增压柴油机瞬态特性的评估方法

黄昕煜， 邱苗， 崔毅， 邓康耀, 刘胜

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



增压柴油机瞬态特性的评估方法

黄昕煜， 邱苗， 崔毅， 邓康耀, 刘胜

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

通过分析发动机典型瞬态过程中的各个参数变化及能量传递关系，提出了一个通用的评价涡轮增压柴油机瞬态响应性能的方法，建立了发动机的关键结构参数、涡轮增压器尺寸、初始运行工况参数与瞬态响应性能指标的显式关系。采用一维计算模型对提出的评价指标在不同机型上进行了计算验证。研究结果表明，提出的涡轮增压柴油机瞬态性能评价方法适用性强，且在整机设计的初始阶段就能够定量研究瞬态性能并判别设计方案的可行性。

增压柴油机； 瞬态特性； 评价指标； 响应

增压柴油机如今被广泛应用于中大型车辆中，并凭借油耗低、升功率大的优势，在日益激烈的市场竞争中，有着广阔的发展空间。过去对发动机控制策略和性能优化的研究都主要基于稳态特性，而实际上在道路上运行的汽车40%～75%的时间是处于起动、加速、减速及其他过渡工况，即瞬态工况。当汽车行驶在市区时瞬态工况所占的比例更大。此外，汽车大部分有害物的排放和燃油消耗的40%～80%都来自发动机瞬态工况[1]。在瞬态工况时，发动机的输出功率、油耗、排放、噪声等将偏离匹配点，因此不能用传统的基于稳态特性建立的模型进行计算。

如今发动机的瞬态特性已经得到了越来越多的关注，各国机构也做了很多相关研究[2-4]。这些研究采用的是直接评价法，即对典型的瞬态过程进行直接的仿真分析或台架试验[5-12]，以增压压力、转速、扭矩等参数的响应时间来判别瞬态工况性能。瞬态工况直接评价方法比较直观，且结果一般比较准确。但是该方法需要非常具体的发动机结构参数以及进排气管路尺寸，难以在系统方案设计阶段运用，只能在稳态匹配完成后进行瞬态设计验证，在某些情况下需要多次迭代，降低了匹配效率。

为了克服直接评价方法的缺点,本研究提出了一个响应公式，用以计算发动机的响应性能。响应公式的应用可以与稳态匹配同时进行，辅助发动机初始阶段的设计工作。

1 瞬态过程的时序能量变化分析

为了得出瞬态响应公式，首先需要分析发动机瞬态过程的时序能量变化。对应整车的瞬态过程，发动机工况大体可以分为定转速增扭矩过程和定扭矩增转速过程两类,本文的分析主要针对定转速加载过程。由于整车加速能力主要体现在低速扭矩的响应速度，选择最能反映整车加速能力的低转速工况进行性能评价。

在模拟分析时，固定发动机转速不变，使发动机稳定在当前转速的最小扭矩下，将喷油量突加到全负荷油量，计算加载过程进气压力的变化，以油门开始变化为起始时间，以进气压力达到最终稳定值的90%为响应结束时间，两个时间之差为进气压力响应时间。进气压力响应时间表征了发动机进排气系统的响应特性。

图1示出了实测的某车用增压柴油机定转速加载过程中发动机扭矩随时间的变化规律[13]。这是一个典型的瞬态加载过程，可以将这一瞬态过程分成3个阶段(见图2)。在阶段A，随着油量突加，扭矩也随即上升，没有延迟。而阶段A扭矩上升的程度由缸内初始的空气量决定。在阶段A末段，空燃比降到最低值。在阶段B，虽然空燃比逐渐增加，但是由于空燃比的绝对值较低，不完全燃烧现象严重，因此扭矩基本保持不变。在C阶段，随着进气压力的提高，空燃比逐渐提高，燃烧改善，因此输出扭矩逐渐增加到稳定值。

