直喷涡轮增压汽油机动态响应特性理想恒速模拟及评价＊

马晓锋 张力 张青,2 李祖成 钟德妹

（1.重庆大学，重庆 400044；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023）

主题词：汽油机 直喷 涡轮增压 恒速变扭 瞬态响应

1 前言

缸内直喷、涡轮增压与可变气门正时的组合为改善汽油机燃烧过程开辟了新的途径，促进了直喷涡轮增压汽油机的广泛应用[1-4]。但增压器响应迟缓是小排量涡轮增压车用汽油机备受诟病的问题[5-8]，故对此类问题有较多研究，如郑广勇等人[9-11]通过在数值模型中加入载荷模块，模拟增压发动机及整车在瞬态过程中外部载荷的瞬时变化，但是在实际驾驶过程中，车用发动机外部载荷的瞬时变化相当复杂，涉及参数众多，数值模型很难准确反映实际驾驶过程中的瞬时负载情况；Wei Z B等人[12-13]通过整车底盘测功机或道路测试来评价增压发动机的响应特性，但该方法只能在发动机匹配完整的条件下才能进行，同时由于受到底盘测功机负荷加载特性的差异（或实际道路负载的差异）、驾驶习惯的差异等因素的影响，试验结果具有一定的不可对比性。

因发动机台架负载控制的差异，即不同类型、不同品牌测功机及不同测试工况等情况下负载控制参数很难完全定义相同，所以发动机动力输出的动态响应特性很难在发动机台架上进行准确的测试及进行合理评价，为此，结合直喷增压汽油机台架稳态性能测试数据及热力学循环模拟原理，提出了理想恒速模拟与评价方法，以此评价不同涡轮增压器匹配方案下发动机的动态响应特性。

2 稳态台架性能测试与热力学模型

2.1 稳态台架性能测试

根据标准GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》，在AVLDYNOROAD SL 220 kW/525N·m电力测功试验台架上完成某1.5TGDI汽油机的稳态性能测试，1.5TGDI汽油机主要参数见表1。

表1 1.5TGDI汽油机主要参数

发动机试验条件按标准GB/T 18297—2001执行，测量仪表精度及测量部位符合相关规定；试验中发动机的运行参数通过AVL735S油耗仪、ABM-10空燃比测量仪、Flows-onix空气流量计、Kistler 4007B压力传感器和KEU型温度传感器等进行测量；同时，利用AVL INDICOM燃烧分析仪对各缸燃烧状态进行监测。

2.2 热力学模型及校验

利用GT-POWER软件，并根据发动机实际几何参数及相关测试数据建立了1.5TGDI汽油机稳态热力学循环模拟模型，如图1所示。

图1 1.5TGDI汽油机数值模拟模型

针对1.5TGDI汽油机工作特征，热力学模型还设置了增压压力控制模块、爆震控制模块和中冷器控制模块等。其中，增压器控制模块通过对排气旁通阀开度的调节实现对压气机出口压力的控制，模拟实际发动机增压压力控制过程；爆震控制模块通过对缸内燃烧状态的监测，调节受爆震限制的燃烧时间，模拟发动机通过点火延迟抑制爆震现象的实际过程；中冷器控制模块通过对换热参数的调节实现对中冷后流体温度的控制，模拟实际发动机增压中冷器工作过程。为确保热力学模型的准确性，利用发动机性能台架测试数据对该热力学模型进行多参数标定，图2为发动机在转速为1 200 r/min和1 600 r/min时负荷特性的标定结果（其它转速按相同方法标定）。从图2可看出，各参数模拟值与测试值基本一致，标定偏差在5%以内，表明该热力学模型可以很好地指征发动机的稳态热力学性能。

