加载条件对柴油机瞬态响应的影响研究

宋德祥，李志鹏，李睿，石志勇，商显赫，张付军

(1.北京理工大学，北京 100081；2.中国北方车辆研究所，北京 100072；3.山西柴油机工业有限公司，山西 大同 037036)

涡轮增压是内燃机发展的一个关键性技术，它不仅使发动机动力性做到强化[1]，而且对于改善柴油机高原特性具有重要意义。大量的研究表明：平原匹配良好的涡轮增压发动机到高原环境就会出现动力不足现象[2]，在低速阶段表现尤为突出，这是因为高原环境下，大气的压力比平原压力低很多，进气管空气流量小，增压器响应滞后加剧，导致发动机运行过程中“气不跟油”，燃烧恶化[3-5]。由于排气能量小，发动机低速工况增压器几乎不发挥作用，这种现象在高原环境下愈发明显。涡轮增压器的动态响应会对柴油机动态特性产生影响，改善柴油机与增压器的高原响应特性对于柴油机在高原正常工作具有重要意义[6-8]。

许多学者对高原柴油机涡轮增压方案进行匹配和研究[9-11]。王俊等[12]通过理论计算选取了合适的压气机和涡轮，并进行了配机试验，保证农业机械具有良好的高原适应性。李书奇[13]更换高压比压气机放气阀涡轮增压器解决高原增压器超速问题。刘系暠[14]通过仿真发现二级增压在高原相比单级增压最大扭矩会得到提高。近年来，基于柴油机恒转速增扭和恒扭增转速瞬态工况，学者做了大量研究[15-17]，然而这两种特殊加载方式都是保持转速或扭矩恒定，与发动机在实际车辆上的情况相差较远。在车辆起步过程中，柴油机受到液力变矩器力矩的作用，扭矩跟随转速变化(自然特性)，并在最高转速处做近似恒转速加载的过程，故本研究对“自然特性和恒转速”组合加载的瞬态工况展开研究。柴油机与增压器的动态特性之间存在复杂的影响关系，转速和负荷变化会影响增压器的动态特性，增压器的动态特性反过来又影响柴油机进气压力和流量、喷油量等的变化，因而有必要研究高原条件下柴油机加载条件对柴油机动态特性的影响规律。

1 瞬态性能仿真平台的建立

1.1 发动机模型

发动机是强耦合、复杂的非线性系统，车用发动机大多工作在瞬变过程，其工作状态受气体流动和缸内燃烧过程影响。由于进排气管路的容积大，加之气体具有可压缩性，在动态过程中，进气的响应速度远慢于喷油的响应速度，具有较大的迟滞性。为了研究高原环境下涡轮增压发动机瞬态响应情况,反映发动机动态过程的工作状态，需要建立详细的发动机物理模型，其应该能够体现气体的流动状况和滞后效应，同时体现发动机曲轴和增压器转子的惯量对动态过程的影响等。

以某增压柴油机为研究对象，在GT-Power中构建其一维性能仿真模型，模型中主要包括增压器模型、气缸模型、进排气管路模型、喷油器模型、曲轴箱模型、与Simulink耦合模块等子模型。

为了验证发动机模型的可行性和准确性，以最高转速点的平原扭矩值作为参考，将试验数据和仿真数据进行归一化处理，海拔0 m和4 500 m时试验和仿真的归一化外特性扭矩数据如图1所示，扭矩的仿真值和试验值误差均在3.5%之内，说明发动机模型能够满足仿真的要求。

图1 试验与仿真扭矩

1.2 发动机控制策略模型

研究所用发动机油量控制采用全程调速的方式。全程调速作用于怠速到最高转速的所有转速范围，自动调节循环供油量，发动机转速波动较小，承载能力较强。全程调速模型中对油量的计算包括调速特性和转速闭环控制两个部分。根据发动机的当前工况和油门踏板的位置，调速特性部分计算出下一循环发动机目标转速，如图2所示。转速闭环部分根据调速特性计算的目标转速和实际转速的差值，通过PID控制器将差值转换成循环供油量，模型中调速率设置为10%。

图2 全程调速特性模型

油量控制策略如图3所示，通过全程调速计算得到循环供油量，在动态过程中，由于涡轮增压器的滞后效应，进气响应远低于喷油响应，进气量不足导致燃烧恶化，发动机出现冒烟的现象。为了避免空燃比过低出现冒黑烟的情况，对发动机冒烟极限进行限值，模型中冒烟极限空燃比的取值不低于18。受外特性油量和冒烟极限的约束，取三者中油量最小值作为发动机循环供油量。

