鄭廣勇，于秀敏，侯福建，谷京哲，魏 韜

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，長春 130011）

由于整車在實際運行過程中大多處于瞬變工 況，因此，整車性能不但取決于發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)性能，發(fā)動機的瞬態(tài)性能對于整車的使用性能也是至關(guān)重要的影響因素［1］。廣泛應用的GT－Power軟件在增壓發(fā)動機的增壓器匹配模擬中的大多數(shù)分析工作都是以發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能為目標進行的［2-3］，由此匹配計算選出的增壓器由于沒有考慮瞬態(tài)響應的要求經(jīng)常會導致整車加速響應性差的問題，甚至出現(xiàn)推翻原來的匹配方案重新進行增壓器匹配工作的情況。本文應用GT－Power和Simulink兩種軟件建立了發(fā)動機瞬態(tài)過程模擬仿真平臺，針對不同增壓器匹配方案對發(fā)動機和整車的瞬態(tài)過程的影響進行了模擬，建立了發(fā)動機增壓器瞬態(tài)模擬分析方法。最終對模擬結(jié)果進行了發(fā)動機臺架和整車兩種情況下的試驗驗證，通過模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析，驗證了通過模擬分析改進發(fā)動機瞬態(tài)性能方法的可行性。

1 發(fā)動機瞬態(tài)性能仿真平臺的建立

在瞬變過程中，噴油的響應速度要遠遠快于進氣的響應速度，對于渦輪增壓發(fā)動機來說更是如此。所以，針對渦輪增壓發(fā)動機，如何通過合理匹配渦輪增壓器，提高發(fā)動機進氣的響應速度是改善發(fā)動機瞬態(tài)性能的關(guān)鍵［4-5］。整車加速過程中，由于渦輪增壓器的滯后響應，在加速初期，增壓壓力的建立過程遠遠慢于噴油量增加過程，導致空燃比會有一個突然下降，發(fā)動機燃燒處在缺少空氣的狀態(tài)，燃油未完全燃燒，燃燒效率極低，降低了整車動力性和經(jīng)濟性［6-8］。建立的發(fā)動機仿真模型應具備反映這種空氣滯后效應的能力，要求所有與氣體流動相關(guān)的部件都采用物理模型或半物理模型；燃燒過程要能夠反映由于空氣缺少而引起的燃燒惡化現(xiàn)象；轉(zhuǎn)動部件要考慮轉(zhuǎn)動慣量，從而模擬轉(zhuǎn)動慣量對加速過程的影響。

應用GT－Power和Simulink兩種軟件建立的聯(lián)合仿真平臺進行瞬態(tài)過程的模擬，用GT－Power軟件建立發(fā)動機模型，主要用于發(fā)動機的性能參數(shù)的響應性模擬，用Simulink建立發(fā)動機和整車的控制部分，用以模擬發(fā)動機油量加載過程及發(fā)動機測功機和整車部分的轉(zhuǎn)矩平衡響應。兩個軟件耦合計算可以同時反映發(fā)動機的控制策略及發(fā)動機的響應過程［9］，仿真平臺如圖1所示，包含發(fā)動機氣缸和管路、增壓器部分，用以模擬發(fā)動機的燃燒和空氣的響應情況；發(fā)動機臺架的測功機負載和控制模塊，用來模擬發(fā)動機臺架的瞬態(tài)過程；整車負載及控制模塊用以模擬整車的瞬態(tài)響應情況。

圖1 發(fā)動機瞬態(tài)性能仿真平臺Fig.1 Engine transient performance simulation platform

瞬態(tài)模型的建立分為兩個步驟，首先進行穩(wěn)態(tài)模型的校正，結(jié)果如圖2和圖3所示，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較好，誤差控制在5%以內(nèi)，仿真模型能夠很好地反應發(fā)動機的真實性能。然后應用穩(wěn)態(tài)模型校正的結(jié)果，將與發(fā)動機瞬態(tài)變化關(guān)系比較密切的燃燒模型參數(shù)、排氣背壓、摩擦功、中冷器參數(shù)、渦輪校正系數(shù)參數(shù)等轉(zhuǎn)化成隨轉(zhuǎn)速和負荷變化的map，并將模型與Simulink模塊耦合，升級成最終的發(fā)動機瞬態(tài)仿真平臺。