图1 实测的定转速加载过程

图2 定转速加载过程的3个阶段

从以上的试验可以看出，扭矩上升的延迟是由进气量的不足导致的。为了预测出增压柴油机的瞬态响应特性，需要对涡轮增压系统的响应加以分析。

(1)

式中，A为温升因子，受空燃比α和发动机转速的影响。在相同转速下，空燃比较高时燃油都可以保证充分燃烧，A基本不会随α变化；当空燃比偏低时，由于燃烧的不完全，A值随α下降而减小。在瞬态工况下，空燃比α的突变导致了工质温度的突升。

已知Trise，则气缸的排气温度可由进气温度和Trise相加计算得到：

Tout=Tin+Trise。

(2)

在突加喷油的瞬时，增压器的角加速度可以用式(3)求出：

(3)

此时涡轮功：

(4)

(5)

(6)

最终推出

(7)

在此加速度下，增压器由低工况稳态加速到高工况稳态所需的时间定义为切向加速时间(见图3)：

(8)

图3 某机型增压器转速的GT-Power计算结果

切向加速时间Btangi反映了柴油机增压系统的瞬态响应特性，Btangi越小，则瞬态响应越迅速。实际的响应时间则是在Btangi的基础上乘以一个系数kB，kB与工况变化幅度有关。

最终可得涡轮增压系统响应时间：

(9)

2 涡轮增压器响应公式的简化

涡轮增压器的响应公式中很多性能参数在发动机设计的初始阶段并不知道，因此还需要对这些参数进行简化。

首先考虑涡轮增压器系统，式(10)建立了涡轮增压器的能量平衡关系：

(10)

由式(10)可以得到：

(11)

根据涡轮流量公式可以得到涡轮流量和压比的关系：

(12)

式中：αf为脉冲流量系数；β为脉冲能量系数。这两个系数是在考虑脉冲气流对涡轮流量和能量影响后提出的修正系数，通过这两个系数的修正，就可以把实际的脉冲气流作为平均压力和温度下的假想稳定气流来处理。

压气机的气体流量可以通过式(13)得到：

(13)

式中：ηv为充气效率；φs为扫气系数；ρs为进气密度；vd是气缸的工作容积。

(14)

将式(11)代入可得压气机的绝热焓降：

(15)

拟合结果为

(16)

(17)

式中：Rg为理想气体常数；AT为涡轮通流面积；DT为涡轮直径。结合式(9)和式(17)，可以最终得到响应公式：

(18)

图4 log(A1) 和 log(A2)的比例关系

综上所述，通过发动机稳态匹配的理论计算估算出需要的性能参数，就可以估算出涡轮增压系统的响应时间Btc。

3 涡轮增压系统响应公式的验证

为了确定响应公式的适用性，针对D6114增压柴油机计算不同工况下的响应时间，对提出的响应公式进行验证。D6114柴油机的基本参数见表1。

表1 D6114增压柴油机主要参数

采用GT-Power软件建立D6114柴油机的仿真计算模型。进排气管路根据进排气管路尺寸建模。中冷器采用Pipe模块，通过增大管壁面积、设定目标壁温、增大传热系数等来实现中冷器的效果。燃烧模型通过试验得到的缸压曲线求得相应的韦伯参数。由此建立D6114柴油机的计算模型，并将计算值与试验数据进行对比，模型的误差情况见图5和图6。

