蒸汽辅助涡轮对增压汽油机瞬态响应特性影响的模拟*

付建勤，刘敬平，陈玉龙，邓帮林，徐 伟

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2. 湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082)

蒸汽辅助涡轮对增压汽油机瞬态响应特性影响的模拟*

付建勤1,2†，刘敬平1,2，陈玉龙1,2，邓帮林1,2，徐 伟1,2

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2. 湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082)

为改善废气涡轮增压汽油机加速工况时的瞬态响应特性，提出了蒸汽辅助涡轮增压的方法.基于一款废气涡轮增压汽油机，采用GT-Power软件分别建立并标定了蒸汽辅助涡轮增压与废气涡轮增压的仿真模型.针对该汽油机的常用转速2000 r/min，研究了各种蒸汽参数对增压系统及汽油机性能的影响.结果表明，在2000 r/min时的加速工况，蒸汽辅助涡轮能使汽油机加速迟滞时间缩短48.0%，加速扭矩提升9.7%.因此，蒸汽辅助涡轮能有效改善增压汽油机的加速性和动力性.

汽油机；涡轮增压；余热回收；瞬态响应；涡轮迟滞

废气涡轮增压是提高发动机动力性和经济性的一种重要方式.它利用发动机排气能量驱动增压器压缩进气，通过提高发动机进气密度增加每循环的气缸进气量，从而实现减小发动机排量、强化发动机功率、改善燃油经济性等多重目的[1-2].鉴于废气涡轮增压的多重优点，现代柴油机基本上都配备了该技术，并且开始逐渐向汽油机推广应用，成为了汽油机节能的主要技术之一[3].虽然传统废气涡轮增压技术得到了不断进步和完善，但在汽油机上应用还有一些技术瓶颈.由于汽油机的转速范围宽广、并且通过节气门对进气实现量调节，导致涡轮增压器的工作点在很大流量范围内移动，于是增压器的响应特性成为了评价其性能的一个重要指标.另一方面，人们对汽车和发动机的性能提出了愈来愈高的要求.汽车加速性和驾驶舒适性是评价其动力性的重要指标.对于增压发动机，汽车的加速性最终反映在发动机增压器的瞬态响应特性上.

当发动机从一个工况变化到另一个工况时，增压器工作状态要经历一段时间才能重新与发动机匹配好，达到新的平衡状态，这个过程经历的时间就是增压器的“迟滞效应(Turbo-lag)”[4-5].这是由发动机空气回路系统的弹性缓冲作用以及增压器本身的性能(克服转动惯量加、减速)引起的.在增压器确定的情况下，前者成为了限制增压发动机瞬态响应特性的主要因素，而这种“滞后性”在汽油机上表现得更加明显.增压器的瞬态响应特性是发动机(尤其是汽油机)增压技术急需解决的一个难题.国内外许多学者进行了较为深入的研究，提出了诸如优化增压控制策略[5]、采用可变喷嘴涡轮[6]、二级增压[7]等方法改善其瞬态响应特性.陆犇等提出了一种注汽涡轮增压柴油机系统用于改善增压器动力性，并研究了汽-气比对进气增压比的影响[8].本文从内燃机余热回收的角度，提出了采用废气余热能改善涡轮增压器加速扭矩特性，从而达到改善增压汽油机瞬态响应性能的目的.

1 涡轮增压的响应特性

1.1 废气涡轮响应特性分析

目前车用汽油机广泛采用的废气涡轮增压系统由涡轮机与压气机所构成，图1为其原理图.汽油机的高温高压(相对于环境压力)排气通往涡轮，在涡轮中膨胀做功并驱动压气机压缩进气.

汽油机采用的是量调节，节气门的变化引起进气充量的变化，进气充量进入气缸经历压缩、膨胀、排气等过程后，然后以废气形式进入涡轮；废气参数的变化使涡轮的工作性能发生变化，进而引起压气机工作性能的变化，如此经历多个工作循环后，涡轮、压气机和发动机的工作状态重新达到平衡，最终使进气压力趋于目标增压压力，汽油机扭矩达到目标值.在节气门打开的瞬间，进气压力最多只能达到标准大气压力.节气门全开后，发动机的扭矩提升速率取决于进气压力的提升速率，而后者不但受增压器转动惯量、进排气系统容积等发动机设计参数的限制，还在很大程度上取决于涡轮功率.也就是说，节气门的变化与涡轮输出功率的变化不能同步，需要一定的传递及反馈时间，于是导致传统汽油机废气涡轮增压会产生迟滞.

