汽油车变海拔动力恢复的增压系统匹配研究

张璐璐，马其华，张东剑，闫业翠

(上海工程技术大学 汽车工程学院， 上海 201620)

高原环境给汽车运行带来诸多不利影响，如动力性下降、燃油消耗率上升、碳烟排放恶化等。以增压柴油机为例，海拔每升高1 000 m动力会下降4.0%～13.0%，这是由于大气压力降低，柴油机缸内空气量减少，产生燃烧迟滞造成的。同时，随着海拔上升，压气机进入低雷诺区，涡轮进入跨声速区，增压系统工作区变窄，易出现压气机喘振、涡轮超速等现象[1]。

在变海拔柴油机动力性恢复方面已开展了多方面的研究。张晶等[2]通过在某高原地区对装甲车进行实地试验，研究高原环境下增压系统与发动机的匹配规律。董素荣等[3]通过高原实地试验对比研究轻型车辆低、高海拔起步加速性能和直接挡加速性能，分析加装KSB低温起动调节装置对高海拔轻型车辆动力性恢复的作用。由于高原实地试验存在试验难度大、造价高、环境条件难以重现等缺点，采用模拟高原环境进行柴油机性能模拟试验成为主要研究手段[4]。Peter L等[5]和张永虎等[6]针对高海拔地区大气特点，提出增加进气含氧量的方式提高柴油机的动力性。刘洋等[7]针对柴油机在高原环境存在动力下降的问题，提出一种采用燃气涡轮增压系统恢复高原柴油机动力的解决方案，并进行了高原环境模拟试验验证。但高原环境模拟试验台也存在试验设备昂贵、试验成本高等缺点。如今，数值模拟方法被广大学者所采用。K Han[8]基于神经网络的燃烧模型，建立涡轮增压柴油机数值模型，通过调节不同海拔高度下的喷油参数(如喷油时间等)提高柴油发动机动力性。

以上研究主要集中在变海拔条件下柴油机整车和发动机的动力性恢复问题，而对于汽油车的变海拔动力性恢复研究不多。目前，已经开展了利用涡轮增压技术在柴油机中实现高原动力性恢复的研究[9-10]，随着增压技术在汽油车中的普及，研究适应不同海拔下的汽油车增压控制策略具有重要作用。本文在分析汽油车动力性受海拔影响的基础上，基于GT-suite仿真平台，研究汽油车动力性受海拔影响的变化规律，通过对选配增压系统中废气旁通阀开度的标定，实现变海拔条件下的进气控制策略，从而提高汽油车对海拔的适应性。

1 整车动力性仿真模型

为研究汽油车动力性随海拔变化情况，以某汽油车(未安装增压系统)为研究对象，其主要参数如表1所示。

表1 汽油车结构基本参数

GT-Suite整车性能仿真平台采用部件模块化建模方式，通过设置各模块的参数对不同车型进行快速灵活建模，并具备复杂完善的求解器，从而确保计算的快速完成。图1为平台所建立的汽油车动力学模型，包括发动机、车身、传动系统、外部环境等模块，其中发动机模块采用韦伯燃烧模型及Woschni传热模型。

图1 汽油车动力学模型

为研究汽油车在变海拔工况下的动力变化情况，需对汽油发动机模块进行合理性验证。图2为该车发动机外特性仿真值与试验值的对比。

图2 发动机外特性仿真值与试验值对比

由图2可知，除转速2 000 r/min下扭矩误差较大,为8.91%，其他转速下扭矩及功率误差均保持在7%以内，发动机外特性仿真与试验变化趋势一致。因此，该发动机模型符合计算的精度要求，仿真结果具有可信性。同时，为保证汽油车仿真模型的合理性，还需对该车的动力性能仿真值与原车试验值进行对比。由表2可知，由于该模型是假设在无风条件下行驶的前向动力学仿真，模拟换挡时与原车试验的过程有些差距，但误差均小于5%。因此，所建立的汽油车模型精度较高，可以用来进行性能分析研究。

表2 仿真结果与原车参数对比

2 汽油车变海拔工况的动力性分析

在汽油车仿真模型合理的基础上，以表3参数作为环境变量输入整车系统，以此模拟高原大气环境对汽油车动力性的影响。

表3 不同海拔环境参数

2.1 汽油车变海拔工况动力性能变化分析

各海拔条件的大气环境不同[11]，设T0、p0和ρ0分别为标准大气状态的温度、压力及大气密度，则：

T=T0-αH

(1)

(2)

(3)

式中:T为环境温度(℃)；H为海拔高度(km)；p为海拔高度H下的气压(kPa)；α为温度梯度(6.5 ℃/km)；ρ为大气密度(kg/m3)。

由式(1)～(3)可知，不同海拔条件的大气环境各异，进气条件的改变影响发动机动力输出，最终导致汽车动力性变化。汽车动力性指标包括最高车速、加速时间和最大爬坡度。

剩余驱动力ΔF=Ft-(Ff+FW)，当驱动力大于行驶阻力时，剩余驱动力可用于加速、爬坡以及达到最高车速。

(4)