图3 油量控制策略

1.3 测功机模型

以涡轮增压柴油机为单一动力的车辆传动系统中往往带有液力变矩器，起到减速增扭的作用。液力变矩器作用在发动机上的负荷是由泵轮的扭矩变化特性决定的。液力变矩器的泵轮扭矩特性为

MB=ρgλn2D5。

(1)

式中：MB为泵轮转矩；ρ为液体的密度；λ为泵轮转矩系数；n为泵轮转速；D为液力变矩器直径。

图4示出为发动机和液力变矩器共同工作输入特性，是发动机和液力变矩器匹配的基础，曲线a,b,c,d是不同的液力变矩器泵轮转速和涡轮转速速比的输入特性。通过改变发动机和液力变矩器之间的前传动比值，可以改变共同输入特性。

图4 共同工作输入特性示意

为了模拟发动机在车辆运行中受到的负载情况，以发动机和液力变矩器共同工作输入特性的形式给定加载方式(自然特性加载)。当液力变矩器速比为0时，选择前传动比分别为0.7，1，1.1，确定三种自然特性加载条件。当三种自然特性加载条件到达标定点转速后改变加载方式，以恒速加载的方式将扭矩加载到3 500 N·m。如图5所示，三种加载条件改变了自然特性和恒转速在加载过程中所占的比例。图5中，恒扭矩加速过程，由于前期转速低，加载扭矩过大，发动机转速不能增加。所用发动机的怠速转速为800 r/min，仿真过程发动机从800 r/min开始加速，加载扭矩为800 r/min时图中对应的扭矩。

图5 加载条件

GT-Power仿真软件有转速模式和测功机模式，在加载过程中GT-Power不能将测功机模式切换到转速模式，因此为了在测功机模式下实现恒转速加载的过程，在测功机模块下设计了一种可以近似模拟恒速加载的方法，通过测功机模块进行加载过程的切换，如图6所示。发动机的加载扭矩以自然特性加载方式进行加载，当到达目标转速，加载过程切换到恒速加载。恒速加载过程发动机转速为一定值，将需要稳定的发动机转速作为目标值，与当前采集到的发动机信号做差值，采用增量式PID控制算法，控制发动机的加载扭矩，将发动机转速稳定在一定范围内，近似模拟恒速加载的过程。

图6 测功机模块

1.4 耦合仿真平台

发动机的控制策略模型和测功机模块在Simulink中建立，通过软件的耦合单元建立联合仿真平台(见图7)，能够同时反映发动机的控制策略和动态过程的响应性。GT-Power运行模式设置为Load模式，Simulink传递循环喷油量和实时的负载信号给GT-Power，GT-Power将运行过程中的参数变化数据传递给Simulink，方便实时观察和对数据进行后处理。

图7 瞬态性能仿真平台

2 不同加载条件下瞬态性能模拟分析

瞬态过程与稳态过程仿真计算中存在较大的差异，恒转速增扭矩和恒扭矩增转速是两种典型的瞬态过程，而在车辆起步加速过程中不同于这两种瞬态过程，发动机转速和负载都是变化的。为了模拟车辆在高原海拔4 500 m环境中起步加速过程中发动机的瞬态变化情况，改变发动机的负载扭矩，也就改变了发动机的运行工况，进而探究涡轮增压器各参数的动态变化情况，为后续研究高原环境发动机动态响应过程提供研究基础。按图5中三种加载条件进行加载，其中自然特性加载阶段选用不同的前传动比，以更好地模拟液力变矩器的加载状态，到达最高转速点再进行恒速加载，三种加载条件改变了加载过程中自然特性加载阶段和恒速加载阶段所占的比例。

2.1 发动机动态仿真分析

2.1.1 发动机瞬态响应过程分析

仿真从0 s开始，油门踏板在0.5 s内从0迅速增加到100%，仿真计算时长为12 s。由于仿真平台的特殊计算方式，仿真开始的短时间处于怠速阶段，当发动机转速在全程调速的方式下开始上升时，加载模块按图5中加载条件1开始加载。发动机响应特性如图8所示。

图8 发动机转速、空燃比、喷油量、涡轮功率、进气压力的响应特性(加载条件1)