(1)涡轮 (2)压气机 (3)中冷器 (4)节气阀 (5)发动机

1.2 蒸汽辅助涡轮增压原理

为改善汽油机废气涡轮增压的加速响应特性，提出了蒸汽辅助涡轮增压的概念，其原理如图2所示.在传统废气涡轮增压汽油机的排气系统上，耦合一套汽油机废气余热驱动的蒸汽发生系统.在该蒸汽发生系统中，工质水先经水泵加压并获得一定的工作压力，然后在换热器中加热成蒸汽，蒸汽经单向阀进入储气箱；一定量的高压蒸汽经蒸汽阀喷入涡轮入口，通过增加涡轮入口的工质流量来改善涡轮的输出功率.由上可见，蒸汽辅助涡轮增压是通过补偿涡轮的工质流量来调节其涡轮输出功率.由于其能量来源于废气余热，而不需要其他额外辅助动力，相比机械辅助涡轮增压或电动辅助涡轮增压，具有明显的节能效果.

(1)水箱 (2)泵 (3)换热器 (4)止回阀 (5)储气箱 (6)蒸汽阀 (7)涡轮 (8)压气机 (9)中冷器 (10)节气阀 (11)发动机

在汽车(汽油机)加速工况时，节气门和蒸汽阀同时打开，这样就可以立即补充涡轮的工质、提升涡轮工作压力，增加涡轮输出功率，进而改善增压系统性能以及汽油机的瞬态响应特性.

图3为工质水(水蒸气)的T-s图(图中粗实线为工质的相变线，细线描述工质热力过程的变化)，它描述了蒸汽辅助涡轮增压的工质热力过程.其中，1点为工质水从水箱流出的初始状态(初始压力为1 bar)；1-2过程为工质水在液压泵中的加压过程，2点为工质水加压之后的状态，经液压泵加压后，工质获得一定的喷射压力；2-3’-3为工质水在换热器中的加热过程；其中，2-3’为工质水的蒸发过程，3’-3为饱和水蒸气的过热过程；3点为水蒸气过热后的状态；经过1-2-3’-3过程，工质水由常压下的液态变为较高压力下的过热蒸汽状态；3-4为水蒸汽喷射后的膨胀过程.

图3 水蒸气工作循环T-s图

1.3 增压系统计算公式

在蒸汽辅助涡轮增压系统中，产生的最大蒸汽流量取决于发动机可用排气能量流.其中，发动机可用排气能量流由下式计算：

(1)

发动机可用排气能量产生的最大蒸汽流量为：

(2)

式中:ηhe为换热器的传热效率(定义为流入工质水的热流量与流出排气的热流量之比，设为0.95)；hout为换热器出口过热蒸汽的比焓，J/(kg·K)；hin为换热器进口工质水的比焓，J/(kg·K).由于比焓是温度的函数，因此不同的蒸汽温度对应不同的最大蒸汽流量.

在增压器系统中，由于涡轮和压气机同轴相连，二者满足功率平衡关系：

Pcom=Ptur·ηm．

(3)

式中:Pcom为压气机功率，W；Ptur为涡轮功率，W；ηm为增压器传动轴机械效率.

此外，涡轮和压力机满足质量平衡关系：

(4)

2 发动机工作过程模拟计算

2.1 仿真模型建立及试验校准

本文研究对象为一款四冲程、排量为1.8L的轿车用增压汽油机.该发动机的基本参数如表1所示.按照该发动机的几何结构参数和管道布置形式，并参考性能试验数据，建立其GT-Power仿真模型，如图4所示.建模时对一些复杂管道进行了相应的简化处理，模型进出口边界条件设置为标准环境大气状态，机械摩擦损失、燃烧效率、空燃比、进排气阀流量系数等均由实验数据标定.