式中:W为车轮负荷；f为滚动阻力系数；ur为有风条件下的相对车速；ηT为传动系的效率；ηet为有效热效率；gb为各缸喷油量(mg)；Hu为燃料低热值；i为气缸数；τ为冲程数。

ΔF=a1ηetgbηT-[a2f+ω(ρ)]

(5)

由式(4)可知，整车动力性主要取决于有效热效率ηet、各缸喷油量gb、机械效率ηT、滚动阻力系数f和空气密度ρ。

假设汽车在不同海拔环境下运行，无风、喷油参数、传动效率及道路条件基本不变。随着海拔上升，大气压力降低，进气密度降低，发动机进气量减小，过量空气系数降低，造成压缩终点压力和温度降低，反应物分子间碰撞几率降低。混合气预反应时间延长，滞燃期延长化学反应速度降低，平均指示压力降低，指示热效率和有效热效率ηet下降[12]，最终影响整车动力性。大气密度下降，空气阻力FW随之下降，虽有助于提升整车动力，但减小程度有限，无法补偿动力损失。由以上分析可知：影响汽车动力的关键是发动机的进气及燃烧过程。但燃烧过程复杂，无法准确分析动力损失状况，因此本文建立汽油车模型，定量分析海拔条件对整车动力性的影响。

2.2 汽油车变海拔工况性能变化仿真分析

假设汽车在无风的良好路面行驶，改变外部环境模块参数模拟仿真各海拔的最高车速、加速时间以及最大爬坡度。其中，汽车上坡能力用1挡满载最大爬坡度表示[13]，由1挡起步实现0～100 km/h加速，各项动力指标随海拔变化趋势如图3所示。

图3 汽油车变海拔工况性能变化趋势

由图3可知，随着海拔上升，汽油车动力性基本呈下降趋势。其中，海拔1 km的最大爬坡度较0 km略有上升，由于此时空气密度下降幅度较小，发动机进气量小幅度变化，减小的空气阻力补偿了整车的驱动力损失。随着海拔上升，空气密度下降幅度越来越大，尽管空气阻力减小，一定程度上提升了汽油车动力性，但无法补偿发动机动力下降对整车动力性能造成的损失。其中，海拔4 000 m的加速性能下降最为明显，加速时间增加74.97%，而最高车速和最大爬坡度下降幅度较小，分别为31.4%和33.74%。图3中，海拔每升高1 000 m，最高车速降低6.46%～13.3%。文献[14]的道路试验结果表明：最高车速下降了7.98%～18.67%，与仿真变化趋势接近。该汽油车0～20 km/h起步换挡加速情况如表4所示。

表4 0～20 km/h起步换挡加速

由表4可知:该汽油车在4 000 m的0～20 km/h加速仿真过程中，相较于0 m增加1.47 s。文献[15]中某汽油车在海拔4 200 m的0～20 km/h加速试验时间相较于海拔50 m地区增加1.2 s。由于实地试验的高海拔风阻减小，且试验车辆为四驱车，故动力变化较小，但在一定程度上验证了仿真的可靠性。因此，针对汽油车的高原动力损失问题，需采取措施提高其变海拔适应性。

3 汽油车变海拔工况的增压系统匹配

采用增压技术可以有效改善汽油车的变海拔动力性能。针对变海拔汽油车动力恢复问题，通过增加进气压力的方式研究增压技术对发动机性能恢复的影响，通过对增压系统进行匹配计算，选择合适的增压器，并研究增压器的变海拔控制策略，为汽油车变海拔动力性能恢复的增压系统匹配方案确定和控制策略制定提供支撑。

3.1 进气压力对汽油车动力性能的影响

随着海拔的上升，汽油车的动力性显著下降，因此，通过提高发动机的进气压力的方式研究增压技术对发动机性能恢复的影响。以海拔4 000 m为例，当汽油机转速分别为2 000、2 500和3 000 r/min的全负荷工况时，设置进气压力分别为60、70、80、90和100 kPa，研究发动机功率变化情况，结果如图4所示。

图4 发动机功率随进气压力的变化

由图4可知，转速一定时，随着进气压力增大，进气量得到提高，发动机功率增加。进气压力从60 kPa增加到100 kPa时，不同转速下发动机的功率逐渐增大，最大增加77.07%。随着进气压力的上升，汽油机进气状况逐渐得到改善。当转速为2 000 r/min时，进气压力从60 kPa增加到100 kPa，功率增加12.62 kW；当转速为3 000 r/min时，进气压力从60 kPa增加到100 kPa，功率增加26.86 kW。由功率变化情况可知，进气增压对高转速动力改善的效果更为明显，因此本文采用增压技术实现变海拔动力性能恢复。

3.2 增压系统匹配方案确定

由以上分析可知，增加发动机进气压力可有效提高汽油车高原适应性，同时为防止汽油发动机发生高压爆燃现象，采用进气中冷的方法恢复汽油车的动力性。为适应各海拔大气环境，达到整车在海拔4 000 m范围内动力不降的目标，以平原地区的原机动力性能为准选配增压器。根据发动机性能与进气量、喷油量以及增压压力之间的内在联系，推导所需压气机的质量流量与压比，其中：

