某車型高原動力性優化策略分析

劉航瑜，康建偉，廉蓉，孫哲

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

前言

近年來發動機高原性能試驗數據表明，海拔每升高1000 m，在中高轉速下，進氣流量減小3.1%，在低轉速下減小量增至7.2%。在循環噴油量保持不變的前提下，進氣量減小，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零海拔減小3～5。同時由于發動機進氣密度降低，發動機滯燃期增加，后燃嚴重，指示熱效率降低，引起柴油機高海拔性能的下降[1]。

根據以往發動機高原性能試驗及仿真計算的經驗，基于電控高壓共軌燃油噴射技術的柴油機在高原環境使用，通過優化匹配渦輪增壓器和對電控燃油噴射系統參數進行高原環境標定，改善發動機的高原性能。本論文旨在通過AVL BOOST對WP12.570 型目標發動機進行一維仿真分析，驗證發動機在高原工況下性能的提升。

1 AVL-Boost 構建一維熱力學模型

使用一維仿真軟件AVL-Boost對WP12.570發動機進行建模，如圖1 所示。使用數據對該模型進行標定，提高模型的準確性，從而提高仿真分析的精度。其中增壓器參數如表1所示。

通過對渦輪增壓器及發動機電控燃油噴射系統參數進行高原環境標定，得到其在高原環境下的基本性能參數。其中，高原標定試驗主要包含對駕駛性能標定、增壓器的保護標定和煙度限值標定等項目。試驗車輛從海拔2700 米的格爾木出發駛向海拔4800 米左右的昆侖山，根據車輛實際行駛情況，采集相關試驗數據，見表2。

圖1 WP12.570 發動機一維熱力學模型

表1 增壓器參數

2 增壓器高原熱力學方仿真分析

高原地區車輛使用環境條件如表3 所示。

根據高原試驗的限油情況，在標定4000m 的一維熱力學模型的基礎上，推算出平原上發動機的性能參數，分別計算了發動機在海拔高度為2800m、4000m、4500m、5000m 和5231m的條件下的運行狀態并與平原狀態進行對比，結果如表4 所示。

通過以上分析可知，WP12.570 柴油機在海拔4000m 及以上高原環境下，標定點及高轉速區增壓器、壓氣機均超出限值。通過限油策略，可以保證增壓器轉速及壓氣機出口溫度滿足要求；且在低速區域，該策略也可避免煙度惡化。

表4 各海拔發動機狀態對比

3 高原動力性提升措施仿真分析

按照該車高原動力性提升方案擬采取的措施，在AVL-Boost 仿真軟件中設置匹配VGT 渦輪增壓器的發動機試驗數據和發動機高原供油策略優化后的發動機參數，構建高原環境數據、發動機數據進行分析。

3.1 渦輪增壓器與柴油機匹配優化仿真分析

在AVL-Boost 仿真模塊下，對優化匹配VGT 渦輪增壓器后的發動機總成在高原地區的性能進行分析[2]。根據分析數據做出發動機和增壓器在各海拔高度的聯合運行線，并與平原狀態進行對比，如圖2 所示。

圖2 各海拔發動機和增壓器聯合運行線

將仿真值與試驗值進行對比，誤差如表5 所示。

表5 仿真值與試驗值誤差百分比

由表5 可以看出，仿真計算值和試驗數據誤差較小，仿真模型的精度滿足要求。

3.2 發動機高原供油策略優化后動力性仿真分析

通過調整噴油提前角和循環供油量的聯合優化方法，對高原環境下的發動機噴油參數進行調整以改變發動機在部分負荷工況下的燃燒相位，在提高循環熱效率的基礎上提升該車發動機在高原環境下的性能。

法國成人教育的一大特色就是多機構參與，這些機構主要包括營利性、非營利性私營機構、公立和半公立機構等。可以借鑒法國的做法，在鼓勵諸如職教中心、職業院校開展成人教育的同時，通過政策支持社會力量興辦成人教育，這些社會力量應包括營利性私營機構。同時，應通過補貼的方式鼓勵各種成人和職業教育協會等民間非營利性組織實施成人教育。這樣才能調動全社會的積極性，吸引更多的成人教育的專業人才投入到成人教育事業之中。

3.2.1 供油提前角及最大循環供油量優化

在不同海拔下，噴油定時極大地影響了最高燃燒壓力隨海拔的變化規律。隨海拔的增加，該高壓共軌柴油機噴油提前，提前量在1～5℃A，轉速和負荷越高，提前量也越大。海拔4000m 比平原提前5 A℃ 。該柴油機在噴油定時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，預混合燃燒量增加，最高燃燒壓力增加，能夠部分補償因進氣壓力降低造成的最高燃燒壓力的下降，并提高柴油機的熱效率，改善燃燒。發動機在高海拔運行時，通過控制噴油定時來保持理想的缸內最高燃燒壓力。當環境壓力低于某一限制值，并且增壓壓力在某一預定范圍時，一旦發動機的轉速超過了最低限制值，發動機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決定[3]。

在適當調整供油提前角的同時，可以增加最大循環供油量，進一步提升發動機的功率恢復能力。對WP12.570 型發動機的供油策略進行如下調整，見表6 及圖3。

表6 供油策略調整

圖3 供油策略對比

通過供油策略調整前后的對比可以看出：

1）在1200 r/min 以上工況點，調整后的循環供油量相比調整前有所提升；

2）在1200r/min 以下的工況點，為避免壓氣機發生喘振，循環供油量相對于原發動機的供油策略有所降低。

3.2.2 發動機高原供油策略優化后動力性變化

由BMEP 與油耗關系圖4 和圖5 可以看出，通過噴油提前角和最大循環供油量的聯合調整，利用高原環境柴油機缸內壓力降低的特點，很大程度實現了WP12.570 型發動機動力的恢復。在改善優化高原燃燒技術方面，降低渦輪入口溫度是增加噴油提前角的主要貢獻，柴油機的功率得到進一步提升則是增加循環供油量的主要貢獻。由此可以看出，通過高原燃燒技術的優化既可以改善柴油機中速區間外特性，又能避免柴油機在高原環境下發生壓氣機喘振和超速現象。

圖4 4000m 環境下BMEP 與油耗關系圖

圖5 發動機高原供油策略優化后BMEP 與油耗關系圖

4 結論

通過設計指標與仿真結果的對比，表明了采取渦輪增壓器匹配優化和發動機高原供油策略優化的措施使得發動機高原動力提升效果顯著，且發動機供油策略調整原則如下：

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

（2）以原發動機供油策略為參考進行最大循環供油量的調整；

（3）調整到位的判斷依據是以上四個條件的任意一個接近其限值。