付建勤 劉敬平 陳玉龍 鄧幫林 徐偉

摘 要：為改善廢氣渦輪增壓汽油機(jī)加速工況時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，提出了蒸汽輔助渦輪增壓的方法.基于一款廢氣渦輪增壓汽油機(jī)，采用GTPower軟件分別建立并標(biāo)定了蒸汽輔助渦輪增壓與廢氣渦輪增壓的仿真模型.針對該汽油機(jī)的常用轉(zhuǎn)速2000 r/min，研究了各種蒸汽參數(shù)對增壓系統(tǒng)及汽油機(jī)性能的影響.結(jié)果表明，在2000 r/min時(shí)的加速工況，蒸汽輔助渦輪能使汽油機(jī)加速遲滯時(shí)間縮短48.0%，加速扭矩提升9.7%.因此，蒸汽輔助渦輪能有效改善增壓汽油機(jī)的加速性和動(dòng)力性.

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；渦輪增壓；余熱回收；瞬態(tài)響應(yīng)；渦輪遲滯

中圖分類號(hào)：TK402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

廢氣渦輪增壓是提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的一種重要方式.它利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量驅(qū)動(dòng)增壓器壓縮進(jìn)氣，通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度增加每循環(huán)的氣缸進(jìn)氣量，從而實(shí)現(xiàn)減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量、強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)功率、改善燃油經(jīng)濟(jì)性等多重目的＼[1-2＼].鑒于廢氣渦輪增壓的多重優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代柴油機(jī)基本上都配備了該技術(shù)，并且開始逐漸向汽油機(jī)推廣應(yīng)用，成為了汽油機(jī)節(jié)能的主要技術(shù)之一＼[3＼].雖然傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓技術(shù)得到了不斷進(jìn)步和完善，但在汽油機(jī)上應(yīng)用還有一些技術(shù)瓶頸.由于汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍寬廣、并且通過節(jié)氣門對進(jìn)氣實(shí)現(xiàn)量調(diào)節(jié)，導(dǎo)致渦輪增壓器的工作點(diǎn)在很大流量范圍內(nèi)移動(dòng)，于是增壓器的響應(yīng)特性成為了評(píng)價(jià)其性能的一個(gè)重要指標(biāo).另一方面，人們對汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了愈來愈高的要求.汽車加速性和駕駛舒適性是評(píng)價(jià)其動(dòng)力性的重要指標(biāo).對于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車的加速性最終反映在發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性上.

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從一個(gè)工況變化到另一個(gè)工況時(shí)，增壓器工作狀態(tài)要經(jīng)歷一段時(shí)間才能重新與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配好，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這個(gè)過程經(jīng)歷的時(shí)間就是增壓器的“遲滯效應(yīng)（Turbolag）”＼[4-5＼].這是由發(fā)動(dòng)機(jī)空氣回路系統(tǒng)的彈性緩沖作用以及增壓器本身的性能（克服轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加、減速）引起的.在增壓器確定的情況下，前者成為了限制增壓發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性的主要因素，而這種“滯后性”在汽油機(jī)上表現(xiàn)得更加明顯.增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性是發(fā)動(dòng)機(jī)（尤其是汽油機(jī)）增壓技術(shù)急需解決的一個(gè)難題.國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究，提出了諸如優(yōu)化增壓控制策略＼[5＼]、采用可變噴嘴渦輪＼[6＼]、二級(jí)增壓＼[7＼]等方法改善其瞬態(tài)響應(yīng)特性.陸犇等提出了一種注汽渦輪增壓柴油機(jī)系統(tǒng)用于改善增壓器動(dòng)力性，并研究了汽氣比對進(jìn)氣增壓比的影響＼[8＼].本文從內(nèi)燃機(jī)余熱回收的角度，提出了采用廢氣余熱能改善渦輪增壓器加速扭矩特性，從而達(dá)到改善增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能的目的.

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2015年

第4期付建勤等：蒸汽輔助渦輪對增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性影響的模擬

1 渦輪增壓的響應(yīng)特性

1.1 廢氣渦輪響應(yīng)特性分析

目前車用汽油機(jī)廣泛采用的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)由渦輪機(jī)與壓氣機(jī)所構(gòu)成，圖1為其原理圖.汽油機(jī)的高溫高壓（相對于環(huán)境壓力）排氣通往渦輪，在渦輪中膨脹做功并驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)壓縮進(jìn)氣.