从图8可以看出，在自然特性加载过程中，发动机转速快速上升到最大转速，到了恒速加载阶段，转速在PID的控制下经过小幅度波动后趋于平稳。

在自然特性加载过程中，发动机的加载扭矩较小，发动机转速升高较快。在这个过程前期，进气压力变化平缓，进气量小，空燃比一直没能摆脱冒烟极限的约束，处于最低水平的极限空燃比18，喷油量也不能快速增加，发动机燃烧指示功较小；排气能量较低，排气背压较小，不能使涡轮转子转速快速升高，增压器几乎没有发挥作用，涡轮输出的功率也比较小，导致压气机压缩空气的增压比小，进气量小，又限制了供油量的增加，进气响应滞后于燃油供给的响应性，“气不跟油”，涡轮增压器得不到足够的排气的能量，增压器作用效果不明显。在自然特性加载后期，发动机转速高，排气流量得到提升，涡轮开始做功，增压器发挥作用，进气量得到补充，虽然空燃比仍然处在冒烟极限限制空燃比，但喷油量随着进气量明显增加。

在恒速加载阶段，发动机转速处于最高转速，随着负载扭矩的增加，喷油量也快速增加。自然特性过程中发动机转速的快速提升使得排气流量增大，增压器发挥作用，为恒速加载过程中提供了较高的进气量，喷油量能够快速增加，发动机排气具备较高的能量，转子转速增速快，排气能量给涡轮做功，涡轮功率较大，增压器充分发挥增压作用，进气压力也快速上升；喷油量不受空燃比的约束，能够根据扭矩的需求而变化，受发动机外特性油量的约束，当喷油量达到外特性油量时便不再增加。

2.1.2 加载条件对发动机瞬态响应性的影响

按上述的仿真试验对图5中三种加载条件进行仿真，不同加载条件下发动机的瞬态响应特性如图9所示，其中t1，t2，t3分别为三种加载条件自然特性加载和恒速加载的切换时刻。

如图9所示，由于三种加载条件的加载扭矩都落在同一点，仿真结束时，三种加载条件下发动机的运行状态相同，且发动机转速达到了稳态，但不同的加载条件下各个参数在变化过程中具有较大的差异。如图9a所示，在发动机转速上升的过程中，加载条件1相比其他两种加载条件负荷小，发动机转速升高快。当达到最高转速，加载过程变为恒转速加载，加载条件1加载扭矩比较小，发动机转速仍在上升的阶段，t1后，为了稳定发动机转速，发动机加载扭矩不断增加，且恒速加载扭矩比其他两种条件快，为克服较大的加载扭矩，如图9b所示，喷油量也增加得更快。如图9d所示，相比其他两种加载条件，条件1涡轮转子转速升速更快，涡轮增压器更快地发挥作用，进气压力建立得更快，也能更快地达到最大喷油量，最早达到目标扭矩值。加载条件2和3在自然特性加载过程中逐渐走向中高负荷区域，转速升高得相对较慢，削弱了转速升高建立进气流量的能力，喷油量增加缓慢。从图9c可以看出，条件1最早摆脱了冒烟极限的限制，进气量充足，可以满足喷油量的增加。

图9 不同加载条件下的发动机转速、喷油量、空燃比、转子转速的响应特性

发动机以不同的加载条件从怠速开始加载，直至发动机各个参数达到平衡状态，发动机在动态过程中各个参数的瞬态变化有明显的差异。加载过程中，在发动机到达该动态过程的最高转速前，发动机输出扭矩大于加载扭矩，发动机转速升高较快，到达最高转速时刻的前一状态，加载扭矩越低，发动机转速在下一状态超过目标值转速差值越大，在加载扭矩的控制下，发动机转速很快平稳，三种加载条件的发动机扭矩也在不同时刻达到目标扭矩值。

2.2 加载条件对发动机动态过程参数的影响

从上述不同加载条件下发动机动态过程中各个参数随时间变化的分析可知，在高原环境中发动机的动态响应性差，主要是因为进气量响应滞后于喷油量的响应。在发动机仿真的动态过程中，转速和扭矩都是实时变化的，为了进一步探究加载条件对瞬态性能的影响，对发动机参数随转速的变化进行分析，如图10所示。

图10 涡轮功率、进气流量和喷油量随转速的变化

如图10所示，仿真曲线分为两个阶段，第一阶段是发动机参数随转速升高的变化过程，第二阶段是各参数在恒定转速下变化的过程。不同加载条件下这两个阶段所占的比例是不同的，在发动机转速增加阶段加载扭矩大的加载条件此阶段占的比例较大，恒转速加载过程占的比例相对较少。理论上在恒转速加载阶段，发动机转速在2 200 r/min时，各参数的变化应为一条垂直直线，图中各参数在2 200 r/min附近小幅度水平波动，反映了发动机恒转速加载的过程。