图4 发动机GT-power数模

表1 发动机基本参数

为了验证该模型的计算精度，采用试验数据对其进行标定.图5为仿真模型的计算结果与实验数据的对比.其中，图5(a)为外特性下平均有效压力的对比，图5(b)为2 000 r/min时缸压的对比.由图可见，在全转速范围内，实测结果和模拟计算结果非常接近，表明该模型具有较高的精度，可以对该发动机性能进行精确预测.

转速/(r·min-1)(a) 平均有效压力比较(外特性)

曲轴转角/(CA)(b) 缸压比较(2 000 r/min, 外特性)

2.2 蒸汽辅助涡轮增压计算

表2给出了蒸汽辅助涡轮增压的计算边界条件.针对原废气涡轮增压汽油机的常用加速工况进行研究.工况点选择低转速的2 000 r/min，即汽油机初始转速固定在2 000 r/min；瞬态过程：T=0～2 s，保持怠速；T≥2 s，节气门全开，增压系统全负荷运行，如图6所示.蒸汽喷射压力和温度分别设置为5 bar和600 ℃.根据原废气涡轮增压汽油机的排气参数，通过能量平衡计算出有效蒸汽产生速率(即有效蒸汽流量范围)，在此基础上初设蒸汽喷射速率为5 g/s.在原废气涡轮增压汽油机的GT-Power模型上，添加了相应的蒸汽喷射模块和瞬态数据监控模块，将蒸汽辅助涡轮与废气涡轮增压耦合起来，建立了蒸汽辅助涡轮增压的仿真计算模型，并对目标工况点进行模拟计算.然后，根据蒸汽辅助涡轮增压汽油机的排气参数计算结果，通过能量平衡方程对之前初设的蒸汽参数进行校核，保证其在有效范围之内.

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表2 蒸汽辅助涡轮增压边界条件

3 结果及分析

3.1 蒸汽辅助涡轮对汽油机瞬态性能的影响

图7为原增压汽油机和蒸汽辅助涡轮增压汽油机的扭矩瞬态响应特性对比.图中标识了原增压汽油机在设定工况下(2 000 r/min、急加速)的目标扭矩.从图中可以看到，原增压汽油机的瞬态响应特性大约为0.98 s；采用蒸汽辅助涡轮增压后，该汽油机的响应特性大大提高，达到目标扭矩只需0.51 s，涡轮迟滞时间减少48.0%，并且汽油机的最高加速扭矩由原先的200.3 N·m提高到219.7 N·m，相对提升了9.7%，更有利于汽车的加速工况.因此，蒸汽辅助涡轮能明显改善增压汽油机的瞬态响应特性、解决废气涡轮增压器迟滞效应的难题.

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在废气涡轮增压系统中，涡轮是动力源.由于涡轮和压气机同轴刚性连接，二者几乎不存在传递时间差，所以涡轮的响应特性决定了整个增压系统的响应特性.在发动机启动和加速工况时，如果能在瞬间使涡轮的输出功率达到目标值，那么相应地就会在极短时间内使进气增压压力达到目标值.由涡轮输出功率的计算式可以知道，决定其输出功率的因素很多，有排气(工质)流量、压力、比热、温度、涡轮效率等.通过喷射蒸汽直接使涡轮的工质流量得到补偿，间接还会增加涡轮的工作压力(涡前压力)，甚至改善涡轮的效率，从而提高涡轮的输出功率.图8所示为增压汽油机排气压力的瞬态响应特性对比.由图可知，向涡轮入口喷射蒸汽后，排气压力迅速上升，从而在瞬间为涡轮建立了较大的工作压力，有助于提升涡轮的输出功率.图9所示为涡轮的工质流量随时间的变化关系.可以看到，随着蒸汽的喷射，涡轮工质流量急剧增加，但是后来随着增压压力立刻达到目标值，涡轮旁通阀开始打开，排气流量的增幅下降.

