发动机瞬态性能试验验证

在发动机试验台架上进行了发动机瞬态过程对比试验，在1200r／min、50N·m工况稳定运转一段时间，在1s内迅速加大油门到发动机全负荷，考察此时发动机气路和转矩响应情况。由图10的增压压力响应结果中可以看出，发动机压力在油门上升0.6s后才开始响应，油门稳定在最大开度5s后才达到稳定状态。改进后的增压器比原增压器响应速度更快，达到80kPa的增压压力时间比原增压器缩短了大约1s。

图10 增压压力的发动机台架瞬态试验结果Fig.10 Engine transient process test result of boost pressure

图11 转矩的发动机台架瞬态试验结果Fig.11 Engine transient process test result of engine torque

从图11的转矩响应上来看，随着油门开度的突然变化，转矩响应滞后时间比增压压力短，大约只有0.2s转矩即发生变化，但是由于进气响应严重滞后，发动机转矩在喷油的瞬变之后受制于进气响应缓慢，燃烧恶化，导致转矩有个向下的拐点，然后随着增压压力的逐步建立才缓慢上升。改进后增压器转矩建立过程比原增压器快，改进增压器转矩达到900N·m仅用2.88s，比原方案时间缩短了29.4%。无论增压压力还是转矩的响应过程，模拟结果与试验结果在趋势上都吻合较好，说明应用模拟计算的方法预测发动机的瞬态响应过程的准确性。

3.2 整车瞬态性能试验验证

图12 发动机转速的整车连续换档加速试验结果Fig.12 Vehicle accelerating process test result of engine speed

在整车上进行了连续换档加速试验来验证改进方案的瞬态响应情况，结果见图12和图13。从对比结果中可以看出，应用改进后的增压器，发动机转速可以更快提升，车速达到60km／h所用的时间也比原增压器快6.1s，加速时间缩短7.8%，能够大大提升整车的加速响应能力，节省加速油耗量，提高整车经济性。

3.3 试验结果与模拟结果对比

从试验结果与模拟结果的对比来看，二者在发动机台架的瞬态过程结果相差较大，整车加速过程结果相差较小，改进效果的绝对值相差较大，相对值相差较小（见表2）。由于在模拟计算过程中未考虑发动机台架试验过程中测功机的转动惯量和测功机自身控制因素影响，导致模拟结果与试验结果相差较大，但是其接近于可以接受的瞬态过程模拟计算15%的误差范围。整体来看，模拟与试验结果比较吻合，应用发动机瞬态性能仿真平台进行模拟计算的方法是可行的。

图13 车速的整车连续换档加速试验结果Fig.13 Vehicle accelerating process test result of vehicle speed

表2 模拟结果与试验结果比较Table 2 Comparison of simulation and test results

4 结 论

（1）应用GT－Power和Simulink软件建立了联合仿真平台，进行了发动机和整车的瞬态过程模拟，通过对增压器方案的对比，确定了能够改进发动机和整车瞬态响应性能的方案。

（2）在发动机台架上进行了瞬态性能的对比验证，应用模拟计算确定的增压器方案转矩响应时间比原方案缩短31%，能够很好地改进发动机低转速的性能和发动机瞬态响应性能。

（3）在整车上进行了连续换档加速试验，改进方案增压器有较好的瞬态响应性能，车速达到60 km／h的时间比原方案减少8.7%，能够减少加速时间。

（4）发动机模拟计算预测发动机与整车瞬态改进的相对结果与试验值非常吻合，能够反映不同方案对发动机和整车瞬态响应的影响，应用模拟计算的方法进行发动机改进方案的预测是可行的。

（5）应用模拟分析方法，能够在发动机性能设计的初期对发动机和整车的瞬态性能进行分析和评价，避免了因只做稳态分析评价导致的整车加速性差的问题，能够更好地从改善加速性方面入手进行整车经济性和动力性的优化。应用模拟分析方法进行发动机和整车的瞬态性能评价，能够缩短开发周期和试验量，节约开发成本。

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