相繼增壓柴油機(jī)瞬態(tài)切換噴油策略

王銀燕，于恩程

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

近年來(lái)，隨著對(duì)柴油機(jī)高動(dòng)力性、高經(jīng)濟(jì)性、低排放性的不斷追求，促使采用增壓技術(shù)，增壓器向高增壓比的方向發(fā)展，但由于渦輪增壓器和柴油機(jī)工作特性不同，串聯(lián)運(yùn)行存在著變工況匹配問(wèn)題，普通的渦輪增壓系統(tǒng)很難兼顧柴油機(jī)的高、低工況性能的要求.目前逐漸被船舶柴油機(jī)廣泛應(yīng)用的相繼增壓系統(tǒng)(sequential turbocharging，STC)，可以在較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與柴油機(jī)匹配，是改善高增壓柴油機(jī)部分負(fù)荷性能的一個(gè)有效技術(shù)途徑［1］.

雖然相繼增壓系統(tǒng)在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，可以有效提高柴油機(jī)功率、降低燃油消耗率以及減少排放，但是在增壓器的切換過(guò)程中，不合理的噴油量控制策略，會(huì)導(dǎo)致切換過(guò)程增壓器喘振，并伴隨著轉(zhuǎn)速波動(dòng)、排放惡化.因此，切換過(guò)程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、增壓器運(yùn)行不夠穩(wěn)定，可能產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲、排放惡化等現(xiàn)象.

本文通過(guò)采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，對(duì)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)噴油參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)探究合理的相繼增壓柴油機(jī)切換過(guò)程噴油策略，進(jìn)而達(dá)到改善切換過(guò)程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化等不穩(wěn)定現(xiàn)象的目的.

1 柴油機(jī)相繼增壓仿真模型的建立

由于相繼增壓系統(tǒng)對(duì)切換閥門等關(guān)鍵零部件的性能及其測(cè)控系統(tǒng)精度等要求較高，使得當(dāng)前針對(duì)相繼增壓系統(tǒng)的研究主要以仿真計(jì)算手段為主，尤其是對(duì)相繼增壓系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程的研究［2］.

本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件GT-Power建立TBD234V12相繼增壓柴油機(jī)仿真模型.其中，缸內(nèi)燃燒模型采用準(zhǔn)維模型，因其考慮了缸內(nèi)的非均勻性，故可以準(zhǔn)確地模擬燃燒過(guò)程并計(jì)算燃燒過(guò)程中產(chǎn)生有害排放物的生成率.

1.1 相繼增壓柴油機(jī)仿真模型的建立

本文所研究的對(duì)象是MWM公司的TBD234 V12柴油機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如表1所示.TBD234V12柴油機(jī)采用脈沖增壓方式，其A列與B列增壓器均為同一型號(hào)的J100徑流式渦輪增壓器，且采取了進(jìn)氣中冷措施以提高進(jìn)氣密度，該機(jī)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示.

表1 柴油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)Table 1 The main structural parameters and performance parameters of the diesel engine

圖1 TBD234V12柴油機(jī)相繼增壓示意Fig.1 Schematic diagram of TBD234V12 sequential turbocharging engine

采用模塊化的方法建模［3］.對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)建模，以柴油機(jī)質(zhì)量流動(dòng)為順序，依次建立進(jìn)氣管、渦輪增壓器、中冷器、氣缸、曲軸箱、排氣管等模型模塊.從圖2可以看出，柴油機(jī)在標(biāo)定工況下，缸內(nèi)壓力變化曲線的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)示功圖形狀基本吻合，仿真計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確.

圖2 標(biāo)定工況下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力計(jì)算與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比Fig.2 Comparison of the engine cylinder pressure curves by calculating and measuring in calibration conditions

對(duì)TBD234V12常規(guī)脈沖增壓模型按照標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳特性運(yùn)行進(jìn)行了計(jì)算，選取25%、50%、75%、90%、100%負(fù)荷，與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別是1 134、1 429、1 636、1 739、1 800 r/min.圖3為柴油機(jī)有效功率、有效油耗、進(jìn)氣壓力、渦輪出口排氣溫度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，從圖中可以看出，不同工況下各性能參數(shù)變化趨勢(shì)基本吻合，說(shuō)明柴油機(jī)模型邊界條件設(shè)置合理，進(jìn)一步說(shuō)明了模型的正確性.