图10给出了涡轮效率随时间的变化关系.与废气涡轮增压相比，蒸汽辅助涡轮的效率更高.涡轮最大效率由废气涡轮增压的58.1%上升到蒸汽辅助涡轮的61.7%.这是因为在节气门和蒸汽喷射阀打开后，涡轮工质流量急剧增加，使涡轮的实际工作点在效率MAP图上发生跃迁，向高效率区移动.也就是说，可以通过喷射蒸汽改变涡轮的工质流量进而改善其工作效率.图11是废气涡轮增压和蒸汽辅助涡轮增压的涡轮输出功率对比.喷射蒸汽后，由于涡轮的工质流量、工作压力(涡前压力)和工作效率都得到一定提升，涡轮输出功率急剧增加，最终使汽油机的涡轮瞬态响应时间急剧减小.

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3.2 蒸汽参数的影响

接下来，进一步分析蒸汽参数对增压汽油机瞬态响应特性的影响.首先固定蒸汽流量(5 g/s)，改变蒸汽温度(考虑了400 ℃，500 ℃和600 ℃三组蒸汽温度).不同蒸汽温度下增压汽油机的瞬态响应特性如图12所示.可以看到，随着蒸汽温度的增加，虽然增压器的瞬态响应时间会减小，但是变化很小.也就是说，改变蒸汽温度对增压汽油机的瞬态响应影响不大.这是因为蒸汽温度的变化对涡轮工质(汽油机排气和蒸汽的混合气)总体温度的影响甚微.相反，改变蒸汽喷射流量后，增压器的瞬态响应特性变化较为明显，如图13所示.这是因为蒸汽流量的变化对涡轮工质的流量影响较大，因此对涡轮输出功率影响也较大.由此可见，在汽油机排气能量一定的前提下，采用大流量的蒸汽比采用高温度的蒸汽更有优势.

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4 结 论

提出了一种新的汽油机排气能量利用方式——蒸汽辅助涡轮增压.它利用汽油机排气能量产生蒸汽，用以补偿涡轮在加速工况时的工质；通过喷射蒸汽使涡轮的工质流量、工作压力、效率等参数瞬间增大，从而使涡轮输出功率瞬间得到明显提升，进而改善增压汽油机的瞬态响应特性.

在转速为2 000 r/min的加速工况，增压器的迟滞时间由废气涡轮增压的0.98 s减少到蒸汽辅助涡轮增压的0.51 s，并且蒸汽辅助涡轮增压汽油机的最大加速扭矩提升了9.7%，有效改善了增压汽油机的加速特性.

在汽油机排气能量一定的前提下，采用大流量的蒸汽比采用高温度的蒸汽对改善增压汽油机瞬态响应特性的效果更加明显.

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A Simulation Study on the Effects of Steam Assisting Turbo on the Transient Response of Turbocharged Gasoline Engine

FU Jian-qin1,2†, LIU Jing-ping1,2, CHEN Yu-long1,2, DENG Bang-lin1,2, XU Wei1,2

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082, China；2． Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China)

To improve the transient response of exhaust turbocharging engine under accelerated conditions, a method of steam-assisted turbocharging was proposed. Based on an exhaust turbocharged gasoline engine, the simulation models of steam-assisted turbocharging and exhaust turbocharging engine were established and then calibrated by the software of GT-Power. On this basis, the effect of various steam parameters on the performances of turbocharging system and the gasoline engine was studied at the engine speed of 2000 r/min. The results show that, at the accelerated condition of 2000 r/min, the retarded time of the gasoline engine can be reduced by 48.0% and the peak torque can be increased by 9.7% through steam-assisted turbocharging. As a result, the acceleration and dynamic performance of the gasoline engine can be effectively improved by steam-assisted turbocharging.

gasoline engine; turbocharging; waste heat recovery; transient response; turbo-lag

1674-2974(2015)04-0013-06

2014-02-27

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目 (2011CB707201)；国家自然科学基金资助项目(51376057)，National Natural Science Foundation of China(51376057); 国家863计划项目(2012AA111703)

付建勤(1983-)，男，湖南株洲人，博士，湖南大学助理教授

†通讯联系人，E-mail:fujianqinabc@163.com

TK402

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