2 發(fā)動機瞬態(tài)性能模擬分析

2.1 發(fā)動機瞬態(tài)過程對比

圖2 轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)模型校正結(jié)果Fig.2 Steady state model calibration result of engine torque

圖3 增壓壓力的穩(wěn)態(tài)模型校正結(jié)果Fig.3 Steady state model calibration result of boost pressure

對應整車的瞬態(tài)過程，發(fā)動機工況大體可以從理論上分為定轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩過程和定轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速過程兩類，對應于整車加速過程，發(fā)動機工作接近于定轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的過程［8］，所以選擇發(fā)動機的定轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩這一特定的瞬態(tài)過程進行模擬和評價。由于整車加速能力主要體現(xiàn)在低速轉(zhuǎn)矩的響應速度［9］，選擇最能反映整車加速能力的1200r／min作為研究工況進行增壓器方案的選擇。模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速固定在1200r／min，轉(zhuǎn)矩突然增大的瞬態(tài)過程進行模擬，分析不同的增壓器方案在這一加速過程中增壓壓力建立和空燃比變化過程，對增壓器的匹配方案進行選擇。

應用瞬態(tài)性能仿真平臺對發(fā)動機在應用不同增壓器匹配方案情況下的加速過程進行優(yōu)化，本文省略掉繁雜的中間優(yōu)化分析過程，只對最終的優(yōu)化改進方案增壓器和原增壓器進行對比分析。兩個增壓器的參數(shù)如表1所示，渦輪流通能力對比如圖4所示，從流量對比來看，改進增壓器在最大膨脹比處比原增壓器流通能力減小35%左右，在1.2膨脹比處流通能力減小18%左右，采用小渦輪能夠更好地利用發(fā)動機低轉(zhuǎn)速廢氣能量，并且小渦輪具有較小的轉(zhuǎn)動慣量，有利于發(fā)動機瞬態(tài)性能改進。

表1 改進前后增壓器方案參數(shù)Table 1 Parameters between original and improved turbines

圖4 改進前后渦輪特性對比Fig.4 Performance comparison between original and improved turbines

在發(fā)動機瞬態(tài)模擬過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速恒定在1200r／min，油量在1s內(nèi)從很小的每循環(huán)5 mg迅速加到全負荷的每循環(huán)127mg，考察在這一過程中發(fā)動機進氣和轉(zhuǎn)矩的響應情況，計算結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 增壓壓力的發(fā)動機瞬態(tài)過程計算結(jié)果Fig.5 Engine transient process simulation result of boost pressure

從計算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的增壓器能在轉(zhuǎn)矩增加過程中更快地建立增壓壓力，從而得到更快的空氣響應能力，保證發(fā)動機空氣響應速度能夠較快地跟隨噴油速度，所以空燃比能在更短的時間內(nèi)恢復到15以上，縮短了由于空氣缺少而引起的不正常燃燒時間，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩也比原增壓器響應得更快，應用改進的增壓器發(fā)動機轉(zhuǎn)矩比原增壓器發(fā)動機轉(zhuǎn)矩達到900N·m的時間縮短將近1s，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩響應時間改善了25.1%。

圖6 空燃比的發(fā)動機瞬態(tài)過程計算結(jié)果Fig.6 Engine transient process simulation result of air fuel ratio

圖7 轉(zhuǎn)矩的發(fā)動機瞬態(tài)過程計算結(jié)果Fig.7 Engine transient process simulation result of engine torque

2.2 整車瞬態(tài)過程對比

應用發(fā)動機瞬態(tài)仿真平臺對整車連續(xù)換檔加速過程進行模擬分析，考察增壓器改進前后對整車加速性能的影響，結(jié)果見圖8和圖9。

從整車連續(xù)換檔加速模擬結(jié)果來看，改進的增壓器實現(xiàn)了發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的快速響應，能夠更快達到換檔轉(zhuǎn)矩，車速達到60km／h所用的時間縮短了5.4s，改進后的增壓器加速時間縮短了8.65%，較大程度地改善了整車的瞬態(tài)響應特性。

