涡轮增压柴油机进气流量建模研究

熊兴旺 高鑫磊 于津涛 高俊华

（中国汽车技术研究中心，北京 100176）

涡轮增压柴油机进气流量建模研究

熊兴旺 高鑫磊 于津涛 高俊华

（中国汽车技术研究中心，北京 100176）

利用增压柴油机外特性试验数据，将用于计算增压燃气发动机进气流量的经验公式系数进行重新标定，建立增压柴油机进气流量估算模型。通过ESC和ETC试验分别进行增压柴油机稳态工况与动态工况模型预测流量与实测流量的对比验证。结果表明，稳态工况时，模型中两拟合公式结合使用，相对误差在（-10%,+10%）范围内；瞬态工况时，模型预测流量相对于试验流量的跟随性都较好，在瞬态小流量工况时选用一次拟合关系式计算效果更好。

1 前言

柴油机空气进气流量对于研究涡轮增压柴油机的工作过程与涡轮增压器的选型匹配至关重要[1]。目前柴油机空气进气流量的建模主要从能量守恒和质量守恒角度展开[2]，从根据理想气体方程并考虑充气效率、扫气系数等参数的影响对进入气缸的空气流量估算[3]角度展开，针对增压器、中冷器、EGR等子系统的全部[4]或一部分[5]进行建模。这些建模方法为了获得相对较高的计算精度，一般考虑的影响因素较多，模型较复杂，模型中需要标定的参数较多。实际应用中由于不同柴油机的结构型式不同（比如有无EGR），影响了模型的可移植性。

以前的研究中拟合得到了增压燃气发动机混合气进气流量关于转速、进气歧管压力、节气门开度等参数的两个关系式[6]。本文在一台增压柴油机上进行外特性试验，根据试验数据对两拟合公式中的系数重新标定，建立增压柴油机进气流量估算模型。根据GB17691—2005[7]标准在同一台增压柴油机上又进行ESC试验和ETC试验，分别获取稳态工况和瞬态工况试验数据并与模型预测流量值进行对比验证。

2 试验台架与试验方案

试验所用发动机为采用分流过滤器（PFF）+DOC技术路线、满足国Ⅴ排放法规的高压共轨增压中冷柴油机，其参数如表1所列。

试验中采用AVL公司DynoRoad 204/8 Sx型交流电力测功机，最高转速8 000 r/min，最大转矩934 N∙m，额定吸收功率220 kW，转速误差±0.1%，转矩误差为满量程的±0.4%。采用AVL T-06AMFM1200A型空气流量计量系统来测量发动机进气空气流量，测量范围0～1 200 kg/h，测量精度±1%，响应时间12 ms。采用AVL T-06ACM1600A.A001型进气调节单元对进气状态进行调节。进气压强控制精度（稳态）为±0.1 kPa；温度控制精度（稳态）为±0.5℃；湿度控制精度（稳态）为±3%相对湿度。

表1 试验用柴油机性能参数

为了探究增压柴油机是否具有和增压燃气发动机相同形式的规律，柴油机转速单位采用kr/min[8,9]，选取上述增压柴油机转速1.0～3.2 kr/min、间隔0.1 kr/min的外特性试验稳态工况点用于公式拟合，并进行ESC稳态工况试验和ETC瞬态工况试验。

3 柴油机空气进气流量计算模型

3.1 进气歧管压力的测量

柴油机压缩空气从中冷器出口至流入进气歧管时不存在节流压力损失，中冷器后压力和进气歧管压力相差很小。图1为ESC试验和ETC试验中柴油机中冷器后气体压力和柴油机进气歧管压力的对比图。

图1 ESC和ETC试验中冷器后和进气歧管气体压力对比

从图1可以看出，无论是稳态工况还是瞬态工况，中冷器后测得的压力值和进气歧管处测得的压力值差别微小，ESC稳态循环工况时绝对误差不超过3 kPa，ETC瞬态循环工况时绝对误差不超过7 kPa。为了避免进气歧管处安装压力传感器对进气状态造成影响，同时为了测量方便，台架试验中用中冷器后压力传感器测得的压力值近似代替进气歧管压力值进行建模计算。

