张龙平，刘忠长，田径，许允

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春130025)

车用发动机大部分时间都是运转在瞬态工况中，即转速和转矩经常发生变化，所谓瞬态工况包括:转矩和转速都随时间变化;定转速变扭矩工况;定扭矩变转速工况;起动工况;停车工况等工况模式。而目前大部分发动机的研发和标定工作是基于稳态工况开展的，随着车用排放法规对瞬态排放的要求日益严格，瞬态工况下柴油机的性能劣变程度及优化问题成为了研究的重点[1-3]。

国内外大量的研究结果表明[4-11]:与稳态工况相比，瞬态工况下发动机的性能会出现明显的劣化，发动机的油耗、烟度以及CO排放急剧升高，而造成发动机瞬态工况下性能劣变的主要原因是由于供气量延迟而导致缸内的燃烧恶化，油耗和排放增加。但发动机瞬态研究成果大多是定性或者趋势性的分析其恶化的现象，缺乏对其劣变的具体大小提出明确的量化指标。而对发动机瞬变性能的劣变程度做出清晰的评价有助于研究者对发动机的瞬变性能以及不同优化控制策略的优劣情况做出快速、准确的判断。

为此，本文对一台重型车用增压柴油机开展了不同瞬变时间加载过程的试验分析，探讨性的提出了用以表征瞬变过程中发动机性能参数延迟程度的评价指标——“滞后系数”和评价发动机瞬变性能恶化的评价指标——“劣变系数”以及衡量整个瞬变过程发动机瞬变综合性能的“瞬变总量”和“瞬变平均值”，力求全面、清晰的对发动机瞬变性能做出评价。

1 发动机瞬态工况及试验方法

1.1 发动机瞬态测试工况分析

所谓瞬态工况包括:扭矩和转速都随时间变化的工况、定转速变扭矩工况;定扭矩变转速工况;起动工况;停车工况。分析ETC瞬态测试循环可知，其循环分辨率为1 s(即每1 s即变换一个工况，其工况的变化幅度很大)，测试循环的总时间为1 800 s且必须使用瞬态测试系统。但是，在发动机研发、标定过程中，若每做一次参数的改变即采用ETC测试循环验证标定的正确性和最优性需要耗费大量的人力和财力，几乎成为了不可能实现的任务。

贺淑超等人[12]根据ETC测试循环中所有工况的瞬变性，得出了各类工况在整个测试循环中的权重，如图1所示。

图1 ETC测试循环中各类工况所占百分比Fig.1 Percentage of all operation conditions in the European Transient Cycle

可以得出，在ETC测试循环中恒转速变扭矩工况和稳态工况所占的比例最大，分别达到了42.66%和30.22%，而恒扭矩变转速工况占10.55%。如果除去稳态工况，恒转速变扭矩工况的时间比例更高达61.13%，因此，它是ETC测试循环中最重要的瞬态工况。

恒转速变扭矩瞬态工况包括恒转速增扭矩和减扭矩2种工况且二者权重相当，根据前期试验结果显示，瞬变过程中发动机性能恶化主要发生在加载过程，而在降负荷阶段发动机性能甚至优于稳态(见图2所示，以烟度排放为例，因为瞬态工况下烟度变化最敏感)，因此，本文以恒转速增扭矩的瞬态工况作为试验工况，以验证评价指标的适用性。

图2 发动机恒转速(1 650 r/min)变扭矩瞬态工况下的烟度排放Fig.2 Engine smoke emission under constant speed(1 650 r/min)changing torque transient operation conditions

1.2 瞬态工况试验方法

对于完整的ETC瞬态循环的测试或研究，要求试验台架必须具有高响应性能和反拖能力的电力测功机及其他高响应高精度的测试设备。但是，根据上述分析，在实际的研究过程中可以按照瞬态工况的特性将ETC循环简化为可用普通电涡流测功机测量的几个重要的稳态工况和几个典型的瞬态工况(如恒转速、恒扭矩工况，其中恒转速增扭矩工况最为重要)的测试方法，从而极大的简化瞬态工况的研究过程、降低研究成本且使研究策略更具针对性。

