壓氣機性能變化對發動機瞬態性能的影響

黃強煒，倪計民，王琦瑋

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

汽車在能源消耗和排放中占有的比例近年來逐漸增大。隨著法規的嚴格，渦輪增壓成為發動機節能減排的關鍵技術[1]。瞬態工況是汽車行駛工況的主體工況[2-3]，當發動機處在瞬態工況時，其響應速度會影響動力輸出。考慮到渦輪增壓器的渦輪遲滯現象，國外開展了較多針對增壓發動機瞬態性能的研究[4-8]。

渦輪增壓器的壓氣機特性對發動機全工況性能有一定影響[9]。本研究主要研究不同壓氣機特性對發動機低速低負荷時瞬態性能的影響。

1 增壓汽油機瞬態仿真模型的構建

1.1 渦輪增壓器瞬態特性分析

渦輪增壓器的瞬態特性變化通過其轉子動力學數學模型進行計算分析。穩態工況下，壓氣機所消耗的功率與渦輪所獲得的有效功率達到平衡，此時增壓器轉速恒定；進入瞬態工況時，該平衡被打破，使得增壓器轉子的角加速度不為0[10]。壓氣機葉輪與渦輪機葉輪通過同一根轉軸相連，根據牛頓第二定律可得增壓器轉子轉矩方程[11]。

其中：MT和MC為渦輪和壓氣機轉矩；Mf為摩擦損失；JTC為轉子轉動慣量；nTC為增壓器轉速。

改善渦輪增壓器瞬態響應的方法主要有：1)降低渦輪轉子慣性矩，即渦輪轉動慣量；2)減少渦輪噴嘴面積，即增大渦輪轉矩；3)減少增壓器軸承摩擦損失，提供空氣動力學性能；4)采用補氣裝置，即減少壓氣機的負載轉矩；5)采用復合增壓切換系統[12]。目前的研究主要集中在渦輪端的改善以及采用復合增壓，對壓氣機端的研究較少，且本質上以減少轉子轉動慣量來獲得較好的瞬態響應。而本研究著重于壓氣機端特性參數的改變對壓氣機負載轉矩、所需渦輪驅動轉矩的影響，從而研究其對發動機瞬態性能改善的增益幅度。

1.2 增壓汽油機穩態仿真模型的構建

某1.5 L增壓汽油機的參數見表1。在GT-Power中建立的增壓汽油機穩態仿真模型見圖1。

表1 發動機主要參數

圖1 增壓汽油機穩態仿真模型

發動機扭矩、功率、油耗等參數的試驗結果和仿真結果對比見圖2。本研究以發動機動力性能為主，故動力性指標的精度較高，趨勢變化相似度更高；其他性能指標誤差相對較大，趨勢變化相似度較低。發動機主要性能參數的仿真誤差均在±5%以內，能夠體現在全工況穩態下各發動機參數之間的影響和變化規律，滿足工程需求。

圖2 部分負荷下仿真與試驗的對比

1.3 增壓汽油機瞬態仿真模型的構建

瞬態仿真目前主要是通過將相鄰穩態點之間的瞬態變化劃分成多個準穩態點，以此來近似表征瞬態過程。根據試驗數據以及仿真結果，將發動機各主要控制參數處理成隨發動機轉速及負荷變化的函數，從而得到發動機主要控制參數的MAP圖，主要包括發動機點火提前角、過量空氣系數、廢氣旁通閥開度等(見圖3)。通過建立上述控制參數的MAP圖，加入節氣門開度隨時間變化的控制模塊，實現穩態仿真模型向瞬態仿真模型的轉化。

圖3 主要控制參數MAP圖

通過查詢目標過量空氣系數MAP圖來確定發動機所需噴油量。瞬態仿真時為了反映實際動態過程，必須在整個仿真循環中將轉動慣量設置為實際值，轉動慣量因子設置為1。

2 增壓發動機瞬態性能研究

2.1 壓氣機高效率區分布對發動機瞬態性能的影響

壓氣機的設計包括葉輪、擴壓器和蝸殼3個部分，其結構參數的變化會影響壓氣機性能，反映在壓氣機MAP圖中則是喘振線、堵塞線以及高效率區的變化。本研究以高效率區的分布及變化作為壓氣機性能的主要表征參數，高效率區分布見圖4。

