鄭廣勇，于秀敏，侯福建，谷京哲，魏 韜

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

由于整車在實(shí)際運(yùn)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(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能對(duì)于整車的使用性能也是至關(guān)重要的影響因素［1］。廣泛應(yīng)用的GT－Power軟件在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器匹配模擬中的大多數(shù)分析工作都是以發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能為目標(biāo)進(jìn)行的［2-3］，由此匹配計(jì)算選出的增壓器由于沒有考慮瞬態(tài)響應(yīng)的要求經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致整車加速響應(yīng)性差的問題，甚至出現(xiàn)推翻原來的匹配方案重新進(jìn)行增壓器匹配工作的情況。本文應(yīng)用GT－Power和Simulink兩種軟件建立了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程模擬仿真平臺(tái)，針對(duì)不同增壓器匹配方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的瞬態(tài)過程的影響進(jìn)行了模擬，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器瞬態(tài)模擬分析方法。最終對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車兩種情況下的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了通過模擬分析改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能方法的可行性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能仿真平臺(tái)的建立

在瞬變過程中，噴油的響應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于進(jìn)氣的響應(yīng)速度，對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說更是如此。所以，針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，如何通過合理匹配渦輪增壓器，提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的響應(yīng)速度是改善發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)，在加速初期，增壓壓力的建立過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于噴油量增加過程，導(dǎo)致空燃比會(huì)有一個(gè)突然下降，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性［6-8］。建立的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型應(yīng)具備反映這種空氣滯后效應(yīng)的能力，要求所有與氣體流動(dòng)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(dòng)部件要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而模擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)加速過程的影響。

應(yīng)用GT－Power和Simulink兩種軟件建立的聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行瞬態(tài)過程的模擬，用GT－Power軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)的響應(yīng)性模擬，用Simulink建立發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的控制部分，用以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)油量加載過程及發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)和整車部分的轉(zhuǎn)矩平衡響應(yīng)。兩個(gè)軟件耦合計(jì)算可以同時(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略及發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)過程［9］，仿真平臺(tái)如圖1所示，包含發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和管路、增壓器部分，用以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和空氣的響應(yīng)情況；發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的測(cè)功機(jī)負(fù)載和控制模塊，用來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的瞬態(tài)過程；整車負(fù)載及控制模塊用以模擬整車的瞬態(tài)響應(yīng)情況。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能仿真平臺(tái)Fig.1 Engine transient performance simulation platform

瞬態(tài)模型的建立分為兩個(gè)步驟，首先進(jìn)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(yàn)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(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)性能。然后應(yīng)用穩(wěn)態(tài)模型校正的結(jié)果，將與發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷變化的map，并將模型與Simulink模塊耦合，升級(jí)成最終的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)仿真平臺(tái)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能模擬分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程對(duì)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(duì)應(yīng)整車的瞬態(tài)過程，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)應(yīng)于整車加速過程，發(fā)動(dòng)機(jī)工作接近于定轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的過程［8］，所以選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩這一特定的瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬和評(píng)價(jià)。由于整車加速能力主要體現(xiàn)在低速轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)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(jìn)行增壓器方案的選擇。模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1200r／min，轉(zhuǎn)矩突然增大的瞬態(tài)過程進(jìn)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(duì)增壓器的匹配方案進(jìn)行選擇。

應(yīng)用瞬態(tài)性能仿真平臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用不同增壓器匹配方案情況下的加速過程進(jìn)行優(yōu)化，本文省略掉繁雜的中間優(yōu)化分析過程，只對(duì)最終的優(yōu)化改進(jìn)方案增壓器和原增壓器進(jìn)行對(duì)比分析。兩個(gè)增壓器的參數(shù)如表1所示，渦輪流通能力對(duì)比如圖4所示，從流量對(duì)比來看，改進(jìn)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(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速廢氣能量，并且小渦輪具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能改進(jìn)。

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

圖4 改進(jìn)前后渦輪特性對(duì)比Fig.4 Performance comparison between original and improved turbines

在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)模擬過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷的每循環(huán)127mg，考察在這一過程中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)情況，計(jì)算結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 增壓壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程計(jì)算結(jié)果Fig.5 Engine transient process simulation result of boost pressure

從計(jì)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(yīng)能力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)空氣響應(yīng)速度能夠較快地跟隨噴油速度，所以空燃比能在更短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到15以上，縮短了由于空氣缺少而引起的不正常燃燒時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也比原增壓器響應(yīng)得更快，應(yīng)用改進(jìn)的增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩比原增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到900N·m的時(shí)間縮短將近1s，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間改善了25.1%。