汽油機(jī)采用的是量調(diào)節(jié)，節(jié)氣門的變化引起進(jìn)氣充量的變化，進(jìn)氣充量進(jìn)入氣缸經(jīng)歷壓縮、膨脹、排氣等過程后，然后以廢氣形式進(jìn)入渦輪；廢氣參數(shù)的變化使渦輪的工作性能發(fā)生變化，進(jìn)而引起壓氣機(jī)工作性能的變化，如此經(jīng)歷多個(gè)工作循環(huán)后，渦輪、壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)重新達(dá)到平衡，最終使進(jìn)氣壓力趨于目標(biāo)增壓壓力，汽油機(jī)扭矩達(dá)到目標(biāo)值.在節(jié)氣門打開的瞬間，進(jìn)氣壓力最多只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力.節(jié)氣門全開后，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提升速率取決于進(jìn)氣壓力的提升速率，而后者不但受增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、進(jìn)排氣系統(tǒng)容積等發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的限制，還在很大程度上取決于渦輪功率.也就是說，節(jié)氣門的變化與渦輪輸出功率的變化不能同步，需要一定的傳遞及反饋時(shí)間，于是導(dǎo)致傳統(tǒng)汽油機(jī)廢氣渦輪增壓會(huì)產(chǎn)生遲滯.

（1）渦輪 （2）壓氣機(jī) （3）中冷器 （4）節(jié)氣閥 （5）發(fā)動(dòng)機(jī)

圖1 廢氣渦輪增壓原理圖

Fig.1 Schematic diagram of exhaust turbocharging

1.2 蒸汽輔助渦輪增壓原理

為改善汽油機(jī)廢氣渦輪增壓的加速響應(yīng)特性，提出了蒸汽輔助渦輪增壓的概念，其原理如圖2所示.在傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓汽油機(jī)的排氣系統(tǒng)上，耦合一套汽油機(jī)廢氣余熱驅(qū)動(dòng)的蒸汽發(fā)生系統(tǒng).在該蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中，工質(zhì)水先經(jīng)水泵加壓并獲得一定的工作壓力，然后在換熱器中加熱成蒸汽，蒸汽經(jīng)單向閥進(jìn)入儲(chǔ)氣箱；一定量的高壓蒸汽經(jīng)蒸汽閥噴入渦輪入口，通過增加渦輪入口的工質(zhì)流量來改善渦輪的輸出功率.由上可見，蒸汽輔助渦輪增壓是通過補(bǔ)償渦輪的工質(zhì)流量來調(diào)節(jié)其渦輪輸出功率.由于其能量來源于廢氣余熱，而不需要其他額外輔助動(dòng)力，相比機(jī)械輔助渦輪增壓或電動(dòng)輔助渦輪增壓，具有明顯的節(jié)能效果.

（1）水箱 （2）泵 （3）換熱器 （4）止回閥 （5）儲(chǔ)氣箱 （6）蒸汽閥

（7）渦輪 （8）壓氣機(jī) （9）中冷器 （10）節(jié)氣閥 （11）發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2 蒸汽輔助渦輪增壓原理圖

Fig.2 Schematic diagram of steam turbocharging

在汽車（汽油機(jī)）加速工況時(shí)，節(jié)氣門和蒸汽閥同時(shí)打開，這樣就可以立即補(bǔ)充渦輪的工質(zhì)、提升渦輪工作壓力，增加渦輪輸出功率，進(jìn)而改善增壓系統(tǒng)性能以及汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性.

圖3為工質(zhì)水（水蒸氣）的Ts圖（圖中粗實(shí)線為工質(zhì)的相變線，細(xì)線描述工質(zhì)熱力過程的變化），它描述了蒸汽輔助渦輪增壓的工質(zhì)熱力過程.其中，1點(diǎn)為工質(zhì)水從水箱流出的初始狀態(tài)（初始?jí)毫? bar）；1-2過程為工質(zhì)水在液壓泵中的加壓過程，2點(diǎn)為工質(zhì)水加壓之后的狀態(tài)，經(jīng)液壓泵加壓后，工質(zhì)獲得一定的噴射壓力；2-3-3為工質(zhì)水在換熱器中的加熱過程；其中，2-3為工質(zhì)水的蒸發(fā)過程，3-3為飽和水蒸氣的過熱過程；3點(diǎn)為水蒸氣過熱后的狀態(tài)；經(jīng)過1-2-3-3過程，工質(zhì)水由常壓下的液態(tài)變?yōu)檩^高壓力下的過熱蒸汽狀態(tài)；3-4為水蒸汽噴射后的膨脹過程.

