□ 壽 磊 □ 余旭東 □ 謝栩聰 □ 張衛(wèi)波

1.上汽大眾汽車有限公司寧波分公司 浙江寧波 315300 2.福州大學 機械工程及自動化學院 福州 350116

1 設計背景

傳統(tǒng)的自然吸氣發(fā)動機沒有對排氣余熱進行回收,導致有30%～40%的能量損失在廢氣中[1]。渦輪增壓器能夠通過從廢氣中獲取能量,幫助增大發(fā)動機的進氣壓力,使發(fā)動機的熱效率更高。隨著消費者對車輛動力、經濟性要求的提升,以及各國廢氣排放法規(guī)的日趨嚴格,渦輪增壓技術被廣泛應用于發(fā)動機[2]。在實際應用中,渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配始終存在問題[3],在發(fā)動機冷啟動或處于低速工況時,存在渦輪瞬態(tài)響應不及時、加速冒黑煙的現(xiàn)象。產生以上現(xiàn)象的主要原因為,發(fā)動機是常見的容積式機械,活塞在往復運動時產生正壓與負壓,正壓用于排氣,負壓用于吸氣,從而使進入氣缸內的空氣處于一種脈動式間歇運動狀態(tài),而渦輪增壓器是葉片機械[4],壓氣機吸氣增壓時空氣處于一種連續(xù)、相對穩(wěn)定且無脈動的流動狀態(tài),兩種空氣的運動狀態(tài)不匹配。此外,渦輪的轉動慣量較大,而渦輪增壓器與發(fā)動機之間只有氣動連接[5],變工況時壓力波傳遞速度較慢,所以響應速度較慢。為了解決當前渦輪增壓技術存在的問題,響應速率快和安裝便捷的電增壓技術脫穎而出。在內燃機渦輪處于遲滯階段時,電動機帶動壓氣機或廢氣渦輪進行快速補氣,縮短遲滯時間,提高加速性能,并改善排放性[6]。

雙增壓系統(tǒng)憑借響應快速、工作靈活的特性,引起各國內燃機工作者的研究興趣。小型乘用車一般使用電輔助增壓系統(tǒng),將電機直接與廢氣渦輪連接[7],這一連接方式存在機構復雜、發(fā)動機成本高等缺點,難以在大排量渦輪增壓柴油發(fā)動機中應用[8]。由此,筆者采用高速電機獨立驅動壓氣機進氣的電動增壓系統(tǒng)。姚春德等[8]針對渦輪增壓柴油發(fā)動機在急加速工況下進氣量跟不上油量的變化速率,導致氣缸中燃燒不良,煙度排放惡化的情況,通過并聯(lián)電動增壓子系統(tǒng)增大加速時的進氣量。試驗結果表明,電動增壓器在恒轉矩加速和恒轉速加載兩種瞬態(tài)工況下能夠實現(xiàn)渦輪增壓柴油發(fā)動機快速補氣,降低排放煙度,且在低轉速工況下效果尤為明顯。程小鋼等[9]通過提高并聯(lián)電動增壓變頻器的頻率來加快增壓器的轉速,進而控制進氣流量,增大柴油發(fā)動機的低轉速扭矩。試驗表明,與加裝電動增壓器前相比,扭矩增大了9%～25%。在使用增壓器的混合動力電動汽車中,由于電動增壓器可以獨立控制,因此可以更高效、自由地定義控制策略[10]。

筆者針對渦輪增壓柴油發(fā)動機低速扭矩不足、加速冒黑煙、瞬態(tài)響應特性差的問題,使電動增壓子系統(tǒng)與原廢氣渦輪增壓器形成雙增壓系統(tǒng),研究雙增壓系統(tǒng)與柴油發(fā)動機聯(lián)合工作時的特性。在研究中,通過仿真建模驗證電動增壓子系統(tǒng)與增壓器并聯(lián)時,柴油發(fā)動機中低轉速的動力性;設計電動增壓子系統(tǒng)的結構及控制策略;并基于發(fā)動機試驗臺架,進行雙增壓系統(tǒng)與柴油發(fā)動機的動力性、經濟性、排放性試驗,驗證電動增壓子系統(tǒng)的有效性。

2 雙增壓系統(tǒng)仿真模型

2.1 渦輪增壓柴油發(fā)動機技術參數(shù)

采用AVL-BOOST仿真軟件,用于建立和開發(fā)整臺發(fā)動機模型。筆者選用東風康明斯ISDe230六缸渦輪增壓柴油發(fā)動機進行雙增壓系統(tǒng)匹配設計,具體參數(shù)見表1。

表1 ISDe230渦輪增壓柴油發(fā)動機參數(shù)