圖6 空燃比的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程計(jì)算結(jié)果Fig.6 Engine transient process simulation result of air fuel ratio

圖7 轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程計(jì)算結(jié)果Fig.7 Engine transient process simulation result of engine torque

2.2 整車瞬態(tài)過程對(duì)比

應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)仿真平臺(tái)對(duì)整車連續(xù)換檔加速過程進(jìn)行模擬分析，考察增壓器改進(jìn)前后對(duì)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(jìn)的增壓器實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，能夠更快達(dá)到換檔轉(zhuǎn)矩，車速達(dá)到60km／h所用的時(shí)間縮短了5.4s，改進(jìn)后的增壓器加速時(shí)間縮短了8.65%，較大程度地改善了整車的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的整車換擋加速過程計(jì)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(jì)算結(jié)果Fig.9 Vehicle accelerating process simulation result of vehicle speed

3 發(fā)動(dòng)機(jī)及整車試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程對(duì)比試驗(yàn)，在1200r／min、50N·m工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，在1s內(nèi)迅速加大油門到發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷，考察此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)情況。由圖10的增壓壓力響應(yīng)結(jié)果中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)壓力在油門上升0.6s后才開始響應(yīng)，油門穩(wěn)定在最大開度5s后才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。改進(jìn)后的增壓器比原增壓器響應(yīng)速度更快，達(dá)到80kPa的增壓壓力時(shí)間比原增壓器縮短了大約1s。

圖10 增壓壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Engine transient process test result of boost pressure

圖11 轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Engine transient process test result of engine torque

從圖11的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)上來看，隨著油門開度的突然變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)滯后時(shí)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(jìn)氣響應(yīng)嚴(yán)重滯后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在噴油的瞬變之后受制于進(jìn)氣響應(yīng)緩慢，燃燒惡化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩有個(gè)向下的拐點(diǎn)，然后隨著增壓壓力的逐步建立才緩慢上升。改進(jìn)后增壓器轉(zhuǎn)矩建立過程比原增壓器快，改進(jìn)增壓器轉(zhuǎn)矩達(dá)到900N·m僅用2.88s，比原方案時(shí)間縮短了29.4%。無論增壓壓力還是轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)過程，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上都吻合較好，說明應(yīng)用模擬計(jì)算的方法預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)過程的準(zhǔn)確性。

3.2 整車瞬態(tài)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的整車連續(xù)換檔加速試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Vehicle accelerating process test result of engine speed

在整車上進(jìn)行了連續(xù)換檔加速試驗(yàn)來驗(yàn)證改進(jìn)方案的瞬態(tài)響應(yīng)情況，結(jié)果見圖12和圖13。從對(duì)比結(jié)果中可以看出，應(yīng)用改進(jìn)后的增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以更快提升，車速達(dá)到60km／h所用的時(shí)間也比原增壓器快6.1s，加速時(shí)間縮短7.8%，能夠大大提升整車的加速響應(yīng)能力，節(jié)省加速油耗量，提高整車經(jīng)濟(jì)性。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

從試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比來看，二者在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)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(jìn)效果的絕對(duì)值相差較大，相對(duì)值相差較小（見表2）。由于在模擬計(jì)算過程中未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和測(cè)功機(jī)自身控制因素影響，導(dǎo)致模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)算15%的誤差范圍。整體來看，模擬與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬計(jì)算的方法是可行的。

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

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

4 結(jié) 論

（1）應(yīng)用GT－Power和Simulink軟件建立了聯(lián)合仿真平臺(tái)，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的瞬態(tài)過程模擬，通過對(duì)增壓器方案的對(duì)比，確定了能夠改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車瞬態(tài)響應(yīng)性能的方案。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了瞬態(tài)性能的對(duì)比驗(yàn)證，應(yīng)用模擬計(jì)算確定的增壓器方案轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間比原方案縮短31%，能夠很好地改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的性能和發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能。

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

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)與整車瞬態(tài)改進(jìn)的相對(duì)結(jié)果與試驗(yàn)值非常吻合，能夠反映不同方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車瞬態(tài)響應(yīng)的影響，應(yīng)用模擬計(jì)算的方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)方案的預(yù)測(cè)是可行的。

（5）應(yīng)用模擬分析方法，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)的初期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的瞬態(tài)性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，避免了因只做穩(wěn)態(tài)分析評(píng)價(jià)導(dǎo)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(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的優(yōu)化。應(yīng)用模擬分析方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的瞬態(tài)性能評(píng)價(jià)，能夠縮短開發(fā)周期和試驗(yàn)量，節(jié)約開發(fā)成本。

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