圖3 柴油機(jī)性能參數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比曲線Fig.3 Comparison of the performance parameter curves at the turbine outlet by calculating and measuring

1.2 相繼增壓系統(tǒng)切換條件的確定

在柴油機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳特性運(yùn)行時(shí)，基于有效油耗最低化的原則，為柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)選擇狀態(tài)切換點(diǎn)［4］.柴油機(jī)各運(yùn)行狀態(tài)下的燃油消耗率如圖4所示.本文選擇柴油機(jī)切換轉(zhuǎn)速為1 429 r/min.

圖4 STC柴油機(jī)各運(yùn)行狀態(tài)下的有效油耗Fig.4 Effective fuel consumption of sequential turbocharging diesel in each operation condition

2 STC瞬態(tài)過(guò)程的仿真計(jì)算

在所建立的柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)性能仿真模型的基礎(chǔ)上建立了相繼增壓瞬態(tài)仿真模型，并通過(guò)添加調(diào)速器模型來(lái)控制柴油機(jī)的瞬時(shí)噴油量.

2.1 瞬態(tài)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

2.1.1 調(diào)速器控制模型

PID控制器是由比例作用、積分作用、微分作用組合而成［5］.一般的工程應(yīng)用中，往往只進(jìn)行PI控制，不需進(jìn)行D控制［6］.本文柴油機(jī)調(diào)速器采用PI控制模型，其控制方程為

式中:u(t)表示調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即齒條位移量，e(t)表示調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)，即轉(zhuǎn)速偏差量，Kp表示比例系數(shù)，Ti表示積分時(shí)間常數(shù).

PI控制的基本過(guò)程如圖5所示，控制器在受到干擾的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)噴油量來(lái)控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，以滿足調(diào)速特性需要.PID控制的關(guān)鍵是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況確定最佳噴油量，以與進(jìn)氣量相匹配，使空燃比最佳.

圖5 PI控制的基本過(guò)程Fig.5 Process diagram of PI＇s control

2.1.2 曲軸動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)原理［7］，在瞬態(tài)過(guò)程計(jì)算中，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率可表示為

式中:Je表示柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，JVB表示負(fù)載的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Me表示柴油機(jī)有效輸出扭矩，MVB表示負(fù)載扭矩.

曲軸的輸出扭矩為

式中:gf表示燃油消耗率，Hu表示燃油低熱值，ηe表示機(jī)械效率.

2.2 相繼增壓瞬態(tài)仿真模型的建立與計(jì)算

對(duì)TBD234V12STC柴油機(jī)瞬態(tài)模型按照標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳特性Ne=Cn3運(yùn)行進(jìn)行了計(jì)算，以時(shí)間作為閥門的控制信號(hào)，在12 s時(shí)受控增壓器燃?xì)忾y開(kāi)(exhaust valve opening，EVO)，切換延遲時(shí)間為1 s，閥門開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間為0.000 1 s，在13 s時(shí)受控增壓器空氣閥開(kāi)(air valve opening，AVO)［8-9］.仿真計(jì)算得出的柴油機(jī)主要參數(shù)變化曲線如圖6所示.

圖61 TC到2TC切換1s延遲柴油機(jī)性能參數(shù)變化曲線Fig.6 Switching from 1TC to 2TC，the amount curve of performance parameter in 1 s

由圖6可以看出，受控增壓器切入，燃?xì)忾y開(kāi)啟后，由于部分排氣用于驅(qū)動(dòng)受控渦輪，氣缸排氣背壓減少，燃燒充分，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升.此時(shí)，調(diào)速器通過(guò)其轉(zhuǎn)速感應(yīng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)轉(zhuǎn)速的增加自動(dòng)減少相對(duì)齒條位移，即隨著轉(zhuǎn)速的增加而減少噴油量，但由于空氣閥門仍處于關(guān)閉狀態(tài)，使進(jìn)入氣缸的空氣量跟不上噴油量變化速率，缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)急劇下降，燃燒不完全，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加到1 446 r/min后便開(kāi)始下降，但由于調(diào)速器的調(diào)節(jié)始終滯后轉(zhuǎn)速變化，相對(duì)齒條位移繼續(xù)下降，直到轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低Δt后，相對(duì)齒條位移才開(kāi)始增加，即供油量增加，直到轉(zhuǎn)速降低到最低點(diǎn)1 412 r/min，相對(duì)齒條位移仍繼續(xù)上升.空氣閥開(kāi)啟后，由于增壓壓力增加，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升，相對(duì)齒條位移延遲Δt'后開(kāi)始下降，最后柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在2TC狀態(tài)穩(wěn)定.

由此可以看出，調(diào)速器的調(diào)速過(guò)程只是根據(jù)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)變化來(lái)被動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，并不能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制并從根本上限制相繼增壓切換時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)變化.