圖4 壓氣機MAP中高效率區不同分布示意

以葉輪為例，各個參數既相互獨立又相互關聯，其中葉輪進出口參數為關鍵幾何參數。研究表明：1)在一定范圍內，增大葉輪進出口直徑的比值，壓氣機MAP中高效率區分布趨向大流量范圍，對喘振邊界的影響較小；2)在一定范圍內，提高葉輪出口截面和進口截面的面積比，可以在較大的流量區域獲得較高的壓比和效率，即高效率區分布在更高壓比范圍，且喘振線和堵塞線的變化較小。

依據葉輪關鍵幾何參數對壓氣機MAP中高效率區分布的影響規律，在設計過程中針對具體的高效率區分布需求，初步確定各個參數的取值范圍，以此為基礎進行優化設計。因此需要研究不同高效率區分布對發動機性能的影響規律，以此來制訂相應的高效率區分布需求，本研究針對發動機瞬態性能進行研究分析。

瞬態性能研究著重于加速性能研究。對于渦輪增壓發動機，一般采用發動機在部分負荷、恒定轉速時節氣門開度突然達到最大的階躍響應來衡量發動機的瞬態性能[10]。實際道路行駛時汽車換擋過程會影響節氣門的開度變化，換擋過程一般為0.5～2 s，所以節氣門開度變化時間可在0.5～2 s范圍內選取[13]。一般節氣門開度變化率越大，發動機各參數的滯后程度越大[10]。

增壓汽油機瞬態模型采用恒定轉速增加扭矩的方式進行仿真計算。選取工況點的初始狀態為轉速1 250 r/min、平均有效壓力0.15 MPa，節氣門開度設置為在0.5 s內達到最大。

瞬態性能的評價指標以瞬態響應時間為主。即發動機在部分負荷、恒定轉速時，節氣門發生零階躍變化，從節氣門開始變化至發動機動力性能參數達到全負荷下穩定值的90%所需要的時間[2]。在實際情況中，節氣門很難實現零階躍變化。所以，通常將節氣門達到最大開度時到發動機動力性能參數到達穩定值90%所需要的時間作為實際的瞬態響應時間[14](見圖5)。本研究以平均有效壓力作為瞬態研究時的發動機動力性能參數。

圖5 瞬態響應時間示意

除此之外，本研究以負荷加載1 s后實際達到的穩定狀態平均有效壓力的百分比作為輔助評價指標。考慮節氣門開啟時間，即從節氣門開始變化起，經過1.5 s后實際達到的穩定狀態平均有效壓力值的百分比。負荷加載后至達到穩定狀態的這一時間間隔對應的平均有效壓力變化梯度則是另一項輔助評價指標。本研究中負荷加載也考慮了節氣門的開啟時間，即以節氣門完全開啟的時間作為平均梯度計算的起始點。

不同高效率區分布下，進氣壓力構建過程的響應不同導致進氣流量瞬態響應差異，從而影響發動機瞬態性能。不同高效率區分布下瞬態性能評價指標的結果見圖6。由響應時間對比可知，當高效率區處在大、小流量范圍時，響應時間與原機相差不大。而當高效率區位于低壓比范圍時，響應時間相比于原機明顯增長，說明滯后程度增大，響應變慢。當高效率區處在高壓比范圍時，響應時間相對于原機則明顯縮短，表明滯后程度變小，響應變快。

輔助評價指標的變化趨勢基本上與響應時間一致。高效率區位于大、小流量范圍時，穩定值的百分比以及平均梯度與原機相近。高效率區處在高壓比范圍時，穩定值的百分比以及平均梯度較原機有明顯上升。高效率區位于低壓比范圍時，穩定值百分比相比原機有所下降。改變比例為10%時，平均梯度與原機相差不大，改變比例為15%和20%時，平均梯度較原機有所增加。由圖6可知，在節氣門開啟初期，低壓比范圍內改變比例15%和20%的平均有效壓力增長較緩慢，所以穩定值90%對應的響應時間較長；而在后期趨近穩定時，這二者的平均有效壓力增長較迅速，故而平均梯度有所上升。

圖6 壓氣機MAP中高效率區不同分布下瞬態性能評價指標

綜上所述，壓氣機高效率區在大、小流量范圍時，發動機瞬態響應與原機相差不大，即加速性能變化不大；壓氣機高效率區在低壓比范圍時，發動機瞬態響應較原機變慢，即加速性能惡化；壓氣機高效率區在高壓比范圍時，發動機瞬態響應明顯較原機加快，即加速性能得到優化。當壓氣機高效率區在高壓比范圍內改變比例為20%時，其響應時間為0.91 s。而原機為2.84 s，可知優化幅度在68%左右。

