使用实际驾驶条件数据，涡轮增压器瞬态特性，产生了一项计算技术

文丨聆听娱纪

编辑丨聆听娱纪

介绍

涡轮增压器广泛用于柴油机和奥托内燃发动机（ICE），以恢复在降低发动机燃料消耗和温室气体排放的策略中遗漏的性能特征，如缩小尺寸和降速。

ICE的全局效率与涡轮匹配的适当特性密切相关，为了追求涡轮增压器的持续发展，已经整合了几种技术测试，例如在实验研究中使用气体标准测试台，以及在计算领域使用计算流体动力学和回归模型。

涡轮增压ICE的功能已经与其涡轮增压器密切相关。

已经开发了一些故障分析方法和稳态条件下的诊断策略来分析该部件，在稳态运行下测试的涡轮增压器显示出显著的时间成本。

在某些情况下，分析的持续时间不足以获得完整的故障诊断。

由于城市交通及其地理条件，ICE运行中的瞬态行为是自然的，在实际驾驶循环中经常会导致涡轮增压器速度和空气质量流量的变化。

据此，Serrano等人和Wu等人详细说明了测试瞬态条件、模拟真实车辆应用和制定新的评估技术的重要性，从而对涡轮增压器部件进行适当的性能分析。

最近的研究也表明了在实验或计算涡轮增压器测试中评估稳态和瞬态条件的重要性。

用于实验研究的气体标准试验台不仅用于表征涡轮增压器部件（热力学图），还用于研究其在施加故障原因时的行为。

在某些情况下，气体标准试验台中的控制策略已配置为模拟瞬态循环，如参考文献中所述，演示了一种评估涡轮增压器润滑系统故障影响的技术

尽管气体标准试验台上的涡轮增压器条件可以通过计算机策略来控制，以再现瞬态行为，但学术文献中没有能够描述涡轮增压器操作参数的明确信息。

换言之，在瞬态驱动循环期间，描述操作变量的行为对于涡轮增压器来说不是一项容易的任务。

最大和最小轴速度、加速和减速率或瞬态循环次数等变量是使实验室测试接近实际驱动涡轮增压器性能的重要因素

为了寻求涡轮增压器特性问题的解决方案，评估了一种能够分析另一个瞬态ICE子系统的方法，在该方法中，使用计算模型分析了强烈依赖于瞬态行为的气体排放。

使用几种类型的标准循环评估发动机排放参数已被学术界所接受，本文的目的是开发一种计算技术，以确定涡轮增压器在行驶循环中的实际操作。

而无需在车辆中进行多次实验测试，只需在稳态测功机测试中获得ICE和涡轮增压器的数据，该技术可用于观察车辆参数（如换档策略和车辆质量）的变化如何改变涡轮增压器的操作。

在测功机试验台上获得了涡轮增压柴油机内燃机的实验参数，并分析了内燃机的特性

将结果与实际驾驶测试中收集的数据进行比较，以评估计算技术的准确性。

在模型验证之后，使用欧洲瞬态循环（ETC）来评估作为换档策略和车辆负载（车辆负载）的函数的涡轮增压器速度曲线。

材料和方法

实验装置和测试方法

实验测试是在一台直列六缸四冲程13-L柴油发动机上进行的，表1详细介绍了发动机特性。它有一个直接喷射单元系统，对喷射时间和燃料质量流量提供独立控制。

由废气闸阀和后冷却器控制的涡轮增压器负责产生更高的功率输出、更低的排放水平并提高效率。

压缩机和涡轮机图如图1所示，发动机缸盖每个气缸有两个进气门和两个排气门，该发动机的体积压缩比也为16.5，代表了目前在排放法规方面应用于拉丁美洲市场的大多数重型发动机。

测功机试验

图2给出了包含仪器布置的测功机试验台的示意图说明，该设置由瞬态交流测功机（FEV测试系统-最大容量：5000 Nm-8000 kW）和控制发动机转速和负载的扭矩法兰测量组成。

在控制和数据采集方面，测功机测试台使用FEV测试单元管理软件。

在实验测试期间，使用来自AVL IndiModul 622的基于时间的数据采集，结合由高精度旋转轴编码器AVL 365进行的角轴测量，通过AVL GH14DK压电换能器测量缸内压力。