图5 标定转速模型误差情况

图6 最大扭矩转速模型误差情况

可以看出，主要性能参数的计算结果与试验数据的误差都在5%以内。所建立的仿真模型精度较高，可以用来进行性能分析研究。

对于D6114柴油机，需要计算其在表2所示工况下,5 s时突加载的瞬态响应特性。

表2 计算工况

首先要根据发动机稳态匹配计算公式计算发动机各工况下的稳态性能参数,并通过这些稳态参数求出增压系统响应时间(见表3)，kB值取1.2。

表3 响应时间计算表

为了验证Btangi的精度，用D6114柴油机的GT模型对以上工况进行了仿真计算，用进气压力的变化来反映瞬态特性，仿真结果见图7。

以进气压力达到最终稳态值90%的时刻作为加载结束时刻，得到GT仿真下各工况的瞬态响应时间(见表4)。

图7 不同工况下进气压力的响应特性

工况点工况1工况2工况3工况4加速响应时间/s4．53．25．08．0

对比表4中工况1与工况4的响应时间可以发现，涡轮增压器的转动惯量增加1倍，响应时间并不是相应增加1倍。这是由于进气压力的响应不只与涡轮增压器的响应特性相关，还与发动机的能量传递延迟和进排气管道的压力波传递延迟有关，这部分的延迟时间可定义为B′。对于发动机，实际的瞬态响应时间为B=Btc+B′。相比于Btc，延迟时间B′更难用一个直观的公式表示，因为影响能量传递和压力波传递的因素更加繁杂。B′主要与发动机的缸径、转速、进排气管的结构相关，而与涡轮增压系统无关。

工况4与工况1相比，涡轮增压系统的转动惯量增大一倍，B′不变，Btc增大了一倍。因而可以求出原转动惯量下Btc=3.5 s，工况1下B′=1 s。

对于以上4个工况，由于气缸结构参数以及进排气管路相同，因此延迟时间B′均取1 s，用GT仿真的加速响应时间B减去B′,可以得到实际的涡轮增压系统响应时间(见表5)。

表5 仿真得出的涡轮增压系统响应时间

图8示出了表3(响应公式)与表5(仿真)的结果对比。从图8中可以看到，响应公式计算的Btangi值与GT的仿真结果基本一致。可见此响应公式对D6114机型的响应特性有很好的预测性。

图8 响应公式计算的Btangi与GT仿真值的对比

为了进一步验证响应公式，将公式应用于另两款增压柴油机132和WP7中，计算其瞬态响应时间。机型的基本参数见表6。

表6 柴油机主要参数

计算了132柴油机在2 100 r/min，扭矩从350 N·m加载到880 N·m以及WP7柴油机在1 000 r/min，扭矩从480 N·m加载到950 N·m的瞬态响应特性。

表7示出了稳态参数，并用公式计算了响应时间，kB值取1.2。

表7 不同机型的响应时间计算表

类似地，建立了132和WP7柴油机的GT模型并进行仿真计算，得出的进气压力响应特性见图9。

图9 132和WP7柴油机的进气压力瞬态响应特性

从图9中找到各机型增压压力达到稳态值90%的点，132机型加速时间为2.6 s，WP7的加速时间为3.7 s，减去约1 s的延迟时间B′，两者的实际涡轮增压器响应时间为1.6 s和2.7 s，与表6中计算得出的响应时间Btc基本相符。由此可见，本研究提出的响应公式在不同机型、不同工况下有着较广的适用性，可以用于在发动机初始设计阶段估算不同方案的瞬态响应特性。

4 结束语

提出了一个便于使用的瞬态响应公式，从而在发动机初始设计阶段判断机型的瞬态特性。通过分析发动机瞬态过程的能量时序变化，发现瞬态过程的涡前排温突变是影响瞬态响应的主因，并以此为突破口，提出了切向加速时间这个参数来反映涡轮增压器的瞬态响应特性。采用一些数学方法，对响应公式中一些难以求得的性能参数作了简化，得到了增压器响应时间Btc与发动机结构参数以及性能参数的显式关系。最后，通过GT仿真不同机型、不同工况下的响应特性，对Btc的预测能力进行了验证，发现响应公式能较好地预测涡轮增压柴油机系统的瞬态响应特性。

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[编辑： 姜晓博]

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

科工局基础产品创新项目(MPRDDE0404)

黄昕煜(1992—)，男，硕士，主要研究方向为两级增压系统匹配及瞬态特性；361020604@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.004

TK421.8

B

1001-2222(2016)01-0022-06