2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬計(jì)算

2.1 仿真模型建立及試驗(yàn)校準(zhǔn)

本文研究對象為一款四沖程、排量為1.8 L的轎車用增壓汽油機(jī).該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示.按照該發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和管道布置形式，并參考性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立其GTPower仿真模型，如圖4所示.建模時(shí)對一些復(fù)雜管道進(jìn)行了相應(yīng)的簡化處理，模型進(jìn)出口邊界條件設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境大氣狀態(tài)，機(jī)械摩擦損失、燃燒效率、空燃比、進(jìn)排氣閥流量系數(shù)等均由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定.

渦輪增壓

為了驗(yàn)證該模型的計(jì)算精度，采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行標(biāo)定.圖5為仿真模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比.其中，圖5（a）為外特性下平均有效壓力的對比，圖5（b）為2 000 r/min時(shí)缸壓的對比.由圖可見，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實(shí)測結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果非常接近，表明該模型具有較高的精度，可以對該發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行精確預(yù)測.

2.2 蒸汽輔助渦輪增壓計(jì)算

表2給出了蒸汽輔助渦輪增壓的計(jì)算邊界條件.針對原廢氣渦輪增壓汽油機(jī)的常用加速工況進(jìn)行研究.工況點(diǎn)選擇低轉(zhuǎn)速的2 000 r/min，即汽油機(jī)初始轉(zhuǎn)速固定在2 000 r/min；瞬態(tài)過程：T=0～2 s，保持怠速；T≥2 s，節(jié)氣門全開，增壓系統(tǒng)全負(fù)荷運(yùn)行，如圖6所示.蒸汽噴射壓力和溫度分別設(shè)置為5 bar和600 ℃.根據(jù)原廢氣渦輪增壓汽油機(jī)的排氣參數(shù)，通過能量平衡計(jì)算出有效蒸汽產(chǎn)生速率（即有效蒸汽流量范圍），在此基礎(chǔ)上初設(shè)蒸汽噴射速率為5 g/s.在原廢氣渦輪增壓汽油機(jī)的GTPower模型上，添加了相應(yīng)的蒸汽噴射模塊和瞬態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，將蒸汽輔助渦輪與廢氣渦輪增壓耦合起來，建立了蒸汽輔助渦輪增壓的仿真計(jì)算模型，并對目標(biāo)工況點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算.然后，根據(jù)蒸汽輔助渦輪增壓汽油機(jī)的排氣參數(shù)計(jì)算結(jié)果，通過能量平衡方程對之前初設(shè)的蒸汽參數(shù)進(jìn)行校核，保證其在有效范圍之內(nèi).

3 結(jié)果及分析

3.1 蒸汽輔助渦輪對汽油機(jī)瞬態(tài)性能的影響

圖7為原增壓汽油機(jī)和蒸汽輔助渦輪增壓汽油機(jī)的扭矩瞬態(tài)響應(yīng)特性對比.圖中標(biāo)識(shí)了原增壓汽油機(jī)在設(shè)定工況下（2 000 r/min、急加速）的目標(biāo)扭矩.從圖中可以看到，原增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性大約為0.98 s；采用蒸汽輔助渦輪增壓后，該汽油機(jī)的響應(yīng)特性大大提高，達(dá)到目標(biāo)扭矩只需0.51 s，渦輪遲滯時(shí)間減少48.0%，并且汽油機(jī)的最高加速扭矩由原先的200.3 N·m提高到219.7 N·m，相對提升了9.7%，更有利于汽車的加速工況.因此，蒸汽輔助渦輪能明顯改善增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性、解決廢氣渦輪增壓器遲滯效應(yīng)的難題.