净指示平均有效压力和热释放率是根据缸内压力数据集的平均值计算的，该数据集是使用燃烧分析仪AVL IndiCom在0.1曲柄角分辨率的200个发动机循环中收集的。

使用宽带氧传感器和lambda表ETAS LA4测量排气歧管中的过量空气比。

燃油喷射系统由FEV Fuelcon系统控制，燃油消耗量通过科里奥利燃油质量流量传感器Emerson Micro Motion Elite CMF010确定。

热质量流量计ABB Sensyflow用于进气测量。涡轮增压器转速使用电磁转速传感器Jaquet DSE 0603 DSH进行记录。

发动机的外部系统，如机油和冷却液温度在测试过程中受到控制。表2列出了仪器的精度和测量范围。

测功机试验用于绘制发动机图谱，这通过了遵循图3中所示的策略。

在图3中，在不同的节气门位置驱动器（TPD）的情况下，从怠速到2200 rpm，确定了不同的发动机扭矩值，从而建立了发动机转速、节气门位置驱动程序和发动机扭矩与涡轮增压器转速之间的关系。

映射发动机的结果被用作一维涡轮增压车辆模型中的边界条件。因此对涡轮增压发动机的16个转速进行了测试。

在每个速度下，收集的第一个点是油门位置驱动器（100%TPD）100%时的最大扭矩。

基于这一点，收集了四个新的数据点，以达到最大扭矩的70%、50%、20%和10%。此外，此测试控制扭矩，而不是节气门位置驱动器。

真实驾驶测试

为了收集一维模型验证的数据，有必要在实际驾驶条件下进行实验测试。

在巴西东南部地区进行的实际驾驶循环中对涡轮增压车辆进行了测试，代表了BR-383高速公路150公里内不同驾驶模式的典型重型卡车操作。

表3显示了重型卡车的主要特性。

在实际驾驶测试中，ETAS ES590模块连接到发动机电子中央单元用于获取1kHz下的压力、温度、驾驶员节气门位置、发动机转速、车速、燃烧参数等变量。

发动机扭矩需求和发动机制动平均有效压力是通过考虑喷油量的标定模型获得的。

涡轮增压器转速测量是通过安装Jaquet DSE 0603 DSH传感器和ETAS ES581数据采集模块以33 kHz频率采集的。使用后处理技术来计算不同采集速率之间的关系。

图4显示了路线测试及其坡度剖面。数据是在从A点到B点的20公里山区地形上收集的。

为了验证一维模型，将真实驾驶测试的速度曲线与驾驶员在20公里路线中使用的换档策略一起作为模拟输入。

模型验证是将实验发动机和涡轮增压器的速度与使用测功机测试结果的计算模拟中获得的相同数据进行比较。

计算模型和程序

为了生成一种快速、经济、准确的计算技术，以确定涡轮增压器在行驶条件下的特性，在Gamma Technologies的GT Suite软件中开发了一个一维计算机模型。