3.2 流量与转速、进气歧管压力的拟合关系

该增压柴油机外特性试验各稳态工况点试验中转速与对应的空气进气流量如图2所示。

图2 拟合公式所选取工况点的数据

构造变量β1=n∙PICO，其中n为发动机转速，kr/min；PICO为中冷后气体绝对压力，kPa。β1与柴油机空气进气流量的关系如图3所示。

图3 流量与构造变量β1的关系

由图3可以看出，进气流量与该构造变量间具有较强的线性关系，将两变量用线性多项式拟合为：

其中，a1、a0为拟合系数，拟合式相关系数r为0.998 2。可见，mfair与构造变量β1之间线性关系较为强烈。

3.3 流量与油门、转速、进气歧管压力的拟合关系

由前文可知，增压燃气发动机上关于流量计算的线性拟合关系式规律同样适用于增压柴油机。柴油机喷油量大小受到油门开度信号控制，为了探究油门开度信号对于空气进气流量的影响，将增压燃气发动机中节气门开度信号用增压柴油机油门信号来代替，构造变量β2=（n∙PICO）∙ln（n∙α），α代表柴油机油门信号大小，其原大小取值范围是0～100，为避免取对数运算得到负值，将α最小值调整到一个大于零的小开度α0，最终α取值范围定义为：α＞α0，则α取原值；若α≤α0，则令α=α0。观察柴油机空气进气流量与该构造变量的关系，可以得到图4，用三次多项式拟合得到式（2）。

图4 流量与构造变量β2的关系

式中，bi为拟合系数，该拟合式的相关系数r为0.998 4。

可见，mfair与构造变量β2之间的多项式关系也较为显著，拟合结果比较理想。

4 试验验证

4.1 稳态工况验证

选取ESC稳态循环试验的13工况点进行对比。试验工况点如表2所列。

表2 ESC循环试验13工况点

将试验测量得到的转速、中冷后压力、油门开度信号以及空气进气流量等数据代入拟合公式计算，计算值与试验值对比如图5所示。

图5 ESC试验中流量实测值与计算值对比

由图5可以看出，稳态工况时，一次拟合多项式和三次拟合多项式的计算结果都较稳定，但均存在一定误差；在怠速工况时，一次拟合多项式的计算结果较接近试验值，三次拟合多项式计算结果偏小，而在其余稳态工况时，计算值相对于试验值均偏大，且三次拟合关系式得到的结果精度高于一次拟合多项式。

油门开度变化对应于发动机负荷的变化。三次拟合关系式中构造变量β2考虑了发动机负荷对进气流量的影响，能更全面的反应发动机工况对于进气流量的影响，三次拟合关系式在除低转速小负荷之外的稳态工况时计算精度普遍高于一次拟合关系式。在低转速小负荷工况时排气能量较低[10]，涡轮增压几乎不起作用，此时发动机处于自然吸气状态，三次拟合关系式计算值误差较大，说明该工况下不适用。

为了更直观的定量分析两公式计算的相对误差，计算得到ESC试验中两拟合公式计算值与试验值的相对误差如图6所示。可知，在怠速工况时，一次拟合关系式计算相对误差分布在（0,+10%）区间内，三次拟关系式误差很大；在其余稳态工况时，三次拟合关系式的相对误差均小于一次拟合关系式的误差，且均位于（-10%,+10%）区间内。所以用于稳态工况流量计算时，可以采用在低转速小负荷时选用一次拟合关系式计算，在其余工况时选用三次拟合关系式计算的方式。

图6 ESC试验中拟合公式的计算相对误差

4.2 瞬态工况验证

为检验两拟合公式对瞬态工况的计算效果而进行ETC瞬态循环试验，试验各工况对应的扭矩与转速如图7所示。

将空气进气流量实测值与计算值进行对比，对比结果如图8所示。

图7 ETC试验中各工况对应的扭矩和转速

图8 ETC试验中流量实测值与计算值对比

从对比结果可以看出，在瞬态工况时一次拟合关系式空气进气流量的计算值相对于试验值跟随性好，滞后时间短，误差较小，计算精度较高；三次拟合关系式相对于试验值偏离较大，尤其是在流量值小于200 kg/h工况时。

