蒸汽輔助渦輪對增壓汽油機瞬態(tài)響應特性影響的模擬*

付建勤，劉敬平，陳玉龍，鄧幫林，徐 偉

(1. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2. 湖南大學 先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙 410082)

蒸汽輔助渦輪對增壓汽油機瞬態(tài)響應特性影響的模擬*

付建勤1,2?，劉敬平1,2，陳玉龍1,2，鄧幫林1,2，徐 偉1,2

(1. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2. 湖南大學 先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙 410082)

為改善廢氣渦輪增壓汽油機加速工況時的瞬態(tài)響應特性，提出了蒸汽輔助渦輪增壓的方法.基于一款廢氣渦輪增壓汽油機，采用GT-Power軟件分別建立并標定了蒸汽輔助渦輪增壓與廢氣渦輪增壓的仿真模型.針對該汽油機的常用轉(zhuǎn)速2000 r/min，研究了各種蒸汽參數(shù)對增壓系統(tǒng)及汽油機性能的影響.結(jié)果表明，在2000 r/min時的加速工況，蒸汽輔助渦輪能使汽油機加速遲滯時間縮短48.0%，加速扭矩提升9.7%.因此，蒸汽輔助渦輪能有效改善增壓汽油機的加速性和動力性.

汽油機；渦輪增壓；余熱回收；瞬態(tài)響應；渦輪遲滯

廢氣渦輪增壓是提高發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的一種重要方式.它利用發(fā)動機排氣能量驅(qū)動增壓器壓縮進氣，通過提高發(fā)動機進氣密度增加每循環(huán)的氣缸進氣量，從而實現(xiàn)減小發(fā)動機排量、強化發(fā)動機功率、改善燃油經(jīng)濟性等多重目的[1-2].鑒于廢氣渦輪增壓的多重優(yōu)點，現(xiàn)代柴油機基本上都配備了該技術，并且開始逐漸向汽油機推廣應用，成為了汽油機節(jié)能的主要技術之一[3].雖然傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓技術得到了不斷進步和完善，但在汽油機上應用還有一些技術瓶頸.由于汽油機的轉(zhuǎn)速范圍寬廣、并且通過節(jié)氣門對進氣實現(xiàn)量調(diào)節(jié)，導致渦輪增壓器的工作點在很大流量范圍內(nèi)移動，于是增壓器的響應特性成為了評價其性能的一個重要指標.另一方面，人們對汽車和發(fā)動機的性能提出了愈來愈高的要求.汽車加速性和駕駛舒適性是評價其動力性的重要指標.對于增壓發(fā)動機，汽車的加速性最終反映在發(fā)動機增壓器的瞬態(tài)響應特性上.

當發(fā)動機從一個工況變化到另一個工況時，增壓器工作狀態(tài)要經(jīng)歷一段時間才能重新與發(fā)動機匹配好，達到新的平衡狀態(tài)，這個過程經(jīng)歷的時間就是增壓器的“遲滯效應(Turbo-lag)”[4-5].這是由發(fā)動機空氣回路系統(tǒng)的彈性緩沖作用以及增壓器本身的性能(克服轉(zhuǎn)動慣量加、減速)引起的.在增壓器確定的情況下，前者成為了限制增壓發(fā)動機瞬態(tài)響應特性的主要因素，而這種“滯后性”在汽油機上表現(xiàn)得更加明顯.增壓器的瞬態(tài)響應特性是發(fā)動機(尤其是汽油機)增壓技術急需解決的一個難題.國內(nèi)外許多學者進行了較為深入的研究，提出了諸如優(yōu)化增壓控制策略[5]、采用可變噴嘴渦輪[6]、二級增壓[7]等方法改善其瞬態(tài)響應特性.陸犇等提出了一種注汽渦輪增壓柴油機系統(tǒng)用于改善增壓器動力性，并研究了汽-氣比對進氣增壓比的影響[8].本文從內(nèi)燃機余熱回收的角度，提出了采用廢氣余熱能改善渦輪增壓器加速扭矩特性，從而達到改善增壓汽油機瞬態(tài)響應性能的目的.

