關(guān)于Mercedes-Benz1.8L渦輪增壓汽油機(jī)性能分析

在渦輪增壓汽油機(jī)的開發(fā)中，瞬態(tài)性能的優(yōu)化具有重要意義，但是當(dāng)前在過程模擬范圍內(nèi)瞬態(tài)過程模擬并不精確，因此在早期開發(fā)階段難以對開發(fā)方案進(jìn)行評估。奧地利亞琛工業(yè)大學(xué)和德國斯圖加特大學(xué)在內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會的廢氣渦輪增壓器研究項(xiàng)目中，制定了1種模擬計(jì)算方法，它能更精確地預(yù)報(bào)增壓汽油機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的性能。

渦輪機(jī)械與內(nèi)燃機(jī)之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系，而當(dāng)今的技術(shù)水平很難精確地預(yù)報(bào)渦輪增壓汽油機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行性能。而廢氣渦輪增壓器（ATL）的模型化為改善預(yù)報(bào)精度提供了開發(fā)潛力。內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會的廢氣渦輪增壓器研究項(xiàng)目的目標(biāo)是研究影響發(fā)動機(jī)瞬態(tài)性能的各種因素，并開發(fā)1種建模方法，使得在模擬計(jì)算中能夠描述這些因素的影響。????

將1臺Mercedes-Benz 1.8L 4缸渦輪增壓直噴式汽油機(jī)作為試驗(yàn)研究的載體，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)列于表1。在德國內(nèi)燃機(jī)和汽車研究所（IVK）的研究項(xiàng)目中，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上曾對這種發(fā)動機(jī)進(jìn)行過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行條件下的測量。與此同時(shí)，在內(nèi)燃機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺上還對這種發(fā)動機(jī)的廢氣渦輪增壓器進(jìn)行了測量。其中，除了穩(wěn)態(tài)特性曲線場測量方法之外，還進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)的試驗(yàn)研究，而燃燒室試驗(yàn)臺測量則作為渦輪增壓器擴(kuò)展模型開發(fā)和確認(rèn)其正確性的基礎(chǔ)。這種模型最終被集成到發(fā)動機(jī)整機(jī)模型中，被用來模擬研究發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上的負(fù)荷突變試驗(yàn)。該研究的目的是通過采用可供使用的模擬方法預(yù)報(bào)在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上所受影響，以及模型化深度的必要性。在過程模擬中,廢氣渦輪增壓器的運(yùn)行特性借助特性曲線場來描述,而這種特性曲線場是在燃燒室試驗(yàn)臺上穩(wěn)態(tài)邊界條件下查明的，但是廢氣渦輪增壓器的熱力學(xué)性能至今在過程模擬中仍沒有加以考慮。為此，該研究項(xiàng)目中制定了1種傳熱模型，它擴(kuò)展了經(jīng)典的以特性曲線場為基礎(chǔ)的廢氣渦輪增壓器模型。過程模擬中所應(yīng)用的特性曲線場的準(zhǔn)備將在下文予以詳細(xì)的介紹。

表1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

為了分析改變廢氣渦輪增壓器的設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)瞬態(tài)性能的影響，除了基本的試驗(yàn)研究載體之外，還研究了第2種硬件方案，即有針對性地改變廢氣渦輪增壓器的零件。出于多方面原因考慮，將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的改變作為目標(biāo)導(dǎo)向。這樣在選擇較小的壓氣機(jī)葉輪直徑時(shí)，可將燃燒室試驗(yàn)臺上測量的渦輪特性曲線場的運(yùn)行范圍擴(kuò)展到較小的壓比。此外，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)，能夠突出較小的壓氣機(jī)對自身及其與渦輪葉輪直徑之間匹配的變化，而使渦輪運(yùn)行范圍移動產(chǎn)生相互影響。

2 廢氣渦輪增壓器在燃燒室試驗(yàn)臺上的測量

首先應(yīng)以2種硬件方案的運(yùn)行特性曲線場型式介紹燃燒室試驗(yàn)臺上的測量結(jié)果。這兩種方案都是在燃燒室試驗(yàn)臺相同的穩(wěn)態(tài)邊界條件下，在渦輪進(jìn)口溫度為600℃時(shí)進(jìn)行測量的，而偏離標(biāo)準(zhǔn)條件的測量是采用冷卻水調(diào)節(jié)軸承殼溫度進(jìn)行的，這種措施有針對性地應(yīng)用能將熱渦輪側(cè)至冷壓氣機(jī)側(cè)的傳熱減少到最小程度。

