蒸汽輔助渦輪對增壓汽油機瞬態響應特性影響的模擬

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加速工況時的瞬態響應特性，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，采用GTPower軟件分別建立并標定了蒸汽輔助渦輪增壓與廢氣渦輪增壓的仿真模型.針對該汽油機的常用轉速2000 r/min，研究了各種蒸汽參數對增壓系統及汽油機性能的影響.結果表明，在2000 r/min時的加速工況，蒸汽輔助渦輪能使汽油機加速遲滯時間縮短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的加速性和動力性.

關鍵詞：汽油機；渦輪增壓；余熱回收；瞬態響應；渦輪遲滯

中圖分類號：TK402 文獻標識碼：A

廢氣渦輪增壓是提高發動機動力性和經濟性的一種重要方式.它利用發動機排氣能量驅動增壓器壓縮進氣，通過提高發動機進氣密度增加每循環的氣缸進氣量，從而實現減小發動機排量、強化發動機功率、改善燃油經濟性等多重目的＼[1-2＼].鑒于廢氣渦輪增壓的多重優點，現代柴油機基本上都配備了該技術，并且開始逐漸向汽油機推廣應用，成為了汽油機節能的主要技術之一＼[3＼].雖然傳統廢氣渦輪增壓技術得到了不斷進步和完善，但在汽油機上應用還有一些技術瓶頸.由于汽油機的轉速范圍寬廣、并且通過節氣門對進氣實現量調節，導致渦輪增壓器的工作點在很大流量范圍內移動，于是增壓器的響應特性成為了評價其性能的一個重要指標.另一方面，人們對汽車和發動機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價其動力性的重要指標.對于增壓發動機，汽車的加速性最終反映在發動機增壓器的瞬態響應特性上.

當發動機從一個工況變化到另一個工況時，增壓器工作狀態要經歷一段時間才能重新與發動機匹配好，達到新的平衡狀態，這個過程經歷的時間就是增壓器的“遲滯效應（Turbolag）”＼[4-5＼].這是由發動機空氣回路系統的彈性緩沖作用以及增壓器本身的性能（克服轉動慣量加、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動機瞬態響應特性的主要因素，而這種“滯后性”在汽油機上表現得更加明顯.增壓器的瞬態響應特性是發動機（尤其是汽油機）增壓技術急需解決的一個難題.國內外許多學者進行了較為深入的研究，提出了諸如優化增壓控制策略＼[5＼]、采用可變噴嘴渦輪＼[6＼]、二級增壓＼[7＼]等方法改善其瞬態響應特性.陸犇等提出了一種注汽渦輪增壓柴油機系統用于改善增壓器動力性，并研究了汽氣比對進氣增壓比的影響＼[8＼].本文從內燃機余熱回收的角度，提出了采用廢氣余熱能改善渦輪增壓器加速扭矩特性，從而達到改善增壓汽油機瞬態響應性能的目的.

湖南大學學報（自然科學版）2015年

第4期付建勤等：蒸汽輔助渦輪對增壓汽油機瞬態響應特性影響的模擬

1 渦輪增壓的響應特性

1.1 廢氣渦輪響應特性分析

目前車用汽油機廣泛采用的廢氣渦輪增壓系統由渦輪機與壓氣機所構成，圖1為其原理圖.汽油機的高溫高壓（相對于環境壓力）排氣通往渦輪，在渦輪中膨脹做功并驅動壓氣機壓縮進氣.

汽油機采用的是量調節，節氣門的變化引起進氣充量的變化，進氣充量進入氣缸經歷壓縮、膨脹、排氣等過程后，然后以廢氣形式進入渦輪；廢氣參數的變化使渦輪的工作性能發生變化，進而引起壓氣機工作性能的變化，如此經歷多個工作循環后，渦輪、壓氣機和發動機的工作狀態重新達到平衡，最終使進氣壓力趨于目標增壓壓力，汽油機扭矩達到目標值.在節氣門打開的瞬間，進氣壓力最多只能達到標準大氣壓力.節氣門全開后，發動機的扭矩提升速率取決于進氣壓力的提升速率，而后者不但受增壓器轉動慣量、進排氣系統容積等發動機設計參數的限制，還在很大程度上取決于渦輪功率.也就是說，節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間，于是導致傳統汽油機廢氣渦輪增壓會產生遲滯.

（1）渦輪 （2）壓氣機 （3）中冷器 （4）節氣閥 （5）發動機

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

為改善汽油機廢氣渦輪增壓的加速響應特性，提出了蒸汽輔助渦輪增壓的概念，其原理如圖2所示.在傳統廢氣渦輪增壓汽油機的排氣系統上，耦合一套汽油機廢氣余熱驅動的蒸汽發生系統.在該蒸汽發生系統中，工質水先經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，蒸汽經單向閥進入儲氣箱；一定量的高壓蒸汽經蒸汽閥噴入渦輪入口，通過增加渦輪入口的工質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償渦輪的工質流量來調節其渦輪輸出功率.由于其能量來源于廢氣余熱，而不需要其他額外輔助動力，相比機械輔助渦輪增壓或電動輔助渦輪增壓，具有明顯的節能效果.

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

（7）渦輪 （8）壓氣機 （9）中冷器 （10）節氣閥 （11）發動機

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）加速工況時，節氣門和蒸汽閥同時打開，這樣就可以立即補充渦輪的工質、提升渦輪工作壓力，增加渦輪輸出功率，進而改善增壓系統性能以及汽油機的瞬態響應特性.