典型的瞬态工况测试平台的示意图如图3所示，该试验平台采用瞬态油门电压控制器精确调节油门电压信号，同时配合具有恒转速和恒转矩控制的电涡流测功机可实现ETC瞬态测试循环中发动机典型且权重较大的恒转速和恒扭矩瞬态工况。测量系统采用具有高响应速率传感器和测试设备及高速A/D采集卡(毫秒级精度)，实现对发动机转速、扭矩、燃油量、缸内燃烧参数、进气流量、消光式烟度、进排气压力及温度和尾气排放等参数的实时测量和采集。另外，利用ECU采集喷油量，同时与油耗仪测量值相互校正，可以大大提高燃油消耗量的测试精度和响应速度。

笔者所用的发动机是一台高压共轨、增压中冷柴油机，其主要参数见表1所示。恒转速增扭矩的瞬态工况保持转速(1 650 r/min)不变，油门从该转速下的零负荷匀速增加到满负荷，加载时间分别为3、5、7和10 s，具体的瞬变加载策略如图4所示。

图3 瞬态试验测控平台示意图Fig.3 Schematic of diesel engine testing bench

表1 试验发动机基本参数Table 1 Diesel engine specifications

图4 瞬变过程负荷加载策略示意图Fig.4 Schematic of loading strategies

2 柴油机瞬态工况性能评价

2.1 柴油机瞬态工况动态响应评价

文献资料[6]及前期的试验结果表明，在瞬态工况下，由于增压器以及缸壁热力状态相对供油量延后导致发动机瞬态性能恶化以及其他性能参数响应滞后。因此，为了客观的评价瞬态工况中各性能参数的响应速率，作者以油量响应时间作为标准(因为喷油量代表发动机的工况，并且受操作者直接控制)，定义了“滞后系数”这一评价指标，所谓“滞后系数”就是某性能参数的响应时间以供油响应时间作为标准值的相对偏差:

式中:δ为某参数的滞后系数，tx为某性能参数的响应时间，tf为供油的响应时间。

当滞后系数小于零时，表示该性能参数的响应速度比供油响应速度快;当滞后系数为零时，表示该性能参数与供油的响应速率一致;当滞后系数大于零时，表示该性能参数的响应速度慢于供油响应速率，且值越大，表示该性能参数的响应越慢。

以性能参数响应到最大值的90%时为例，分析发动机主要性能参数的滞后系数这一评价指标随加载时间的变化规律，见图5所示(其他响应点，如50%，评价和分析方法类似)。相同加载时间下扭矩、进气量和NOx的滞后系数依次增大。扭矩响应最快，这是由于扭矩的响应速度主要依靠喷油响应速度，以及缸内燃烧决定，且二者的响应时间都可以达到循环级的响应速率。进气量的响应速率则主要依靠增压器的动态响应性能，同时还受进排气管的容积、气体可压缩性的影响，因此，其滞后系数较供油量增大。由于每循环的进气量与压缩终点的压力直接相关，从而影响缸内的最大爆发压力，所以Pmax与进气量的滞后系数几乎一致。而NOx的排放需要在以上参数以及缸壁热力状态响应接近完成才能达到稳定，因此NOx的滞后系数最大，其中加载时间为3 s时 NOx的滞后系数最大，达到了3.06。

另外，各参数的滞后系数随加载时间的增加而减少，这是因为同转速下，随着加载时间的增加，发动机具有更多的时间克服增压器的延迟以及缸壁的热惯性现象，降低了瞬变过程中供气和缸内热力参数相对供油速率的延迟程度，从而使各参数的滞后系数减小，发动机的燃烧和排放性能得到优化。

图5 油量响应到90%，主要性能参数滞后系数对比Fig.5 Comparison of lag coefficients during different transient operations when the fuel consumption response to 90%maximum