1 渦輪增壓的響應特性

1.1 廢氣渦輪響應特性分析

目前車用汽油機廣泛采用的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)由渦輪機與壓氣機所構(gòu)成，圖1為其原理圖.汽油機的高溫高壓(相對于環(huán)境壓力)排氣通往渦輪，在渦輪中膨脹做功并驅(qū)動壓氣機壓縮進氣.

汽油機采用的是量調(diào)節(jié)，節(jié)氣門的變化引起進氣充量的變化，進氣充量進入氣缸經(jīng)歷壓縮、膨脹、排氣等過程后，然后以廢氣形式進入渦輪；廢氣參數(shù)的變化使渦輪的工作性能發(fā)生變化，進而引起壓氣機工作性能的變化，如此經(jīng)歷多個工作循環(huán)后，渦輪、壓氣機和發(fā)動機的工作狀態(tài)重新達到平衡，最終使進氣壓力趨于目標增壓壓力，汽油機扭矩達到目標值.在節(jié)氣門打開的瞬間，進氣壓力最多只能達到標準大氣壓力.節(jié)氣門全開后，發(fā)動機的扭矩提升速率取決于進氣壓力的提升速率，而后者不但受增壓器轉(zhuǎn)動慣量、進排氣系統(tǒng)容積等發(fā)動機設計參數(shù)的限制，還在很大程度上取決于渦輪功率.也就是說，節(jié)氣門的變化與渦輪輸出功率的變化不能同步，需要一定的傳遞及反饋時間，于是導致傳統(tǒng)汽油機廢氣渦輪增壓會產(chǎn)生遲滯.

(1)渦輪 (2)壓氣機 (3)中冷器 (4)節(jié)氣閥 (5)發(fā)動機

1.2 蒸汽輔助渦輪增壓原理

為改善汽油機廢氣渦輪增壓的加速響應特性，提出了蒸汽輔助渦輪增壓的概念，其原理如圖2所示.在傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓汽油機的排氣系統(tǒng)上，耦合一套汽油機廢氣余熱驅(qū)動的蒸汽發(fā)生系統(tǒng).在該蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中，工質(zhì)水先經(jīng)水泵加壓并獲得一定的工作壓力，然后在換熱器中加熱成蒸汽，蒸汽經(jīng)單向閥進入儲氣箱；一定量的高壓蒸汽經(jīng)蒸汽閥噴入渦輪入口，通過增加渦輪入口的工質(zhì)流量來改善渦輪的輸出功率.由上可見，蒸汽輔助渦輪增壓是通過補償渦輪的工質(zhì)流量來調(diào)節(jié)其渦輪輸出功率.由于其能量來源于廢氣余熱，而不需要其他額外輔助動力，相比機械輔助渦輪增壓或電動輔助渦輪增壓，具有明顯的節(jié)能效果.

(1)水箱 (2)泵 (3)換熱器 (4)止回閥 (5)儲氣箱 (6)蒸汽閥 (7)渦輪 (8)壓氣機 (9)中冷器 (10)節(jié)氣閥 (11)發(fā)動機

在汽車(汽油機)加速工況時，節(jié)氣門和蒸汽閥同時打開，這樣就可以立即補充渦輪的工質(zhì)、提升渦輪工作壓力，增加渦輪輸出功率，進而改善增壓系統(tǒng)性能以及汽油機的瞬態(tài)響應特性.

