柴油機(jī)電輔助增壓系統(tǒng)性能探究

張旭鵬

內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司科研所 內(nèi)蒙古 包頭 014032

在柴油機(jī)性能改進(jìn)中，渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用幾乎成為柴油車的標(biāo)配，也使碳排放量減少。但渦輪增壓也存在不足，如滯遲效應(yīng)，因此更多研發(fā)人員對(duì)電氣增壓技術(shù)越來(lái)越關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)原渦輪增壓系統(tǒng)與電輔助增壓系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速不同壓比下的性能表現(xiàn)，借助GT-POWER模型進(jìn)行對(duì)比分析。

1 系統(tǒng)布置及模型建立

以某3.1L直列四缸四沖程直噴柴油機(jī)作為研究對(duì)象，為渦輪增壓器柴油機(jī)，改造為待電輔助增壓器的柴油機(jī)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，由發(fā)電機(jī)對(duì)渦輪回收能量回收存儲(chǔ)在電池中。電輔助增壓系統(tǒng)中采用的渦輪機(jī)、壓氣機(jī)，同原渦輪增壓系統(tǒng)相同。電氣增壓系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)額定功率根據(jù)原系統(tǒng)氣壓機(jī)功率需求，均設(shè)定為最大20kW。借助GT-Power建模，對(duì)兩種系統(tǒng)的性能差異進(jìn)行對(duì)比。

2 控制策略

在控制策略方面，由于兩種系統(tǒng)不同，所以控制策略也不同。原渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，控制技術(shù)為渦輪旁通控制技術(shù)，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速及負(fù)載，對(duì)渦輪閥廢氣直徑進(jìn)行調(diào)整，對(duì)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而試下對(duì)增壓比進(jìn)行控制的目的，其中唯一的控制變量為廢氣閥直徑。發(fā)動(dòng)機(jī)如果處于高負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下時(shí)，旁通閥全部關(guān)閉，保證全部廢氣能量被渦輪增壓器回收利用；發(fā)動(dòng)機(jī)如果處于低負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下時(shí)，旁通閥全部打開(kāi)，保證多余的廢氣能量全部釋放掉，避免渦輪增壓器增壓過(guò)度；發(fā)動(dòng)機(jī)在其它工況下工作是，旁通閥開(kāi)度通過(guò)控制器調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，渦輪增壓能力滿足要求。

電輔助增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，控制策略為通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行控制，到達(dá)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的目的，從而使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)被帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)增壓比控制的目的。為了保證排氣背壓過(guò)大，對(duì)廢氣閥門(mén)直徑還需進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證渦輪機(jī)功率控制在20kw以內(nèi)。而廢氣閥直徑與電動(dòng)機(jī)功率為控制變量。通過(guò)PID控制器，以定壓比、定轉(zhuǎn)距為目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓比控制的目的。電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，如功率在20kW以內(nèi)時(shí)，可按照發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前負(fù)載、轉(zhuǎn)速，對(duì)增壓比自由調(diào)控；以渦輪機(jī)功率為20kW及優(yōu)化算法，對(duì)廢氣閥直徑進(jìn)行計(jì)算；入渦輪機(jī)功率低于20kW，廢氣開(kāi)度則為0。廢氣能量由渦輪機(jī)回收后，存儲(chǔ)在發(fā)電機(jī)電池中，發(fā)電功率最多不超過(guò)20kW；氣壓機(jī)與渦輪機(jī)分別獨(dú)立工作。

3 結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)矩分析 對(duì)于柴油機(jī)加速性能而言，衡量的重要指標(biāo)之一為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。原渦輪增壓柴油機(jī)從低速到高速最大轉(zhuǎn)矩輸出為435N*m，出現(xiàn)在2000RPM?？梢?jiàn)低轉(zhuǎn)速下，原渦輪增壓柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較低，加速性能較差；中低轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)增壓能力利用不充分，繼續(xù)增壓空間仍較大。但渦輪增壓系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速存在限制，無(wú)法自由增壓；只能對(duì)原壓氣機(jī)的增壓能力最大限度進(jìn)行利用，對(duì)電機(jī)進(jìn)行利用，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩變化不大，中速下轉(zhuǎn)矩大幅提升，1600RPM轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩大幅增至427N*m，類似于最大轉(zhuǎn)矩范圍擴(kuò)大；1200RPM轉(zhuǎn)速下，輸出轉(zhuǎn)矩提升至368N*m；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000RPM以上后，因電機(jī)功率不超過(guò)20kW，壓氣機(jī)增壓能力下降，轉(zhuǎn)矩低于原渦輪增壓系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速在3000RPM時(shí)，轉(zhuǎn)矩下降至320N*m。通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下渦輪端進(jìn)氣溫度進(jìn)行對(duì)比，顯示兩種系統(tǒng)排氣溫度差異不大，且壓氣機(jī)功率變化與排氣溫度變化呈一致性，轉(zhuǎn)速在2000RPM以上時(shí)，電輔助增壓系統(tǒng)排氣溫度略高；轉(zhuǎn)速在2000RPM以下時(shí)，原渦輪增壓系統(tǒng)排氣溫度略高。

電氣增壓技術(shù)與渦輪增壓技術(shù)相比，在渦輪滯后效應(yīng)問(wèn)題方面得到了解決，電氣增壓技術(shù)的瞬態(tài)性能更快速。通過(guò)對(duì)2000RPM轉(zhuǎn)速下兩種系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩從140N*m到430N*m的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，在1s時(shí)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始增壓，電輔助增壓系統(tǒng)達(dá)到430N*m轉(zhuǎn)矩時(shí)用時(shí)3.56s，而渦輪增壓系統(tǒng)達(dá)到430N*m轉(zhuǎn)矩時(shí)用時(shí)7.4s，顯示電氣增壓系統(tǒng)比渦輪增壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間更短。

3.2 能力回收 與渦輪增壓系統(tǒng)相比，電氣增壓系統(tǒng)的另外一個(gè)特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)如果處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)可將廢氣能量全部回收，并進(jìn)行存儲(chǔ)，所以系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于渦輪增壓系統(tǒng)。以3000RPM轉(zhuǎn)速工況為例，對(duì)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)不同增壓比下功率消耗進(jìn)行對(duì)比，顯示電動(dòng)機(jī)消耗的功率隨著增壓比的上升而上漲，而發(fā)電機(jī)由于受最大功率20kW的限制，在增壓比達(dá)到1.75時(shí)，功率消耗開(kāi)始下降，且在此時(shí)凈回收功率最大，然后隨增壓比的升高，凈回收功率呈下降趨勢(shì)。

衡量系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中，發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率是主要參數(shù)。電輔助增壓系統(tǒng)與渦輪增壓系統(tǒng)在定壓比下，系統(tǒng)處于低增壓比是，燃燒效率較低，但電氣增壓系統(tǒng)高于渦輪增壓系統(tǒng)；增壓比升高后，兩系統(tǒng)燃油效率逐漸持平。綜合考慮發(fā)電機(jī)凈回收能量后，在經(jīng)濟(jì)性對(duì)比中，電輔助增壓系統(tǒng)高于渦輪增壓系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電輔助增壓系統(tǒng)進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)渦輪增壓系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比，新型電輔助增壓系統(tǒng)的應(yīng)用，使渦輪滯后效應(yīng)消除，對(duì)柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩不足的特性進(jìn)行了改進(jìn)，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性得到提升。