2.2 柴油机瞬态工况性能劣变评价

由于在加载过程中发动机的性能存在明显的劣变，其中主要包括AFR降低，比油耗、烟度及CO排放急剧增加，燃烧相位延后等劣变现象，但NOx排放降低[1-8]。为了量化各性能参数的劣变程度，提出利用“劣变系数”评价发动机在加载过程中性能劣变的程度，所谓“劣变系数”就是某性能参数的瞬态值以稳态值作为标准值的相对偏差的绝对值:

式中:ψ为某性能参数的劣变系数，μt为某性能参数在瞬态工况下的值，μs为某性能参数在相同喷油量条件下稳态工况的值。

当劣变系数等于零时，表示该性能参数在瞬变过程中没有发生劣变，且劣变系数越大，表示发动机瞬变性能恶化越严重。由于在瞬变过程中NOx排放没有发生劣变，因此，劣变系数不对该性能参数进行评价。同样，以瞬变过程中90%满负荷时主要性能参数的劣变系数为例，分析总结了劣变系数随加载时间的变化规律，如图6所示。

图6 90%满负荷下发动机主要性能参数劣变系数对比Fig.6 Comparison of deterioration coefficients during different transient operations under 90%full load

可以得出，在瞬态工况下，随着加载时间的减小，各性能参数的劣变系数越大;这是由于随着加载时间的减少，供油速率增快，供气速率相对供油速率的滞后系数增大(见图5)，造成空燃比下降越快，从而导致燃烧质量下降，比油耗、烟度和CO的劣化系数也随之逐渐增大，其中烟度和CO的劣变现象最明显。

2.3 柴油机瞬态工况性能综合评价

为了综合评价整个瞬变过程发动机的性能情况，本文提出了“瞬变平均值”这一评价指标，所谓“瞬变平均值”就是某性能参数在整个瞬变过程的积分值(也称“瞬变总量”)与加载时间的比值，见式(3)～(5)，其评价点着眼于整个瞬变过程。

在瞬态工况下，随着加载时间的增大燃油的瞬变总量增加，但是瞬变平均值减少;碳烟和CO排放的总量和平均值都随之降低，而NO的趋势则刚好相反，如图7所示。

图7 发动机主要性能参数瞬变总量和瞬变平均值变化规律Fig.7 The variation of“transient total”and“transient average”

随着加载时间的减小，发动机的比油耗、烟度及CO的劣化程度增加(如图6所示)，因此，在各自的加载过程中各性能参数的瞬变平均值随加载时间的减小而增大;但对于整个加载过程，燃油消耗总量和总排放量还与累积时间有关，所以随加载时间的减少，虽然比油耗的瞬变平均值增大，但是由于加载过程短且比油耗的劣变系数较小，因此，总燃油消耗量则随加载时间的减小而减少。

但CO和烟度排放随着加载时间的减小其劣化程度成倍增加(见图6(b))，即使在较短的瞬变过程中，也会因为劣变程度过大造成总排放随之增大。在瞬变过程中NOx的排放降低，且随加载时间的减少而降低，因此，随着加载时间的减少，NOx的瞬变总量和瞬变平均值都减小。

综上所述，对于整个加载过程而言，瞬变越快虽然会造成碳烟和CO排放的瞬变总量增大，但是燃油和NOx的瞬变总量却随之降低。因此，瞬变过程中的加载速度、总燃油耗量及NOx总排放量与碳烟和CO总排放量存在明显的折衷关系。

3 结论

1)发动机恒转速增扭矩的工况可以作为瞬态研究的典型工况且能通过普通的电涡流测功机实现工况控制，能降低研究成本。

2)滞后系数、劣变系数、瞬变总量及瞬变平均值4个评价指标能较全面、清晰的判断出整个瞬变过程柴油机的性能优劣情况。

3)滞后系数和劣变系数能对瞬变过程中柴油机性能参数的延迟和恶化程度做出直观的评价，随着加载时间的减小，各性能参数的滞后系数和劣变系数逐渐增大。

4)由瞬变总量可以得出，对于整个加载过程而言，加载速度、总燃油耗量及NOx总排放量与碳烟和CO总排放存在明显的折衷关系，值得深入研究。

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