圖8 發(fā)動機轉(zhuǎn)速的整車換擋加速過程計算結(jié)果Fig.8 Vehicle accelerating process simulation result of engine speed

圖9 車速的整車換擋加速過程計算結(jié)果Fig.9 Vehicle accelerating process simulation result of vehicle speed

3 發(fā)動機及整車試驗驗證

3.1 發(fā)動機瞬態(tài)性能試驗驗證

在發(fā)動機試驗臺架上進行了發(fā)動機瞬態(tài)過程對比試驗，在1200r／min、50N·m工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)一段時間，在1s內(nèi)迅速加大油門到發(fā)動機全負荷，考察此時發(fā)動機氣路和轉(zhuǎn)矩響應情況。由圖10的增壓壓力響應結(jié)果中可以看出，發(fā)動機壓力在油門上升0.6s后才開始響應，油門穩(wěn)定在最大開度5s后才達到穩(wěn)定狀態(tài)。改進后的增壓器比原增壓器響應速度更快，達到80kPa的增壓壓力時間比原增壓器縮短了大約1s。

圖10 增壓壓力的發(fā)動機臺架瞬態(tài)試驗結(jié)果Fig.10 Engine transient process test result of boost pressure

圖11 轉(zhuǎn)矩的發(fā)動機臺架瞬態(tài)試驗結(jié)果Fig.11 Engine transient process test result of engine torque

從圖11的轉(zhuǎn)矩響應上來看，隨著油門開度的突然變化，轉(zhuǎn)矩響應滯后時間比增壓壓力短，大約只有0.2s轉(zhuǎn)矩即發(fā)生變化，但是由于進氣響應嚴重滯后，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩在噴油的瞬變之后受制于進氣響應緩慢，燃燒惡化，導致轉(zhuǎn)矩有個向下的拐點，然后隨著增壓壓力的逐步建立才緩慢上升。改進后增壓器轉(zhuǎn)矩建立過程比原增壓器快，改進增壓器轉(zhuǎn)矩達到900N·m僅用2.88s，比原方案時間縮短了29.4%。無論增壓壓力還是轉(zhuǎn)矩的響應過程，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在趨勢上都吻合較好，說明應用模擬計算的方法預測發(fā)動機的瞬態(tài)響應過程的準確性。

3.2 整車瞬態(tài)性能試驗驗證

圖12 發(fā)動機轉(zhuǎn)速的整車連續(xù)換檔加速試驗結(jié)果Fig.12 Vehicle accelerating process test result of engine speed

在整車上進行了連續(xù)換檔加速試驗來驗證改進方案的瞬態(tài)響應情況，結(jié)果見圖12和圖13。從對比結(jié)果中可以看出，應用改進后的增壓器，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以更快提升，車速達到60km／h所用的時間也比原增壓器快6.1s，加速時間縮短7.8%，能夠大大提升整車的加速響應能力，節(jié)省加速油耗量，提高整車經(jīng)濟性。

3.3 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

從試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比來看，二者在發(fā)動機臺架的瞬態(tài)過程結(jié)果相差較大，整車加速過程結(jié)果相差較小，改進效果的絕對值相差較大，相對值相差較小（見表2）。由于在模擬計算過程中未考慮發(fā)動機臺架試驗過程中測功機的轉(zhuǎn)動慣量和測功機自身控制因素影響，導致模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相差較大，但是其接近于可以接受的瞬態(tài)過程模擬計算15%的誤差范圍。整體來看，模擬與試驗結(jié)果比較吻合，應用發(fā)動機瞬態(tài)性能仿真平臺進行模擬計算的方法是可行的。

圖13 車速的整車連續(xù)換檔加速試驗結(jié)果Fig.13 Vehicle accelerating process test result of vehicle speed

表2 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較Table 2 Comparison of simulation and test results

4 結(jié) 論

（1）應用GT－Power和Simulink軟件建立了聯(lián)合仿真平臺，進行了發(fā)動機和整車的瞬態(tài)過程模擬，通過對增壓器方案的對比，確定了能夠改進發(fā)動機和整車瞬態(tài)響應性能的方案。