時(shí)間/s

在廢氣渦輪增壓系統(tǒng)中，渦輪是動(dòng)力源.由于渦輪和壓氣機(jī)同軸剛性連接，二者幾乎不存在傳遞時(shí)間差，所以渦輪的響應(yīng)特性決定了整個(gè)增壓系統(tǒng)的響應(yīng)特性.在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和加速工況時(shí)，如果能在瞬間使渦輪的輸出功率達(dá)到目標(biāo)值，那么相應(yīng)地就會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)使進(jìn)氣增壓壓力達(dá)到目標(biāo)值.由渦輪輸出功率的計(jì)算式可以知道，決定其輸出功率的因素很多，有排氣（工質(zhì)）流量、壓力、比熱、溫度、渦輪效率等.通過噴射蒸汽直接使渦輪的工質(zhì)流量得到補(bǔ)償，間接還會(huì)增加渦輪的工作壓力（渦前壓力），甚至改善渦輪的效率，從而提高渦輪的輸出功率.圖8所示為增壓汽油機(jī)排氣壓力的瞬態(tài)響應(yīng)特性對比.由圖可知，向渦輪入口噴射蒸汽后，排氣壓力迅速上升，從而在瞬間為渦輪建立了較大的工作壓力，有助于提升渦輪的輸出功率.圖9所示為渦輪的工質(zhì)流量隨時(shí)間的變化關(guān)系.可以看到，隨著蒸汽的噴射，渦輪工質(zhì)流量急劇增加，但是后來隨著增壓壓力立刻達(dá)到目標(biāo)值，渦輪旁通閥開始打開，排氣流量的增幅下降.

圖10給出了渦輪效率隨時(shí)間的變化關(guān)系.與廢氣渦輪增壓相比，蒸汽輔助渦輪的效率更高.渦輪最大效率由廢氣渦輪增壓的58.1%上升到蒸汽輔助渦輪的61.7%.這是因?yàn)樵诠?jié)氣門和蒸汽噴射閥打開后，渦輪工質(zhì)流量急劇增加，使渦輪的實(shí)際工作點(diǎn)在效率MAP圖上發(fā)生躍遷，向高效率區(qū)移動(dòng).也就是說，可以通過噴射蒸汽改變渦輪的工質(zhì)流量進(jìn)而改善其工作效率.圖11是廢氣渦輪增壓和蒸汽輔助渦輪增壓的渦輪輸出功率對比.噴射蒸汽后，由于渦輪的工質(zhì)流量、工作壓力（渦前壓力）和工作效率都得到一定提升，渦輪輸出功率急劇增加，最終使汽油機(jī)的渦輪瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間急劇減小.

3.2 蒸汽參數(shù)的影響

接下來，進(jìn)一步分析蒸汽參數(shù)對增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性的影響.首先固定蒸汽流量（5 g/s），改變蒸汽溫度（考慮了400 ℃，500 ℃和600 ℃三組蒸汽溫度）.不同蒸汽溫度下增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性如圖12所示.可以看到，隨著蒸汽溫度的增加，雖然增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間會(huì)減小，但是變化很小.也就是說，改變蒸汽溫度對增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)影響不大.這是因?yàn)檎羝麥囟鹊淖兓瘜u輪工質(zhì)（汽油機(jī)排氣和蒸汽的混合氣）總體溫度的影響甚微.相反，改變蒸汽噴射流量后，增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性變化較為明顯，如圖13所示.這是因?yàn)檎羝髁康淖兓瘜u輪工質(zhì)的流量影響較大，因此對渦輪輸出功率影響也較大.由此可見，在汽油機(jī)排氣能量一定的前提下，采用大流量的蒸汽比采用高溫度的蒸汽更有優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

提出了一種新的汽油機(jī)排氣能量利用方式——蒸汽輔助渦輪增壓.它利用汽油機(jī)排氣能量產(chǎn)生蒸汽，用以補(bǔ)償渦輪在加速工況時(shí)的工質(zhì)；通過噴射蒸汽使渦輪的工質(zhì)流量、工作壓力、效率等參數(shù)瞬間增大，從而使渦輪輸出功率瞬間得到明顯提升，進(jìn)而改善增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性.

在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的加速工況，增壓器的遲滯時(shí)間由廢氣渦輪增壓的0.98 s減少到蒸汽輔助渦輪增壓的0.51 s，并且蒸汽輔助渦輪增壓汽油機(jī)的最大加速扭矩提升了9.7%，有效改善了增壓汽油機(jī)的加速特性.

在汽油機(jī)排氣能量一定的前提下，采用大流量的蒸汽比采用高溫度的蒸汽對改善增壓汽油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性的效果更加明顯.

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