在计算模型上，动力传动系统部件的运动微分方程被及时积分，计算系统在选定的驱动循环中产生的瞬态速度和扭矩。

制动平均有效压力输入数据是使用指示和摩擦实验数据计算的，并与发动机转速和节气门位置驱动器相关。

涡轮增压器转速图是使用测功机台架上测试的稳态条件作为发动机负载和转速的函数进行的。

根据驾驶循环条件所需的载荷点，使用插值输入映射的结果，通过车辆运动微分方程计算速度和扭矩的瞬态。

滚动阻力由模型计算为阻力系数、滚动摩擦和道路坡度的函数，包括在等式（1）中所示的模型中。（1）计算车辆运动所需的扭矩（车辆）。

方程的第一项（1）表示加速有效惯性所需的扭矩，在整个传动系的离合器处进行评估。

在此基础上，Itrans1和Itrans2分别表示传动系统输入和输出中的惯性，传动轴和车轴惯性矩分别由Idsh和Iaxl项相加。

这些术语与车轴数量和每个车轮的惯性有关，适用于车辆特性，术语Rd和Rt表示每个档位的主减速器和传动比。

在时刻t的车辆速度udrv与车轮半径rwhl和车辆质量Mveh直接相关。

扭矩方程的第二项表示由瞬态传动比引起的负载，其中车辆对象基于车辆变速器参考在内部创建变速器模型。

在第三项中，车辆上的外力被添加为空气动力Fd、滚动阻力Frot和重力Fgrd。

在使用真实驾驶实验数据进行模型验证后，将用作分析基础的驾驶循环为图5所示的欧洲瞬态循环（ETC），该循环用于测量重型卡车中的污染气体和颗粒物。

该循环由1800个瞬态模式组成，每一秒都有一个特定的车速目标。

在ETC循环中，1800 s的总时间被划分为600 s的三个部分，每个部分代表不同的驾驶条件。

第一个分数代表城市路段，然后是农村路段，再是公路路段，城市路段代表城市驾驶条件，其特征是频繁停车、启动、怠速和速度不超过50公里/小时。

农村路段以快速加速开始，平均速度约为72公里/小时，公路路段的平均速度较高，约为88公里/小时。

本文使用GT Suite中的计算模型来分析两个外部因素，即换档策略和车辆承载的负载（车辆负载），如何改变涡轮增压器的运行行为。

在第一个参数中，换档策略是通过分析发动机功率和扭矩曲线来确定的，如图6所示。

在第二个参数中，车辆负载配置为23000 kg、50000 kg和74000 kg，代表商用重型卡车的不同操作条件。表4描述了9个模拟案例。

结论

由于需要更多地了解汽车涡轮增压器的瞬态特性，特别是在气体标准试验台上进行故障研究，因此开发了一种使用一维模型的计算技术，以便使用测功机试验上收集的实验数据来表征瞬态循环下的涡轮增压器速度。

根据涡轮增压汽车的一般特性，即发动机、变速器和底盘特性，建立了一维模型。

模型的边界条件是在测功机测试中收集的，因此有必要确定发动机扭矩、转速、油门位置驱动器和涡轮增压器转速值。

对发动机扭矩和功率曲线进行了分析，以确定三种类型的换档策略。

换档策略1从1000转/分到1300转/分，换档策略2从1300转/分钟到2000转/分以及换档策略3从1000转-分到2000转。

对所提出的一维模型进行了测试，以再现巴西真实周期的一部分，在发动机和涡轮增压器速度中获得的结果具有小于5%的偏差。

这允许对计算技术进行验证，因为由于无法根据实际轮廓配置节气门位置驱动器，在发动机转速和涡轮增压器转速轮廓中观察到较小的变化，一旦对于计算技术来说，车辆速度是节气门位置驱动器变化的结果。

一维模型的验证允许使用ETC循环来观察发动机和涡轮增压器速度曲线的变化。

通过对九种情况的模拟可以观察到，涡轮增压器速度是换档策略的函数，以及仅对于换档1高于50000kg的车辆负载的函数。

在计算模拟中，1000至1300 rpm的换档策略配置和74000 kg的车辆负载允许观察到，这种配置无法在城市路段实现ETC循环。

在评估九种情况下的涡轮增压器速度曲线时，确定了六个参数，这些参数对于在热标准试验台上进行的实验涡轮增压器模拟非常重要。

这些参数被称为平均速度（AvTS）、最大和最小速度（TSmax TSmin）、最大加速度（ATSmax）、最大减速度（DTSmax）、加速度瞬变量（N Acc）和减速度瞬变数（N Dec）。

这将有助于在实际工作条件下开发瞬态分析技术，以研究机器的故障原因。

在对汽车涡轮增压器的分析中，观察到加速和减速循环的次数随着换档策略和车辆负载的变化而变化。

一旦涡轮增压器的平均转速从23000 kg时的50.2 krpm变为74000 kg时的67 krpm，就会观察到这种情况

在这项工作中，提出了一种充分的实验和计算技术来表征汽车涡轮增压器在真实和标准驾驶条件下的运行。

它允许通过使用测功机测试中收集的稳态数据来确定实际驾驶循环下的涡轮增压器速度曲线。

经过验证的计算模型允许在不同的城市、农村和公路交通条件下实施循环，从而无需真正的重型卡车仪器。

计算模型的另一个优点是，它可以接受对车辆主要特性的修改，如空气动力学系数和换档策略，这有助于研究这些变化对涡轮增压器性能的影响。

这种方法可以确定涡轮增压器的速度分布，可以在实验室测试台上重现，使测试更接近实际操作。