筆者主要進行電動增壓子系統(tǒng)與渦輪增壓柴油發(fā)動機的匹配設計,原廢氣渦輪增壓器是柴油發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的重要組成部分,該部分參數(shù)的準確性將直接影響后續(xù)的匹配設計。為保證增壓器參數(shù)準確,將柴油發(fā)動機自帶的HE351W廢氣渦輪增壓器拆卸,安裝于渦輪增壓器性能試驗臺架進行試驗,當渦輪增壓器轉速為50 000 r/min、60 000 r/min、70 000 r/min、80 000 r/min、90 000 r/min時,采集各個轉速下的壓氣機壓比流量數(shù)據(jù),并將等效曲線集成在壓比流量特性圖上,如圖1所示。

▲圖1 壓氣機壓比流量特性圖

2.2 渦輪增壓柴油發(fā)動機仿真模型驗證

基于AVL-BOOST軟件建立渦輪增壓柴油發(fā)動機模型,得到渦輪增壓柴油發(fā)動機外特性曲線,如圖2所示。

▲圖2 渦輪增壓柴油發(fā)動機外特性曲線

由圖2可知,在整個轉速范圍內,渦輪增壓柴油發(fā)動機仿真與試驗實測得到的外特性曲線基本一致,功率和轉速的相對誤差都控制在±10%以內,因此可以認為所建立的渦輪增壓柴油發(fā)動機仿真模型可信度較高,可以進行下一步性能預測分析。

2.3 電動增壓子系統(tǒng)連接方式

電動增壓子系統(tǒng)與渦輪增壓器存在串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式。分別建立雙增壓系統(tǒng)串聯(lián)仿真模型和并聯(lián)仿真模型進行仿真運算,對比如圖3所示。

▲圖3 電動增壓子系統(tǒng)連接方式仿真結果對比

由圖3可知,在低轉速范圍內,并聯(lián)仿真模型的扭矩和功率基本都略大于串聯(lián)仿真模型,選擇并聯(lián)方式可以更好地減小進氣背壓。在中高轉速范圍內,串聯(lián)或者并聯(lián)對柴油發(fā)動機扭矩和功率的提升效果都有限。在高轉速范圍內,并聯(lián)仿真模型的扭矩和功率都大于串聯(lián)仿真模型。

綜上所述,出于減小渦輪增壓柴油發(fā)動機進氣阻力,提升動力性能的考慮,選擇電動增壓子系統(tǒng)與渦輪增壓器并聯(lián),形成雙增壓系統(tǒng),為柴油發(fā)動機在工作時進行補氣,后續(xù)設計和試驗都圍繞并聯(lián)方式進行。

3 雙增壓系統(tǒng)設計

雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)總體結構如圖4所示,主要包括逆變電源、變頻器、電控單元、電動增壓器等。電動增壓器由壓氣機、電動蝶閥和高速電機組成。逆變電源采用正弦逆變器,參數(shù)見表2,變頻器參數(shù)見表3,高速電機參數(shù)見表4。

表2 逆變電源參數(shù)

表3 變頻器參數(shù)

表4 高速電機參數(shù)

軟件控制系統(tǒng)直接影響電動增壓子系統(tǒng)的工作效果。過量空氣因數(shù)為0.4時,發(fā)動機達到火焰?zhèn)鞑ド舷?混合氣太濃,無法燃燒。過量空氣因數(shù)為1.4時,發(fā)動機達到火焰?zhèn)鞑ハ孪?混合氣太稀,也無法燃燒。因此,要嚴格控制發(fā)動機進氣歧管的進氣壓力,進而控制進氣密度和氣缸內過量空氣因數(shù)。由于發(fā)動機油門負荷變化較大,考慮到高速電機的響應速度,筆者選用穩(wěn)定性強、響應速度快的二維模糊控制[11-12]。

▲圖4 雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)總體結構

將進氣壓力的誤差和誤差變化率作為輸入量,將變頻器的變頻值作為輸出量,模糊控制的步驟如下:

(1)根據(jù)輸入的進氣壓力實測值與目標值,計算出誤差與誤差變化率;

(2)將誤差與誤差變化率模糊化,即將誤差與誤差變化率的實際變化范圍對應至負大、負中、負小、零、正小、正中、正大模糊量,再確定隸屬函數(shù)的形狀,筆者采用平滑過渡高斯型隸屬函數(shù);

(3)將模糊量導入模糊控制表,模糊控制規(guī)則為,當進氣壓力實測值遠小于目標值時,輸出的頻率值應較大,從而加快電動增壓器轉速,進而快速進行壓力補償;當誤差變化率逐漸增大時,輸出的頻率值對誤差的敏感度逐漸下降;當進氣壓力實測值大于目標值時,輸出的頻率值為零,即發(fā)送停機指令至高速電機,達到節(jié)省電能的目的;

(4)得到模糊輸出值,再對輸出值進行解模糊,得到電動增壓器的工作頻率;