图2 发动机部分负荷多参数标定

3 理想恒速模拟方法与建模

3.1 理想恒速模拟方法

理想恒速模拟与评价方法首先假定平衡发动机动力输出的负载响应时间为零，利用瞬态热力学循环模拟计算发动机恒定转速下动力输出随节气门开度的瞬变关系，并在此理想条件下评价1.5TGDI汽油机的动态响应特性。虽然理想恒速模拟所基于的假设与发动机实际使用过程中的负载状态存在较大差异，但这种差异并不直接影响涡轮增压发动机排气能量的变化到新的进气压力建立这一过程的热力学固有特性，因此选择最理想化的负载状态（即平衡发动机动力输出的负载响应时间为零）可评价不同涡轮增压器匹配方案下增压发动机的动态响应特性。

理想恒速模拟的恒定转速条件可排除发动机本体转动惯量对动态响应特性的作用，突出反映涡轮增压器属性对发动机动态响应特性的影响。同时，理想恒速模拟是基于发动机恒定转速瞬变状态的数值模拟，在数值方法上恒定转速比非恒定转速更容易获得稳定可靠的收敛解。

3.2 理想恒速模拟建模

为评价1.5TGDI发动机配置不同涡轮增压器的动态响应特性，需要将前述稳态热力学循环模拟模型向瞬态模拟扩展。首先在GT-POWER软件的模型求解器设置中采用时间（秒）来描述整个瞬态响应过程，以分析发动机各性能参数随时间的瞬时变化。此外为保证该瞬态模拟过程在预设时间内完成，关闭GT-POWER求解器模块中默认的“模型达到稳定状态后自动停止计算”程序。另外，考虑到模型中进排气存在马赫数大于0.3的流动，故选择显式求解方法对时间进行差分，经网格无关性验证，时间步长的控制及数值收敛控制参数与稳态热力学循环模拟模型中的设置相同。在此基础上，还需要增加发动机相关转动惯量（涡轮增压器转动惯量）的定义。

在瞬变工况下，当节气门开度突然减小或关闭时，节气门与涡轮增压器之间的背压会剧增。为避免此现象发生，设置涡轮增压器的进气泄压阀装置会开启，使一部分增压气体由压气机出口流回压气机进气侧。为模拟发动机瞬变工况进气泄压阀的工作过程，在前述热力学模型基础上添加进气泄压阀控制模型。进气泄压阀控制模型控制逻辑为：当发动机处于稳态工况或节气门开度增大时，进气泄压阀一直处于关闭状态，而当节气门位置传感器中检测到节气门开度突然减小或关闭时，控制模块会根据节气门开度变化信号启动进气泄压阀控制策略。

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图3为发动机节气门开度突然从90°减小到5°时进气泄压阀的控制策略，此时进气泄压阀由关闭状态迅速打开，维持1 s放气后又迅速关闭。

图4为理想恒速工况下发动机节气门开度突减时，进气泄压阀动作对增压压力变化过程的影响，由图4可看出，当进气泄压阀关闭时，增压压力并不即刻随节气门开度的减小而减小，而是先有一段突增再下降；当进气泄压阀有效工作时，由于进气泄压阀的放气作用，增压压力随节气门开度的减小而逐渐减小，该增压压力的变化趋势与发动机负载减小状态下的实际情况定性一致。

图3 进气泄压阀控制策略

4 动态响应特性模拟

为研究1.5TGDI汽油机分别配置两款涡轮增压器（J型涡轮增压器具有相对略低的转动惯性，P型涡轮增压器具有相对略高的压气机效率）的动态响应特性，选取发动机转速为1 200 r/min和1 600 r/min时进行模拟计算，分析发动机在理想恒速升扭工况和理想恒速降扭工况下的瞬变过程。

4.1 理想恒速升扭工况的动态响应特性

在两种发动机转速下，模拟发动机的增压压力和扭矩在节气门开度从5°急增到90°过程中的瞬态响应特性。图5为匹配J、P两款增压器时发动机理想恒速升扭工况的瞬态响应计算结果。

由图5a和图5c可看出，当节气门开度从5°突然增大时，两种发动机转速下的增压压力并未随之上升，而是出现延迟性的增压压力突减现象。分析其原因主要是由于涡轮增压器本身存在的旋转惯性及进气歧管内空气的可压缩性，导致节气门突然打开时其进气量无法快速建立，而且节气门开度变大，气体有效流通面积增大使得在加速初期增压压力减少。