3 瞬態(tài)過(guò)程噴油規(guī)律的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

切換過(guò)程的噴油量控制策略是通過(guò)對(duì)噴油量的調(diào)整和優(yōu)化，最終反應(yīng)到整個(gè)切換過(guò)程的穩(wěn)定性上.本文基于多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)噴油量控制策略進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速波動(dòng)和碳煙、NOx排放生成的目的.

對(duì)于傳統(tǒng)直列泵燃油系統(tǒng)，為尋求比PID控制更為合理的STC切換過(guò)程噴油策略，設(shè)計(jì)并模擬了瞬態(tài)調(diào)速裝置.由于變量較多，以及反復(fù)調(diào)用GTPower計(jì)算，人工操作的工作量較大.為了提高計(jì)算效率，采用多目標(biāo)優(yōu)化軟件mode FRONTIER與GTPower軟件耦合的方法，來(lái)對(duì)噴油量控制策略進(jìn)行優(yōu)化.

STC瞬態(tài)切換噴油規(guī)律的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

式中:fNOx表示NOx排放量，fSOOT表示SOOT排放量，fn表示轉(zhuǎn)速波動(dòng)量，J(k)表示循環(huán)噴油量，p表示最高燃燒壓力，plim表示最高燃燒壓力限值，dp/dφ表示缸內(nèi)壓力升高率，Mlim表示缸內(nèi)壓力升高率限值，ge表示燃油消耗率，gelim表示燃油消耗率限值，T表示尾氣溫度，Tlim表示尾氣溫度限值.

首先進(jìn)行DOE正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用較少的試驗(yàn)量得到各參數(shù)的影響情況，確定參數(shù)的主次順序，同時(shí)在DOE的基礎(chǔ)上采用具有較好搜索能力的二代多目標(biāo)遺傳算法(multi-objective genetic algorithmⅡ，MOGAⅡ)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算［10-12］.

計(jì)算得出的相關(guān)性矩陣圖顯示輸入、輸出變量之間的相關(guān)系數(shù)和分布情況如圖7所示.顏色越深的區(qū)域，變量之間相關(guān)性系數(shù)(－1.0～1.0)越大，變量相互影響越大.由圖7可以看出，在切換過(guò)程中某時(shí)刻的碳煙及NOx生成量不僅與該時(shí)刻的循環(huán)噴油量緊密相關(guān)，而且受上一時(shí)刻循環(huán)噴油量的影響更加顯著，EVO至AVO期間內(nèi)循環(huán)噴油量的變化值對(duì)碳煙的生成量的影響最大.

圖7 排放物與循環(huán)噴油量的相關(guān)性系數(shù)矩陣圖Fig.7 Matrix of correlation coefficient between emission and the fuel injection quantity per cycle per cylinder

由于優(yōu)化目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目較多，故利用并行折線圖，再通過(guò)多準(zhǔn)則決策找到合適的優(yōu)化值.優(yōu)化結(jié)果如圖8所示，對(duì)碳煙、NOx生成和轉(zhuǎn)速波動(dòng)的優(yōu)化進(jìn)行折中處理，尋求最優(yōu)切換過(guò)程噴油規(guī)律，即在空氣閥開(kāi)啟前0.2s開(kāi)始降低噴油量，使切換延遲期內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)及碳煙量最高點(diǎn)分別降低87%和80%，燃?xì)忾y開(kāi)啟前0.1 s降低噴油量，保持碳煙量滿足排放指標(biāo)范圍內(nèi)，使轉(zhuǎn)速波動(dòng)和NOx量最高點(diǎn)分別降低16.7%和15.6%.

圖8 多目標(biāo)優(yōu)化前后的性能及排放參數(shù)Fig.8 Performance and emission parameters before and after multi-objective optimization

4 結(jié)束語(yǔ)

建立了TBD234V12相繼增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)仿真模型，并驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性.通過(guò)燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的原則確定相繼增壓系統(tǒng)的切換邊界.

將多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法應(yīng)用到相繼增壓柴油機(jī)切換過(guò)程的噴油量控制策略研究中，從而可在較大范圍內(nèi)搜索解空間，并能以較快的收斂速度提供解空間內(nèi)符合優(yōu)化條件的最優(yōu)解集.

獲得了對(duì)相繼增壓柴油機(jī)切換過(guò)程噴油規(guī)律的主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳煙、NOx生成量和轉(zhuǎn)速波動(dòng)的多目標(biāo)優(yōu)化.

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