（2）在發(fā)動機臺架上進行了瞬態(tài)性能的對比驗證，應用模擬計算確定的增壓器方案轉(zhuǎn)矩響應時間比原方案縮短31%，能夠很好地改進發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的性能和發(fā)動機瞬態(tài)響應性能。

（3）在整車上進行了連續(xù)換檔加速試驗，改進方案增壓器有較好的瞬態(tài)響應性能，車速達到60 km／h的時間比原方案減少8.7%，能夠減少加速時間。

（4）發(fā)動機模擬計算預測發(fā)動機與整車瞬態(tài)改進的相對結(jié)果與試驗值非常吻合，能夠反映不同方案對發(fā)動機和整車瞬態(tài)響應的影響，應用模擬計算的方法進行發(fā)動機改進方案的預測是可行的。

（5）應用模擬分析方法，能夠在發(fā)動機性能設計的初期對發(fā)動機和整車的瞬態(tài)性能進行分析和評價，避免了因只做穩(wěn)態(tài)分析評價導致的整車加速性差的問題，能夠更好地從改善加速性方面入手進行整車經(jīng)濟性和動力性的優(yōu)化。應用模擬分析方法進行發(fā)動機和整車的瞬態(tài)性能評價，能夠縮短開發(fā)周期和試驗量，節(jié)約開發(fā)成本。

［1］鄭廣勇.CA6DF2＿26柴油機瞬變過程研究［D］.長春：吉林大學汽車工程學院，2006.Zheng Guang－yong.Study on the transient process of CA6DF2－26diesel engine［D］.Changchun：College of Automotive Engineering，Jilin University，2006.

［2］賀淑超.車用增壓柴油機瞬態(tài)過程仿真及分析［D］.長春：吉林大學汽車工程學院，2009.He Shu－chao.Simulation of automobile turbocharged diesel engine under transient operating cinditions［D］.Changchun：College of Automotive Engineering，Jilin University，2009.

［3］田徑，劉忠長，葛思非，等.可變幾何截面增壓器／廢氣再循環(huán)對重型柴油機性能和排放的影響［J］.吉林大學學報：工學版，2009，39（4）：864－868.Tian Jing，Liu Zhong－chang，Ge Si－fei，et al.Effect of VGT／EGR system on performances and emissions of heavy－duty diesel engine［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2009，39（4）：864－868.

［4］Tufail K，Winstanley T，Karagiorgis S，et al.Characterisation of diesel engine transient pumping－loss and control methodology for transient specific fuel consumption（SFC）［C］∥SAE Paper，2009－01－2748.

［5］劉忠長，劉巽俊，張兆合.進氣渦流對車用直噴式柴油機瞬態(tài)工況下微粒排放的影響［J］.內(nèi)燃機學報，2000，18（2）：153－155.Liu Zhong－chang，Liu Xun－jun，Zhang Zhao－h(huán)e.Effect of intake swirl on particulate emission from an automotive D.I.diesel engine under transient operating conditions［J］.Transactions of CSICE，2000，18（2）：153－155.

［6］孫萬臣，王中恕，李國良，等.燃料著火性對增壓中冷柴油機瞬態(tài)工況排放的影響［J］.吉林大學學報：工學版，2008，38（4）：791－796.Sun Wan－chen，Wang Zhong－shu，Li Guo－liang，et al.Effects of fuel cetane number on emissions from a turbocharged and intercooled diesel engine under transient operating conditions［J］.Journal of Jilin U－niversity（Engineering and Technology Edition），2008，38（4）：791－796.

［7］Pettiti M，Pilo L，Millo F.Development of a new mean value model for the analysis of turbolag phenomena in automotive diesel engines［C］∥SAE Paper，2007－01－1301.

［8］Sui Ling－ge，Liu Zhong－chang，Han Yong－qiang，et al.Realization of the simulation platform of turbocharged diesel engine with EGR Loop under transient conditions［C］∥ICCASM，Shanxi，Taiyuan，China，2010：274－279.

［9］Rakopoulos C D，Giakoumis E G，Hountalas D T，et al.The effect of various dynamic，thermodynamic and design parameters on the performance of a turbocharged diesel engine operating under transient load conditions［C］∥SAE Paper，2004－01－0926.