圖3為工質(zhì)水(水蒸氣)的T-s圖(圖中粗實線為工質(zhì)的相變線，細線描述工質(zhì)熱力過程的變化)，它描述了蒸汽輔助渦輪增壓的工質(zhì)熱力過程.其中，1點為工質(zhì)水從水箱流出的初始狀態(tài)(初始壓力為1 bar)；1-2過程為工質(zhì)水在液壓泵中的加壓過程，2點為工質(zhì)水加壓之后的狀態(tài)，經(jīng)液壓泵加壓后，工質(zhì)獲得一定的噴射壓力；2-3’-3為工質(zhì)水在換熱器中的加熱過程；其中，2-3’為工質(zhì)水的蒸發(fā)過程，3’-3為飽和水蒸氣的過熱過程；3點為水蒸氣過熱后的狀態(tài)；經(jīng)過1-2-3’-3過程，工質(zhì)水由常壓下的液態(tài)變?yōu)檩^高壓力下的過熱蒸汽狀態(tài)；3-4為水蒸汽噴射后的膨脹過程.

圖3 水蒸氣工作循環(huán)T-s圖

1.3 增壓系統(tǒng)計算公式

在蒸汽輔助渦輪增壓系統(tǒng)中，產(chǎn)生的最大蒸汽流量取決于發(fā)動機可用排氣能量流.其中，發(fā)動機可用排氣能量流由下式計算：

(1)

發(fā)動機可用排氣能量產(chǎn)生的最大蒸汽流量為：

(2)

式中:ηhe為換熱器的傳熱效率(定義為流入工質(zhì)水的熱流量與流出排氣的熱流量之比，設為0.95)；hout為換熱器出口過熱蒸汽的比焓，J/(kg·K)；hin為換熱器進口工質(zhì)水的比焓，J/(kg·K).由于比焓是溫度的函數(shù)，因此不同的蒸汽溫度對應不同的最大蒸汽流量.

在增壓器系統(tǒng)中，由于渦輪和壓氣機同軸相連，二者滿足功率平衡關系：

Pcom=Ptur·ηm．

(3)

式中:Pcom為壓氣機功率，W；Ptur為渦輪功率，W；ηm為增壓器傳動軸機械效率.

此外，渦輪和壓力機滿足質(zhì)量平衡關系：

(4)

2 發(fā)動機工作過程模擬計算

2.1 仿真模型建立及試驗校準

本文研究對象為一款四沖程、排量為1.8L的轎車用增壓汽油機.該發(fā)動機的基本參數(shù)如表1所示.按照該發(fā)動機的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和管道布置形式，并參考性能試驗數(shù)據(jù)，建立其GT-Power仿真模型，如圖4所示.建模時對一些復雜管道進行了相應的簡化處理，模型進出口邊界條件設置為標準環(huán)境大氣狀態(tài)，機械摩擦損失、燃燒效率、空燃比、進排氣閥流量系數(shù)等均由實驗數(shù)據(jù)標定.

圖4 發(fā)動機GT-power數(shù)模

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

為了驗證該模型的計算精度，采用試驗數(shù)據(jù)對其進行標定.圖5為仿真模型的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比.其中，圖5(a)為外特性下平均有效壓力的對比，圖5(b)為2 000 r/min時缸壓的對比.由圖可見，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實測結(jié)果和模擬計算結(jié)果非常接近，表明該模型具有較高的精度，可以對該發(fā)動機性能進行精確預測.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)(a) 平均有效壓力比較(外特性)

曲軸轉(zhuǎn)角/(CA)(b) 缸壓比較(2 000 r/min, 外特性)