当节气门打开到一定开度后，进气量逐渐增加，发动机的增压压力随节气门开度增大而逐渐增大。在节气门开度迅速增大的过程中，P型增压器比J型增压器更能使发动机的增压压力快速达到目标值，即匹配P型增压器后发动机能够迅速得到加速过程所需要的进气量。

由图5b和图5d可知，发动机扭矩的响应趋势和增压压力的响应趋势基本一致，只是在节气门开度突然增大时没有发生发动机扭矩急减现象。这是由于节气门开度突变时刻，因为流动惯性而进入发动机气缸的气体量并不会随增压压力的变化而波动。

4.2 理想恒速降扭工况的动态响应特性

在两种发动机转速下，模拟发动机的增压压力和扭矩在节气门开度从90°急减到5°过程中的瞬态响应特性。图6为匹配J、P两款增压器时发动机理想恒速降扭工况的瞬态响应计算结果。

由图6a和图6c可看出，当节气门开度从90°突然减小时，两种发动机转速下的增压压力均先延迟再逐渐减小。这也是由于涡轮增压器的旋转惯性和进气系统中的气流惯性等原因，导致节气门开度突然减小时，随节气门开度的逐渐减小，发动机进气量减少，增压压力也开始逐渐减小，而增压压力基本无变化。

图6 发动机理想恒速降扭工况瞬态响应计算结果

由图6b和图6d可看出，发动机扭矩的响应趋势与增压压力的响应趋势基本一致，只是扭矩响应更迅速。这是由于进气泄压阀的作用、节气门有效流通面积的快速减少以及增压压力的建立依赖于进气量的积累等原因，使得进气充量减少的响应速度要大于增压压力减少的响应速度。

图7a和图7b为发动机进气质量流量计算结果，相对于增压压力，实际进气量的响应特性与发动机扭矩特性更相关。因此，在发动机理想恒速降扭工况下，扭矩的瞬态响应速度要大于增压压力的瞬态响应速度。

图7 发动机进气质量流量计算结果

由图6还可看出，在理想恒速降扭工况下，匹配两款增压器后，发动机增压压力和扭矩的瞬态响应特性并未存在明显差别。主要是因为在降扭矩过程中，除节气门开度外，泄压阀也是影响增压压力和进气量的重要因素，泄压阀的介入弱化了J和P两款增压器带来的涡轮迟滞效应差别。因此，在发动机理想恒速降扭的瞬变过程中，两款涡轮增压器匹配方案的瞬态响应特性基本一致。

4.3 瞬态响应特性评价结果

对比发动机理想恒速变扭工况瞬态响应计算结果可知，在节气门开度阶跃变化的过程中，发动机在理想恒速降扭工况的响应特性比理想恒速升扭工况的响应特性迅速，特别是两者的扭矩响应特性差别最明显，其原因在于进气泄压阀的介入使得发动机的增压压力以及进气量能够迅速下降，进而使得发动机扭矩迅速下降达到稳态扭矩。

对比两款增压器匹配方案可以得出，在发动机理想恒速升扭的瞬变过程中，P型增压器的匹配方案使得发动机的动态响应更迅速；发动机理想恒速降扭的瞬变过程中，两款涡轮增压器匹配方案下发动机的瞬态响应特性基本一致。总体来看，从整车驾驶角度考虑，理想恒速升扭的动力响应性能更为重要，因此选用P型增压器的匹配方案具有实际应用意义。

5 结束语

为在发动机产品开发的早期阶段合理评估涡轮增压汽油机动态响应特性，提出直喷涡轮增压汽油机动态响应特性的理想恒速模拟方法。理想恒速模拟的恒定转速条件可排除发动机本体转动惯量对动态响应特性的作用，突出反映涡轮增压器属性对发动机动态响应特性的影响。由于该方法排除了其它外界条件的干扰，评价标准统一，可用于不同发动机的瞬态响应特性评价。将该方法运用于评估配置J、P两型涡轮增压器状态下1.5TGDI发动机动态响应特性，实现了发动机和增压器的合理匹配。