圖1示出了葉輪直徑為51 mm的基本型壓氣機(jī)以及具有較小葉輪直徑（46 mm）的壓氣機(jī)方案B的壓氣機(jī)特性曲線場。從圖中可以清楚地看到，在最高轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子較小的壓氣機(jī)具有較小的流量和壓比。其中值得注意的是，在相同的物理轉(zhuǎn)速下，2種壓氣機(jī)因葉輪直徑不同而在不同的圓周速度下工作，而圓周速度則是對空氣動力學(xué)具有重要意義的參數(shù)。對2種壓氣機(jī)的泵氣極限進(jìn)行比較，基本型壓氣機(jī)略占優(yōu)勢，而2種壓氣機(jī)方案的效率曲線的差異可忽略不計(jì)，因此在圖中沒有表示出來。

圖1 壓氣機(jī)方案A和B的流量特性曲線場

圖2示出了2種壓氣機(jī)方案的渦輪特性曲線場，其中值得注意的是2種方案的渦輪是相同的，但是由于2種方案消耗的功率不同，因而所測得的渦輪特性曲線場范圍也就不同，但是在相同的低轉(zhuǎn)速情況下，2種特性曲線場的測量卻得到了一致的流量特性曲線場。特別是在高轉(zhuǎn)速情況下，因壓氣機(jī)消耗的功率不同，可以明顯地看到渦輪的運(yùn)行范圍移動，以至于此時(shí)2種方案的壓比不會再次發(fā)生重疊。

圖2 不同壓氣機(jī)方案的渦輪流量特性曲線場

除了上述介紹的測量內(nèi)容之外，基本型廢氣渦輪增壓器還進(jìn)行了在封閉壓氣機(jī)回路中運(yùn)行（壓氣機(jī)閉環(huán)運(yùn)行）的測量，以及無壓氣機(jī)的渦輪流動燃燒測量，以便將所覆蓋的壓縮比范圍擴(kuò)大1倍。其測量結(jié)果將一并在整個(gè)渦輪特性曲線場中表示。除了穩(wěn)態(tài)測量之外，還在燃燒室試驗(yàn)臺上進(jìn)行了內(nèi)容廣泛的瞬態(tài)試驗(yàn)，其目的是使廢氣渦輪增壓器非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，當(dāng)然此時(shí)沒有在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生脈沖效應(yīng)。這些試驗(yàn)?zāi)軌颢@得關(guān)于加熱和冷卻過程中廢氣渦輪增壓器熱慣性的結(jié)論，其測量數(shù)據(jù)被用于確認(rèn)廢氣渦輪增壓器的傳熱模型。

3 廢氣渦輪增壓器模型的建立

采用不同測量方法獲得的所有結(jié)果被用來確定渦輪特性曲線場，它覆蓋了所有對發(fā)動機(jī)具有重要意義的運(yùn)行條件下的渦輪運(yùn)行范圍。但即使借助于這些擴(kuò)大的特性曲線場范圍，也無法采集到全部的運(yùn)行范圍，因此根據(jù)當(dāng)今的技術(shù)水平，仍然要應(yīng)用外推法。為了進(jìn)行外推應(yīng)用了1種與通常純粹的數(shù)學(xué)描述不同的方法，該方法考慮到了一些物理效應(yīng)。圖3示出了根據(jù)壓比外推的流量和效率特性曲線場，并且在過程模擬中所應(yīng)用的特性曲線場被擴(kuò)大到低于測量范圍的轉(zhuǎn)速。

圖3 采用不同測量方法獲得的數(shù)據(jù)繪制外推渦輪特性曲線場

在過程模擬中建立廢氣渦輪增壓器模型的很重要的方面之一是應(yīng)將空氣動力學(xué)、摩擦和傳熱效應(yīng)區(qū)分開來。在試驗(yàn)臺上測得的渦輪綜合效率中，因受原理所限，這3種影響因素總是重合在一起。這會導(dǎo)致在過程模擬中出現(xiàn)問題,因?yàn)樵诎l(fā)動機(jī)運(yùn)行中廢氣渦輪增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)條件與在燃燒室試驗(yàn)臺上測量時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件有偏差。就原理而言，馬赫數(shù)相似的方案覆蓋了渦輪進(jìn)口條件變化的狀況，但是這僅僅適用于空氣動力學(xué)，并不適用于摩擦損失和傳熱。因此，為了描述廢氣渦輪增壓器的性能，首先采取基于空氣動力學(xué)以等熵效率型式的功率平衡。為了能確定功率平衡，必須計(jì)算出軸承摩擦的寄生效應(yīng)和傳熱。為此，要?jiǎng)佑脤Ｓ幂S承型式的摩擦功率特性，它是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，但是不考慮軸向力的影響。