2.2 蒸汽輔助渦輪增壓計算

表2給出了蒸汽輔助渦輪增壓的計算邊界條件.針對原廢氣渦輪增壓汽油機的常用加速工況進行研究.工況點選擇低轉(zhuǎn)速的2 000 r/min，即汽油機初始轉(zhuǎn)速固定在2 000 r/min；瞬態(tài)過程：T=0～2 s，保持怠速；T≥2 s，節(jié)氣門全開，增壓系統(tǒng)全負荷運行，如圖6所示.蒸汽噴射壓力和溫度分別設置為5 bar和600 ℃.根據(jù)原廢氣渦輪增壓汽油機的排氣參數(shù)，通過能量平衡計算出有效蒸汽產(chǎn)生速率(即有效蒸汽流量范圍)，在此基礎上初設蒸汽噴射速率為5 g/s.在原廢氣渦輪增壓汽油機的GT-Power模型上，添加了相應的蒸汽噴射模塊和瞬態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，將蒸汽輔助渦輪與廢氣渦輪增壓耦合起來，建立了蒸汽輔助渦輪增壓的仿真計算模型，并對目標工況點進行模擬計算.然后，根據(jù)蒸汽輔助渦輪增壓汽油機的排氣參數(shù)計算結(jié)果，通過能量平衡方程對之前初設的蒸汽參數(shù)進行校核，保證其在有效范圍之內(nèi).

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表2 蒸汽輔助渦輪增壓邊界條件

3 結(jié)果及分析

3.1 蒸汽輔助渦輪對汽油機瞬態(tài)性能的影響

圖7為原增壓汽油機和蒸汽輔助渦輪增壓汽油機的扭矩瞬態(tài)響應特性對比.圖中標識了原增壓汽油機在設定工況下(2 000 r/min、急加速)的目標扭矩.從圖中可以看到，原增壓汽油機的瞬態(tài)響應特性大約為0.98 s；采用蒸汽輔助渦輪增壓后，該汽油機的響應特性大大提高，達到目標扭矩只需0.51 s，渦輪遲滯時間減少48.0%，并且汽油機的最高加速扭矩由原先的200.3 N·m提高到219.7 N·m，相對提升了9.7%，更有利于汽車的加速工況.因此，蒸汽輔助渦輪能明顯改善增壓汽油機的瞬態(tài)響應特性、解決廢氣渦輪增壓器遲滯效應的難題.

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在廢氣渦輪增壓系統(tǒng)中，渦輪是動力源.由于渦輪和壓氣機同軸剛性連接，二者幾乎不存在傳遞時間差，所以渦輪的響應特性決定了整個增壓系統(tǒng)的響應特性.在發(fā)動機啟動和加速工況時，如果能在瞬間使渦輪的輸出功率達到目標值，那么相應地就會在極短時間內(nèi)使進氣增壓壓力達到目標值.由渦輪輸出功率的計算式可以知道，決定其輸出功率的因素很多，有排氣(工質(zhì))流量、壓力、比熱、溫度、渦輪效率等.通過噴射蒸汽直接使渦輪的工質(zhì)流量得到補償，間接還會增加渦輪的工作壓力(渦前壓力)，甚至改善渦輪的效率，從而提高渦輪的輸出功率.圖8所示為增壓汽油機排氣壓力的瞬態(tài)響應特性對比.由圖可知，向渦輪入口噴射蒸汽后，排氣壓力迅速上升，從而在瞬間為渦輪建立了較大的工作壓力，有助于提升渦輪的輸出功率.圖9所示為渦輪的工質(zhì)流量隨時間的變化關系.可以看到，隨著蒸汽的噴射，渦輪工質(zhì)流量急劇增加，但是后來隨著增壓壓力立刻達到目標值，渦輪旁通閥開始打開，排氣流量的增幅下降.

圖10給出了渦輪效率隨時間的變化關系.與廢氣渦輪增壓相比，蒸汽輔助渦輪的效率更高.渦輪最大效率由廢氣渦輪增壓的58.1%上升到蒸汽輔助渦輪的61.7%.這是因為在節(jié)氣門和蒸汽噴射閥打開后，渦輪工質(zhì)流量急劇增加，使渦輪的實際工作點在效率MAP圖上發(fā)生躍遷，向高效率區(qū)移動.也就是說，可以通過噴射蒸汽改變渦輪的工質(zhì)流量進而改善其工作效率.圖11是廢氣渦輪增壓和蒸汽輔助渦輪增壓的渦輪輸出功率對比.噴射蒸汽后，由于渦輪的工質(zhì)流量、工作壓力(渦前壓力)和工作效率都得到一定提升，渦輪輸出功率急劇增加，最終使汽油機的渦輪瞬態(tài)響應時間急劇減小.