2.2 MAP高效率區位置變化時瞬態結果分析

增壓內燃機加速性滯后的根本原因在于內燃機的空氣供給跟不上供油。進氣流量與增壓壓力密切相關，而且壓氣機的轉速對增壓壓力的建立有一定的影響[8]。由圖6可知，高效率區的變化引起穩定狀態平均有效壓力的變化不大，可認為該瞬態過程所需構建的增壓壓力基本一致，且選取工況點所需的流量、壓比也相差不大。

壓氣機MAP中高效率區的不同分布影響其轉速線的分布，從而對運行工況點所對應的壓氣機轉速有所影響(見圖7)。

高效率區處在小流量范圍時，轉速線末端沿小流量區收縮，選取工況點所需流量、壓比基本相等，則對應的初始壓氣機轉速基本吻合，而其達到穩定狀態時對應的壓氣機轉速略有上升。

高效率區位于大流量范圍時，轉速線末端沿大流量區膨脹，壓氣機轉速的變化情況與高效率區處于小流量范圍時相反。

圖7 壓氣機MAP中高效率區不同分布下轉速線分布變化

高效率區處在低壓比范圍時，轉速線整體往低壓比區收縮，選取工況點所需流量、壓比基本一致，則對應的初始壓氣機轉速相比于原機略有增加，但二者差值極小，可認為基本相同。而達到穩定狀態時對應的壓氣機轉速明顯高于原機。

高效率區位于高壓比范圍時，轉速線整體往高壓比區膨脹，選取工況點所需流量、壓比基本一致。則對應的初始壓氣機轉速下降，達到穩定狀態時對應的壓氣機轉速也減小。

壓氣機MAP中高效率區的不同分布下，所選取的工況點在整個瞬態響應過程中壓氣機轉速變化見圖8。

圖8 壓氣機MAP中高效率區不同分布下壓氣機轉速變化

將壓氣機負載轉矩和所需渦輪驅動轉矩之間差值的瞬態變化代入式(1)，計算可得增壓器轉子瞬態工況下的角加速度，從而分析瞬態響應的快慢。其角加速度的對比結果見圖9。

圖9 壓氣機MAP中高效率區不同分布下角加速度變化

高效率區處在小流量范圍時，建立同等增壓壓力所對應的壓氣機轉速差相比于原機略有增大。如圖9所示，瞬態工況下的壓氣機轉子角加速度一致，所以此時達到穩態增壓壓力所需的時間略有增加，在改變比例為20%時增加21%。

高效率區位于大流量范圍時，壓氣機轉速差值略有減小，而壓氣機轉子角加速度依然與原機相差不大。故而響應時間在該情況下略有減少，在改變比例20%時減小9%。

高效率區處在低壓比范圍時，壓氣機轉速差值較原機提升明顯，如圖9所示瞬態工況下的壓氣機轉子角加速度略有增大，達到全負荷穩態壓氣機轉速所需時間仍將大幅增長，在改變比例為20%時增長52%。

高效率區位于高壓比范圍時，壓氣機轉速差值的變化規律見圖10。由圖10可知，達到所需增壓壓力時壓氣機轉速差相比于原機大幅降低，而由圖9可知瞬態工況下壓氣機轉子角加速度略有減小。綜合之下，達到穩態所需時間明顯低于原機，即響應時間大幅縮短，在改變比例為20%時縮短68%。

綜上所述，當壓氣機MAP中高效率區在高低壓比、大小流量范圍內的分布不同時，選取工況點所需流量、壓比基本一致，壓氣機轉速線的收縮與膨脹影響工況點所需的壓氣機轉速差以及增壓器轉子角加速度，進而影響發動機的瞬態響應速度。

圖10 高效率區位于高壓比范圍時壓氣機轉速差值對比

3 結論

a) 當高效率區處在小流量范圍時，選取工況點在MAP中對應的壓氣機轉速差略有增大，響應時間略有增加，在改變比例20%時增加21%；

b) 當高效率區位于大流量范圍時，所對應的壓氣機轉速差略有減小，響應時間略有縮短，在改變比例20%時減小9%；

c) 當高效率區處在低壓比范圍時，選取工況點在MAP中對應的壓氣機轉速差明顯增大，響應變慢，在改變比例為20%時響應時間增長52%；

d) 當高效率區位于高壓比范圍時，選取工況點在MAP中對應的壓氣機轉速差大幅減小，響應顯著變快，在改變比例為20%時響應時間縮短68%。