為了確定壓氣機(jī)的傳熱，開發(fā)了1種方法可根據(jù)壓氣機(jī)的質(zhì)量流量和壓氣機(jī)的出口溫度計(jì)算出與運(yùn)行工況點(diǎn)有關(guān)的傳熱量。在應(yīng)用等熵效率描述廢氣渦輪增壓器性能的情況下，在過程模擬中必須將傳熱和摩擦損失分開描述。為此，采用機(jī)械方法測取廢氣渦輪增壓器軸上的摩擦功率，而廢氣渦輪增壓器的傳熱則借助于1個(gè)熱網(wǎng)格模型來計(jì)算，這種模型是描述廢氣渦輪增壓器中基本傳熱的零維方程式，其中將廢氣渦輪增壓器中的單個(gè)零件作為均勻的等熵點(diǎn)質(zhì)量來描述，它們以其熱容量呈現(xiàn)出熱慣性，從而能夠在模擬中描述系統(tǒng)的動力學(xué)性能，系統(tǒng)是以在加熱和冷卻過程中的蓄熱效應(yīng)來表征其特性的。圖4示出了廢氣渦輪增壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)的能量平衡計(jì)算結(jié)果。

圖4 廢氣渦輪增壓器中能量流的流量圖

4 在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上的試驗(yàn)研究

發(fā)動機(jī)被安裝在帶有異步電機(jī)的高動態(tài)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上,試驗(yàn)臺自動系統(tǒng)以100 Hz頻率記錄慣性測量信號，而1套指示系統(tǒng)可作為快速測量技術(shù),除了指示所有的氣缸壓力和4個(gè)氣缸進(jìn)排氣側(cè)低壓之外，還裝備了壓氣機(jī)和渦輪進(jìn)排氣側(cè)低壓指示裝置，因此不僅能顯示氣缸的掃氣能力，而且也能指示出壓氣機(jī)和渦輪的動態(tài)壓比。

選擇1 250 r/min、1 500 r/min和2 000 r/min轉(zhuǎn)速測量負(fù)荷突變的情況。起始點(diǎn)的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角被調(diào)整到0.3 MPa平均指示壓力的位置，然后在負(fù)荷突變時(shí)，在0.1 s內(nèi)將節(jié)氣門位置轉(zhuǎn)換到100%額定位置，使扭矩的建立僅受到系統(tǒng)慣性（執(zhí)行器、空氣管路和廢氣渦輪增壓器）的影響。圖5示出了負(fù)荷突變時(shí)帶有空氣掃氣的基本型壓氣機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)。從圖中可知，這3種轉(zhuǎn)速覆蓋了廢氣渦輪增壓器運(yùn)行區(qū)域中寬廣的范圍，而且還標(biāo)出了廢氣渦輪增壓器標(biāo)準(zhǔn)測量的轉(zhuǎn)速下限，以便于為模擬發(fā)動機(jī)運(yùn)行說明特性曲線場擴(kuò)展到較低轉(zhuǎn)速。除此之外，試驗(yàn)臺試驗(yàn)也采用機(jī)械式廢氣閥進(jìn)行，以便能夠控制試驗(yàn)時(shí)通過廢氣閥的泄漏量，使得通過渦輪的質(zhì)量流量更為精確。

圖5 負(fù)荷突變時(shí)的壓氣機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)