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3.2 蒸汽參數(shù)的影響

接下來，進一步分析蒸汽參數(shù)對增壓汽油機瞬態(tài)響應特性的影響.首先固定蒸汽流量(5 g/s)，改變蒸汽溫度(考慮了400 ℃，500 ℃和600 ℃三組蒸汽溫度).不同蒸汽溫度下增壓汽油機的瞬態(tài)響應特性如圖12所示.可以看到，隨著蒸汽溫度的增加，雖然增壓器的瞬態(tài)響應時間會減小，但是變化很小.也就是說，改變蒸汽溫度對增壓汽油機的瞬態(tài)響應影響不大.這是因為蒸汽溫度的變化對渦輪工質(zhì)(汽油機排氣和蒸汽的混合氣)總體溫度的影響甚微.相反，改變蒸汽噴射流量后，增壓器的瞬態(tài)響應特性變化較為明顯，如圖13所示.這是因為蒸汽流量的變化對渦輪工質(zhì)的流量影響較大，因此對渦輪輸出功率影響也較大.由此可見，在汽油機排氣能量一定的前提下，采用大流量的蒸汽比采用高溫度的蒸汽更有優(yōu)勢.

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4 結(jié) 論

提出了一種新的汽油機排氣能量利用方式——蒸汽輔助渦輪增壓.它利用汽油機排氣能量產(chǎn)生蒸汽，用以補償渦輪在加速工況時的工質(zhì)；通過噴射蒸汽使渦輪的工質(zhì)流量、工作壓力、效率等參數(shù)瞬間增大，從而使渦輪輸出功率瞬間得到明顯提升，進而改善增壓汽油機的瞬態(tài)響應特性.

在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的加速工況，增壓器的遲滯時間由廢氣渦輪增壓的0.98 s減少到蒸汽輔助渦輪增壓的0.51 s，并且蒸汽輔助渦輪增壓汽油機的最大加速扭矩提升了9.7%，有效改善了增壓汽油機的加速特性.

在汽油機排氣能量一定的前提下，采用大流量的蒸汽比采用高溫度的蒸汽對改善增壓汽油機瞬態(tài)響應特性的效果更加明顯.

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A Simulation Study on the Effects of Steam Assisting Turbo on the Transient Response of Turbocharged Gasoline Engine

FU Jian-qin1,2?, LIU Jing-ping1,2, CHEN Yu-long1,2, DENG Bang-lin1,2, XU Wei1,2

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082, China；2． Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China)

To improve the transient response of exhaust turbocharging engine under accelerated conditions, a method of steam-assisted turbocharging was proposed. Based on an exhaust turbocharged gasoline engine, the simulation models of steam-assisted turbocharging and exhaust turbocharging engine were established and then calibrated by the software of GT-Power. On this basis, the effect of various steam parameters on the performances of turbocharging system and the gasoline engine was studied at the engine speed of 2000 r/min. The results show that, at the accelerated condition of 2000 r/min, the retarded time of the gasoline engine can be reduced by 48.0% and the peak torque can be increased by 9.7% through steam-assisted turbocharging. As a result, the acceleration and dynamic performance of the gasoline engine can be effectively improved by steam-assisted turbocharging.

gasoline engine; turbocharging; waste heat recovery; transient response; turbo-lag

1674-2974(2015)04-0013-06

2014-02-27

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目 (2011CB707201)；國家自然科學基金資助項目(51376057)，National Natural Science Foundation of China(51376057); 國家863計劃項目(2012AA111703)

付建勤(1983-)，男，湖南株洲人，博士，湖南大學助理教授

?通訊聯(lián)系人，E-mail:fujianqinabc@163.com

TK402

A