(5)通過RS 485接口將得到的頻率發(fā)送至變頻器,控制電動增壓器高速電機的轉速,獲得期望的柴油發(fā)動機進氣壓力。

模糊控制規(guī)則見表5。

表5 模糊控制規(guī)則

4 試驗分析

采用如圖5所示混合增壓試驗臺架[13]進行渦輪增壓柴油發(fā)動機的動力性、經濟性與排放性試驗,驗證電動增壓子系統(tǒng)對渦輪增壓柴油發(fā)動機性能的改善效果。渦輪增壓柴油發(fā)動機的標定轉速為2 600 r/min,試驗轉速設置為800～1 500 r/min,動力性以測控儀采集到的柴油發(fā)動機扭矩與功率為指標,經濟性以油耗儀采集到的燃油消耗量為指標,排放性以煙度計與尾氣分析儀采集到的煙度和氮氧化物含量為指標。

▲圖5 混合增壓試驗臺架

4.1 動力性試驗

選取25%、50%、75%油門負荷依次表征渦輪增壓柴油發(fā)動機小、中、大負荷工況,試驗得到應用電動增壓子系統(tǒng)前后渦輪增壓柴油發(fā)動機輸出扭矩與輸出功率對比,分別如圖6、圖7所示。

▲圖6 渦輪增壓柴油發(fā)動機輸出扭矩對比

由圖6和圖7可知,在25%、50%、75%油門負荷時,雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)最多可將柴油發(fā)動機的輸出扭矩與輸出功率分別依次提高4.65%、5.11%、6.12%

▲圖7 渦輪增壓柴油發(fā)動機輸出功率對比

和5.21%、5.76%、6.90%。在75%油門負荷時,雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)技術對柴油發(fā)動機動力性提升效果最為顯著,這是因為加裝的電動增壓子系統(tǒng)可以在中低轉速范圍內為柴油發(fā)動機快速補氣,增大過量空氣因數(shù),使燃燒更為充分,提升雙增壓柴油發(fā)動機的動力性能。

4.2 經濟性試驗

在1 200 r/min和1 400 r/min轉速下對應用電動增壓子系統(tǒng)前后渦輪增壓柴油發(fā)動機的燃油消耗量進行對比,如圖8所示。

▲圖8 渦輪增壓柴油發(fā)動機燃油消耗量對比

隨著柴油發(fā)動機負荷的增大,燃油消耗量逐漸減小,相同負荷情況下,雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)能明顯減小渦輪增壓柴油發(fā)動機的燃油消耗量,且在中、高負荷時效果更為顯著。由圖8可知,在200～500 N·m扭矩范圍內,應用電動增壓子系統(tǒng),渦輪增壓柴油發(fā)動機在1 200 r/min、1 400 r/min轉速下,燃油消耗量最大可分別減小4.58%和5.52%。

4.3 排放性試驗

應用電動增壓子系統(tǒng)前后渦輪增壓柴油發(fā)動機的煙度對比如圖9所示。

▲圖9 渦輪增壓柴油發(fā)動機煙度對比

由圖9可知,應用電動增壓子系統(tǒng)前,渦輪增壓柴油發(fā)動機在中、低負荷時的煙度較小,煙度隨負荷的增大而增大;應用電動增壓子系統(tǒng)后,渦輪增壓柴油發(fā)動機在1 200 r/min和1 400 r/min轉速下排放煙度有顯著減小;在高負荷時,1 200 r/min、1 400 r/min轉速下應用電動增壓子系統(tǒng),渦輪增壓柴油發(fā)動機煙度的最大下降率分別可達58%和66%。

應用電動增壓子系統(tǒng)前后渦輪增壓柴油發(fā)動機氮氧化物排放量對比如圖10所示。

▲圖10 渦輪增壓柴油發(fā)動機氮氧化物排放量對比

雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)能夠快速補氣,使渦輪增壓柴油發(fā)動機氣缸內的瞬態(tài)過量空氣因數(shù)增大,降低燃燒室壁面溫度和缸內壓力,抑制氮氧化物的生成。由圖10可知,在1 200 r/min、1 400 r/min轉速下,應用電動增壓子系統(tǒng),渦輪增壓柴油發(fā)動機氮氧化物排放量最大下降率達到10.5%和14.8%。

5 結束語

筆者針對渦輪增壓柴油發(fā)動機冷啟動或低速運行時存在的不足,對電動增壓子系統(tǒng)進行匹配設計,提出雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)為渦輪增壓柴油發(fā)動機快速補氣的解決方案。

仿真結果表明,在低轉速范圍內,雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)仿真模型的輸出扭矩和輸出功率都略大于串聯(lián)仿真模型。

以渦輪增壓柴油發(fā)動機進氣壓力為控制目標,采用模糊控制器實時控制電動增壓器的轉速,能夠使渦輪增壓柴油發(fā)動機得到期望的進氣壓力,提高渦輪增壓柴油發(fā)動機的低速性能。

基于混合增壓試驗臺架,分別進行了渦輪增壓柴油發(fā)動機動力性、經濟性、排放性試驗。試驗結果表明,應用電動增壓子系統(tǒng),渦輪增壓柴油發(fā)動機低速工況的性能有明顯提升,其中動力性最大提高了6.9%,燃油消耗量最大降低了5.52%,同時最大減少66%的碳煙排放和14.8%的氮氧化物排放。試驗結果充分驗證了筆者所設計的電動增壓子系統(tǒng)的可行性。