在同一个发动机转速下，加载条件3排气能量大，涡轮发出的功率多，增压器具有更大的压比，进气量大，因此发动机喷油量多。加载条件1在增速阶段处于低负荷状态，发动机可以更快达到最高转速，这种情况下，在自然特性加载的加速阶段，由于克服扭矩所需喷油量少，所以发动机排气的能量小，进气排气压力和流量相对较小；在恒转速加载阶段，由于发动机转速提升，排气流量增加时增压器转子转速已经很高，消除了增压器滞后现象，可以快速提供较大的进气流量，喷油量能够不受限制(冒烟极限)地快速上升，达到目标扭矩值对应的最大油量。

增压器转子转速和进气流量的变化率可以用于衡量涡轮增压器的瞬态响应性，图11示出了转子转速和进气流量的变化率随时间的变化曲线。

图11 转子转速和进气流量的变化率

如图11所示，二者的变化趋势是相同的，峰值的时刻也是近似对应的，排气流量和进气流量有着相互影响的关系。自然特性加载阶段(即发动机转速上升的阶段)，增压器转子转速和进气流量的变化率同时在缓慢上升，因此发动机转速的增加对增加排气流量、提高涡轮功率、缩短涡轮增压器滞后具有重要的作用。转子转速变化率达到峰值时，发动机处于恒速加载阶段，由于增压器已介入，进气量增加，喷油量也迅速增加，负荷增大，排气能量更高，因此转子转速变化率迅速增大且达到最大值，在涡轮增压器的作用下，进气流量也相应地变化。三种加载条件下转子转速变化率和进气流量变化率的峰值几乎相同，其中条件1自然特性加载阶段负载扭矩小，发动机转速升高快，可提升排气流量，转子转速和进气流量的变化率升高速度也更快，因此峰值到来的时间更早，加载条件1在解决涡轮增压器响应滞后的问题上效果更显著。

由上述分析，发动机的进气量主要受发动机转速和喷油量两个因素影响，三种加载条件下发动机瞬态进气压力随转速和喷油量的变化如图12所示。

图12 进气压力随转速和喷油量的变化

从图12可以看出，三种不同的加载条件下，发动机从怠速开始沿着不同的轨迹到达相同的最终状态(即标定转速和大负荷工况)。对于条件1，在发动机转速升高的过程中，前期喷油量比较小，进气压力也比较小，但是阻力小，发动机快速到达最高转速，由于发动机排气流量快速增加、增压器滞后消失，发动机由低负荷增加到高负荷过程中，进气压力和喷油量都得以迅速增加。对于条件3，随着发动机转速的增加，由于负荷增加较快，因而在到达最高转速前发动机已经处于高负荷状态，喷油量和进气压力也随之缓慢增加，此外由于在发动机提速初期喷油量受到空燃比限制，所以相对加载条件1而言，增压器的滞后时间更长。图12表明不同的加载条件导致发动机沿着不同的轨迹(转速、喷油量和进气压力)达到标定点工况附近。以达到发动机高转速高负荷工况为目标，为提高涡轮增压器的瞬态响应性，可以改变发动机的加载条件，在低负荷阶段提升发动机转速，利用发动机排气量的快速提升克服增压器滞后现象，然后在高转速下逐渐加载，以最短时间达到高转速高负荷状态。

3 结论

a)以解决高原环境车辆起步加速过程发动机响应性差的问题为目的，通过分析柴油机与变矩器的共同工作特性，提出了“自然特性和恒转速”组合方式的测功机加载方式，建立了MATLAB/Simulink组合加载方式的仿真模型，实现了基于发动机性能分析软件开展高原环境下加载条件对柴油机瞬态响应的影响研究；

b)通过三种不同的加载条件，从涡轮增压器和发动机性能参数两方面分析了发动机在高原环境中瞬态响应性，发现涡轮增压器是解决发动机在高原环境中动态响应性差问题的关键；在变转速增扭矩的瞬态变化过程中，发动机转速和喷油量是影响进气流量的两个重要因素；

c)给发动机施加不同的加载条件，发动机就有不同的运行工况轨迹，在低负荷下快速提高发动机转速，在高转速下快速加载，能够较快地建立起增压压力，达到发动机高速高负荷状态。