(6)

Pout-c=Pin+ΔPc

(7)

Pin-c=P-ΔP

(8)

(9)

式中：Pin为缸内压力(Pa)；τ为冲程数；mair为进气流量(kg/s)； mf为燃油质量流量(kg/s)；R为气体常数；T为缸内混合气温度(K)；n为发动机转速；VS为排量(m3)；Pout-c为压气机出口压力；Pin-c为压气机进口压力；ΔPc为中冷器压降；ΔP为进气压力损失；π为增压比。

在选配过程中忽略进气压力损失，压气机进口压力取高原(4 000 m)环境压力 61.6 kPa，中冷器压降采用经验数据，通常中冷器的最大压降在外特性上最大流量点达到且控制在 5 kPa以内，最终匹配计算结果见表5。

表5 压气机增压比及目标空气流量

由计算结果可知:增压后发动机目标需求的最大流量为0.111 kg/s，最大增压比为1.991。根据涡轮增压发动机的实际需求，选择TF035增压系统。为确保良好的匹配特性，避免超速现象，该增压系统通过控制废气旁通阀开度的方式进行涡轮增压。其原理是：当废气旁通阀开度大时，大量的废气将从该废气旁通阀流过而不经过涡轮机；当废气旁通阀开度小时，绝大部分的废气从涡轮机流过而不经过该阀，因而通过对该废气旁通阀的控制可以达到控制涡轮增压的目的。图5为涡轮增压控制方式示意图。

图5 涡轮增压示意图

3.3 增压系统标定与匹配分析

为研究发动机与增压系统匹配效果，在原有发动机模型的基础上匹配增压系统，如图6所示。

图6 发动机增压系统匹配模型

发动机与增压系统匹配的动力性能要求在4 000～4 500 r/min的转速范围内具有186 N·m左右的扭矩，且转速在6 000 r/min时，功率要达到103 kW左右，当节气门全开时，设定不同海拔下各转速的废气旁通阀开度。图7为废气旁通阀开度的标定曲线。

图7 废气旁通阀开度标定曲线

由图7可知：各海拔下废气旁通阀开度随转速变化的趋势基本一致，海拔越低则废气旁通阀开度随转速变化的幅度越大。在相同转速条件下，若保持目标动力性能要求不变，则海拔越低越需增大废气旁通阀的开度从增加涡轮做功的能力，为压气机提供合适的涡轮膨胀功，保证发动机与增压系统的正常联合运行。在海拔4 000 m，发动机处于1 000～6 000 r/min的外特性工况下，压气机与发动机联合仿真运行效率如图8所示。

图8 压气机与发动机联合运行效率

由图8可以看出：各个运行点均未出现在压气机的喘振区和阻塞区，运行曲线穿过压气机高效率区域内，绝大多数运行点的效率在60%以上，说明增压系统与发动机匹配情况良好。海拔4 000 m时，涡轮与发动机的联合运行仿真效率如图9所示。

图9 涡轮与发动机联合运行效率

由图9可以看出：在1 000～6 000 r/min的外特性工况下，涡轮效率保持在52%～70%；在1 000～4 000 r/min工况下，涡轮效率保持在57%以上。因此，标定废气旁通阀开度后的增压系统与发动机匹配效果良好。

3.4 增压系统匹配效果分析

基于已选增压系统，发动机在各海拔下的动力恢复结果如图10所示。

对废气增压采用有效控制可使发动机的功率基本保持一致。高海拔地区气压低，为达到目标功率，增压器的压比相应升高，由于汽油机中转速工况穿过增压器高效区，动力恢复最为显著。通过动力分析可知：高原地区加速性能下降显著，难以满足行驶要求，因此以各海拔加速性能的恢复为例，研究汽油车动力恢复状况，结果如图11所示。

图10 各海拔发动机功率恢复

图11 增压后各海拔原地起步加速

通过进气增压，高海拔地区的加速性能基本恢复至平原性能，4 000 m处加速时间缩短40%以上，加速性能得到很大的提升。因此，对废气旁通阀进行开度标定，可实现变海拔汽油车动力恢复的目标。

4 结论

通过建立汽油车仿真模型，改变各海拔的大气条件模拟汽油车动力性状况，同时研究增压系统对汽油车高原动力性能恢复的作用。结果表明：

1) 海拔上升，大气条件变化，改变了发动机进气量，最终导致整车各项动力性指标均呈现下降趋势，加速性能的损失尤为显著。海拔3 000 m以上，原地起步加速时间增加49.58%～74.97%。

2) 进气压力对汽油车动力性能影响较为显著，选择合适的增压系统，通过对废气旁通阀开度的标定，实现废气旁通阀放气量的连续调节，满足变海拔汽油车性能恢复的需求，实现海拔4 000 m范围内汽油车动力性能基本不变。