2種壓氣機(jī)方案應(yīng)以完全重合的方式（帶有掃氣）進(jìn)行,如在1 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的比較（圖6），2種壓氣機(jī)方案的起始點(diǎn)邊界條件是相同的，因此能近似地從起始點(diǎn)供應(yīng)相同的熱焓。在負(fù)荷突變時(shí)，壓氣機(jī)方案B因慣性力矩小11%而呈現(xiàn)出所期望的較快的轉(zhuǎn)速建立，然而增壓器較快的轉(zhuǎn)速建立，并沒有使內(nèi)燃機(jī)表現(xiàn)出良好的扭矩提升。在仔細(xì)考察廢氣渦輪增壓器時(shí)就能看到，2種壓氣機(jī)方案的渦輪壓比在負(fù)荷突變后的最初2.5 s內(nèi)是相同的，盡管壓氣機(jī)方案B在這2.5 s中達(dá)到了較高的增壓器轉(zhuǎn)速，但是并沒有達(dá)到與基本型壓氣機(jī)方案相同的增壓壓力。因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)子較快的加速并不能補(bǔ)償壓氣機(jī)方案B需提高的轉(zhuǎn)速要求，而且方案B還呈現(xiàn)出提高的節(jié)流影響，從而導(dǎo)致從達(dá)到吸氣全負(fù)荷起空氣質(zhì)量流量減小約3%～4%，這就意味著在相同的渦輪壓比下供應(yīng)的熱焓較少，因而扭矩就較小。在負(fù)荷突變繼續(xù)進(jìn)展的過程中，因在渦輪運(yùn)行范圍內(nèi)較高的轉(zhuǎn)速水平，使渦輪進(jìn)入較高的轉(zhuǎn)速，并趨于更為有利的效率，并被模擬分析結(jié)果所證實(shí)，因而壓氣機(jī)方案B約從2.5 s起就達(dá)到了較高的增壓壓力和空氣質(zhì)量流量，由此就解釋了負(fù)荷突變時(shí)的優(yōu)勢。

圖6 壓氣機(jī)方案比較

5 整機(jī)模擬

在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)基礎(chǔ)上，憑借穩(wěn)態(tài)測量數(shù)據(jù)調(diào)整了裝備基本型壓氣機(jī)的試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的一維流動模型（GT-Power）。隨后對采用不同大小的壓氣機(jī)葉輪的負(fù)荷突變進(jìn)行了模擬，對渦輪增壓器7種不同模型化進(jìn)行了深度分析，并用臺架試驗(yàn)進(jìn)行了比較，從而就能夠?qū)U氣渦輪增壓器模型化時(shí)單個(gè)措施的精度增益進(jìn)行比較。對廢氣渦輪增壓器的標(biāo)準(zhǔn)模型模擬與最終擴(kuò)展模型的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，其中標(biāo)準(zhǔn)模型模擬是標(biāo)準(zhǔn)測量得到的原始特性曲線場數(shù)據(jù)的應(yīng)用。圖7示出了2種硬件方案分別在1 250 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷突變以及應(yīng)用機(jī)械式廢氣閥情況下用特性值表示的模型的總平均偏差。從圖中可以清楚地看到，與標(biāo)準(zhǔn)模型相比，在達(dá)到90%扭矩的時(shí)間和扭矩的精度方面擴(kuò)展模型預(yù)報(bào)能力提高了2倍，而且通過渦輪的溫度損失的預(yù)報(bào)能力獲得了非常明顯的改善，特別是后者的預(yù)報(bào)來自于渦輪增壓器內(nèi)部的傳熱模型。

圖7 廢氣渦輪增壓器模型化的改善（以特性值表示）

6 結(jié)語

關(guān)于渦輪增壓汽油機(jī)在負(fù)荷需要加速響應(yīng)特性的預(yù)報(bào)要求進(jìn)一步開發(fā)，處于目前發(fā)展水平下的模擬方法。在這種相互關(guān)系中，特別對廢氣渦輪增壓器子系統(tǒng)的模型化具有重要的意義。為此，在內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會的廢氣渦輪增壓器動力學(xué)研究項(xiàng)目中，開發(fā)了1個(gè)擴(kuò)展的廢氣渦輪增壓器模型。與標(biāo)準(zhǔn)模型相比，其特點(diǎn)是在燃燒室試驗(yàn)臺上查明的運(yùn)行特性曲線場，以及借助于傳熱模型獲得的詳盡的熱狀況下進(jìn)行，而且模型的確認(rèn)也是在瞬態(tài)邊界條件下憑借從燃燒室試驗(yàn)中獲得的測量數(shù)據(jù)，并在特別關(guān)注渦輪出口溫度的情況下進(jìn)行的。

在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上，對發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性的影響參數(shù)進(jìn)行了有針對性的試驗(yàn)，這包括了熱邊界條件的變化、發(fā)動機(jī)的標(biāo)定參數(shù)，以及各種不同廢氣渦輪增壓器方案的比較。發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，采用增壓汽油機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的模型進(jìn)行了模擬研究，其中還對不同的模型化深度進(jìn)行了比較，并對它們在負(fù)荷突變期間的品質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)。模型狀態(tài)被證實(shí)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下,在預(yù)報(bào)渦輪出口溫度方面獲得了明顯的改善，同樣在預(yù)報(bào)按負(fù)荷要求加速響應(yīng)特性方面也能獲得明顯的改善。