圖3為工質水（水蒸氣）的Ts圖（圖中粗實線為工質的相變線，細線描述工質熱力過程的變化），它描述了蒸汽輔助渦輪增壓的工質熱力過程.其中，1點為工質水從水箱流出的初始狀態（初始壓力為1 bar）；1-2過程為工質水在液壓泵中的加壓過程，2點為工質水加壓之后的狀態，經液壓泵加壓后，工質獲得一定的噴射壓力；2-3-3為工質水在換熱器中的加熱過程；其中，2-3為工質水的蒸發過程，3-3為飽和水蒸氣的過熱過程；3點為水蒸氣過熱后的狀態；經過1-2-3-3過程，工質水由常壓下的液態變為較高壓力下的過熱蒸汽狀態；3-4為水蒸汽噴射后的膨脹過程.

2 發動機工作過程模擬計算

2.1 仿真模型建立及試驗校準

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.該發動機的基本參數如表1所示.按照該發動機的幾何結構參數和管道布置形式，并參考性能試驗數據，建立其GTPower仿真模型，如圖4所示.建模時對一些復雜管道進行了相應的簡化處理，模型進出口邊界條件設置為標準環境大氣狀態，機械摩擦損失、燃燒效率、空燃比、進排氣閥流量系數等均由實驗數據標定.

渦輪增壓

為了驗證該模型的計算精度，采用試驗數據對其進行標定.圖5為仿真模型的計算結果與實驗數據的對比.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時缸壓的對比.由圖可見，在全轉速范圍內，實測結果和模擬計算結果非常接近，表明該模型具有較高的精度，可以對該發動機性能進行精確預測.

2.2 蒸汽輔助渦輪增壓計算

表2給出了蒸汽輔助渦輪增壓的計算邊界條件.針對原廢氣渦輪增壓汽油機的常用加速工況進行研究.工況點選擇低轉速的2 000 r/min，即汽油機初始轉速固定在2 000 r/min；瞬態過程：T=0～2 s，保持怠速；T≥2 s，節氣門全開，增壓系統全負荷運行，如圖6所示.蒸汽噴射壓力和溫度分別設置為5 bar和600 ℃.根據原廢氣渦輪增壓汽油機的排氣參數，通過能量平衡計算出有效蒸汽產生速率（即有效蒸汽流量范圍），在此基礎上初設蒸汽噴射速率為5 g/s.在原廢氣渦輪增壓汽油機的GTPower模型上，添加了相應的蒸汽噴射模塊和瞬態數據監控模塊，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算模型，并對目標工況點進行模擬計算.然后，根據蒸汽輔助渦輪增壓汽油機的排氣參數計算結果，通過能量平衡方程對之前初設的蒸汽參數進行校核，保證其在有效范圍之內.

3 結果及分析

3.1 蒸汽輔助渦輪對汽油機瞬態性能的影響

圖7為原增壓汽油機和蒸汽輔助渦輪增壓汽油機的扭矩瞬態響應特性對比.圖中標識了原增壓汽油機在設定工況下（2 000 r/min、急加速）的目標扭矩.從圖中可以看到，原增壓汽油機的瞬態響應特性大約為0.98 s；采用蒸汽輔助渦輪增壓后，該汽油機的響應特性大大提高，達到目標扭矩只需0.51 s，渦輪遲滯時間減少48.0%，并且汽油機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的瞬態響應特性、解決廢氣渦輪增壓器遲滯效應的難題.

時間/s

在廢氣渦輪增壓系統中，渦輪是動力源.由于渦輪和壓氣機同軸剛性連接，二者幾乎不存在傳遞時間差，所以渦輪的響應特性決定了整個增壓系統的響應特性.在發動機啟動和加速工況時，如果能在瞬間使渦輪的輸出功率達到目標值，那么相應地就會在極短時間內使進氣增壓壓力達到目標值.由渦輪輸出功率的計算式可以知道，決定其輸出功率的因素很多，有排氣（工質）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流量得到補償，間接還會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所示為增壓汽油機排氣壓力的瞬態響應特性對比.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所示為渦輪的工質流量隨時間的變化關系.可以看到，隨著蒸汽的噴射，渦輪工質流量急劇增加，但是后來隨著增壓壓力立刻達到目標值，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間的變化關系.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%.這是因為在節氣門和蒸汽噴射閥打開后，渦輪工質流量急劇增加，使渦輪的實際工作點在效率MAP圖上發生躍遷，向高效率區移動.也就是說，可以通過噴射蒸汽改變渦輪的工質流量進而改善其工作效率.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，最終使汽油機的渦輪瞬態響應時間急劇減小.

3.2 蒸汽參數的影響

接下來，進一步分析蒸汽參數對增壓汽油機瞬態響應特性的影響.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的瞬態響應特性如圖12所示.可以看到，隨著蒸汽溫度的增加，雖然增壓器的瞬態響應時間會減小，但是變化很小.也就是說，改變蒸汽溫度對增壓汽油機的瞬態響應影響不大.這是因為蒸汽溫度的變化對渦輪工質（汽油機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，增壓器的瞬態響應特性變化較為明顯，如圖13所示.這是因為蒸汽流量的變化對渦輪工質的流量影響較大，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勢.

4 結 論

提出了一種新的汽油機排氣能量利用方式——蒸汽輔助渦輪增壓.它利用汽油機排氣能量產生蒸汽，用以補償渦輪在加速工況時的工質；通過噴射蒸汽使渦輪的工質流量、工作壓力、效率等參數瞬間增大，從而使渦輪輸出功率瞬間得到明顯提升，進而改善增壓汽油機的瞬態響應特性.

在轉速為2 000 r/min的加速工況，增壓器的遲滯時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的最大加速扭矩提升了9.7%，有效改善了增壓汽油機的加速特性.

在汽油機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瞬態響應特性的效果更加明顯.

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