三次拟合式计算瞬态工况进气流量精度较低，主要原因是进气歧管压力和进气流量的变化滞后于油门信号的变化。油门开度大小发生变化时，喷油量随之改变，排气能量也随之改变，驱动涡轮进行增压的能力也发生变化，从而引起进气歧管压力和空气进气流量的改变。瞬态工况时发动机进气歧管压力和空气进气流量没有充分的时间达到稳定状态，某一时刻测得的瞬态进气歧管压力和进气流量只是向稳态过渡的中间值，进气歧管压力和进气流量的变化要滞后于油门信号的变化，因此瞬态计算时若考虑油门信号会带来较大误差。所以，在瞬态工况流量预测时，应选用一次拟合关系式。

5 结束语

a.增压燃气发动机上得到的关于混合气进气流量的拟合规律同样适用于增压柴油机。增压柴油机空气进气流量与构造变量β1之间具有很强的线性相关关系，同时空气进气流量和构造变量β2之间也具有明显的多项式拟合关系；

b.根据ESC试验验证，用于稳态工况计算时，两拟合公式分别在某些工况下有较高精度，两公式结合起来用于稳态工况流量计算可将相对误差控制在较小范围内；

c.ETC试验验证表明，一次拟合关系式计算精度高于三次拟合关系式，瞬态工况进气流量计算时应优先选用一次拟合关系式；

d.拟合得到的两个经验公式形式简单，计算涉及的参数少，需要标定的系数少，可移植性好，可用于增压柴油机稳态工况和瞬态工况的空气进气流量预测。

1 黄粉莲,纪威,周炜.涡轮增压柴油机进气流量的计算与仿真.农业工程学报,2013（3）:62～68.

2 孙晓辉.柴油机进气过程的数值仿真研究:[学位论文].济南：山东大学,2011.

3 欧阳明高,李建秋,杨福源.汽车新型动力系统:构型、建模与控制.北京:清华大学出版社,2008.

4 段树林,欧阳明高,刘峥.涡轮增压柴油机动态仿真的研究.大连海事大学学报,1999（2）:78～81.

5 Bai L,Yang M.Coordinated Control of EGR and VNT in Turbocharged Diesel Engine Based on Intake Air Mass Observer.SAE Technical Paper,2002-01-1292.

6 熊兴旺.天然气掺氢发动机平均值模型建模与验证:[学位论文].北京:清华大学,2015.

7 GB 17691—2005.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）.北京:中国环境科学出版社,2005.

8 Hendricks E,Sorenson S.Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines.SAE Technical Paper 900616,1990.

9 Hendricks E,Chevalier A,Jensen M,et al.Modelling of the Intake Manifold Filling Dynamics.SAE Technical Paper 960037,1996.

10 周龙保.内燃机学.北京:机械工业出版社,2010.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2016年8月1日。

Modeling Research on Air Intake Flow of Turbocharged Diesel Engine

Xiong Xingwang,Gao Xinlei,Yu Jintao,Gao Junhua
（China Automotive Technology&Research Center,Beijing 100176）

With the full load test data of the turbocharged diesel engine,coefficients of empirical formulas applied to calculate air intake flow of turbocharged gas engine were re-calibrated to construct the diesel engine air intake flow estimation model.And ESC steady state tests and ETC transient tests were conducted respectively,then simulation results were compared with the test results.The results showed that under steady state condition,the relative error was in the range of(-10%,+10%)by jointly use of the two fitting formulas.Under transient condition,the following performances of simulation results are good,and the one order fitting formula is better for small air intake flow calculation.

Turbocharged diesel engine,Air intake flow,Modeling

涡轮增压柴油机 进气流量 建模

U464.1

A

1000-3703（2017）02-0030-04