電動(dòng)復(fù)合增壓系統(tǒng)工作策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加速特性的影響

韓冀寧， 張 虹， 段雪瑩

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

由于柴油機(jī)與渦輪增壓器采用氣動(dòng)方式的連接，仍然存在響應(yīng)滯后現(xiàn)象.電機(jī)具有較高的加速能力，增壓系統(tǒng)的電氣化成為研究熱點(diǎn)[1].電動(dòng)復(fù)合增壓系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的位置和功能可分為兩種不同的方案：電動(dòng)助力渦輪增壓器(EAT)和電動(dòng)壓氣機(jī)(EBooster).電動(dòng)助力渦輪增壓器的電動(dòng)機(jī)位于渦輪機(jī)與壓氣機(jī)的連接軸上，也可作為電動(dòng)機(jī).所述發(fā)電機(jī)，在電機(jī)工作時(shí)，進(jìn)行輔助增壓以提高響應(yīng)速度，并在作為發(fā)電機(jī)工作時(shí)回收廢氣能量.霍尼韋爾(Honeywell)公司是最早開展電輔助渦輪增壓技術(shù)研究的公司之一，其對(duì)電輔助渦輪增壓器進(jìn)行了模擬仿真，并先后開發(fā)出了3代的電輔助渦輪增壓器，研究結(jié)果表明，帶有電輔助渦輪增壓技術(shù)的增壓器，不僅改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，而且提高了發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的響應(yīng)特性[2-3].

博格華納一直致力于電輔助獨(dú)立布置的二級(jí)增壓系統(tǒng)的增壓器.目前已開發(fā)出了兩代實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品.

日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)和三菱重工已分別研制出了最高轉(zhuǎn)速為22 000 r/min的電機(jī)與廢氣渦輪增壓器一體化布置的增壓器[4].采用永磁同步電機(jī)中置方式，在電機(jī)轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)了碳纖維材料的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用來(lái)保證轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度.通過(guò)配機(jī)試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有不用程度的提高.采用了功率為2 kW的永磁同步電機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min和1 200 r/min時(shí)，與采用可變截面渦輪增壓器相比發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增加了17%[5].

與上述相關(guān)研究相比，文章對(duì)電動(dòng)混合渦輪增壓器的工作過(guò)程進(jìn)行了更為完整的過(guò)程模擬，分析了影響電復(fù)合增壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素.

文章介紹了新設(shè)計(jì)的電輔助復(fù)合渦輪增壓器系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)匹配計(jì)算，選擇了各部件.建立了一維發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立了永磁同步電機(jī)模型，建立了工況識(shí)別系統(tǒng)和切點(diǎn)控制系統(tǒng)，完成了整個(gè)仿真模型的建立.對(duì)電動(dòng)復(fù)合渦輪增壓器系統(tǒng)與原機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)仿真比較，進(jìn)而探討影響穩(wěn)定性因素.通過(guò)改變控制策略，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定高效運(yùn)行，得出結(jié)論.

1 電動(dòng)復(fù)合渦輪增壓器結(jié)構(gòu)及參數(shù)匹配計(jì)算

如圖1所示.發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器系統(tǒng)及其控制單元與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，形成串聯(lián)的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng).當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)工作而不需要自然進(jìn)氣端供氣時(shí)，關(guān)閉旁通閥；當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作完畢切出工作時(shí)，打開旁通閥，使得自然進(jìn)氣端供氣.

圖1 電動(dòng)復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng)

為了確保電復(fù)合系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)都符合預(yù)期的要求，首先要做的是計(jì)算正確的渦輪增壓器參數(shù)，這是設(shè)計(jì)和選擇合適的渦輪增壓器的基礎(chǔ).渦輪增壓器參數(shù)主要包括：增壓壓力Pc(Mpa) 或壓力比πc；空氣質(zhì)量流量Gc(kg/s)或體積流量Vc(m3/s)；渦輪前排氣平均壓力PT、膨脹比πT.在這些參數(shù)中，正確的空氣流量和增壓壓力(或壓氣機(jī)比)是非常重要的[6].

選擇設(shè)計(jì)點(diǎn)為1 000 r/min.根據(jù)原發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，單級(jí)渦輪增壓器在設(shè)計(jì)點(diǎn)滿載時(shí)，功率為118.2 kW，根據(jù)國(guó)外研究結(jié)果[7]，設(shè)計(jì)目標(biāo)為：功率增加15%到135.93 kW，油耗從205 g/kW降至195 g/kW.增壓參數(shù)計(jì)算如下.

發(fā)動(dòng)機(jī)所需的流量

(1)

廢氣流量為

(2)

增壓后空氣的密度為

(3)

中冷升壓后，工質(zhì)的溫度降至315 K，壓降在6 kPa-10 kPa之間，故出口壓力為Pc-104=ρcRTc：

Pc=ρcRTc+104.

(4)

最終的壓比為

(5)

燃油噴射率為

(6)

故循環(huán)燃油噴射量為

(7)

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，噴油量為150 mg時(shí)，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)功率GT-power仿真模型的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出進(jìn)氣流量為0.16 kg/s時(shí)，二級(jí)渦輪增壓器的壓力比πc1=1.45,一級(jí)渦輪增壓器的壓力比πc2=1.45，功率Nme=139.37 kW，油耗率gme=193.7 g/kW.經(jīng)過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)顯示在發(fā)動(dòng)機(jī)1 000 r/min的時(shí)候，二級(jí)壓氣機(jī)需要提供0.16 kg/s的流量和1.45的壓比，選定一款壓氣機(jī)，根據(jù)此壓氣機(jī)特性曲線估算壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速在40 000—60 000 r/min的范圍內(nèi)，則此時(shí)需要的功率大約為8.3 kW，此時(shí)根據(jù)上述過(guò)程可估算電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩約為22 N·m.具體選擇的電機(jī)參數(shù)會(huì)在后文中詳細(xì)說(shuō)明.

2 電動(dòng)復(fù)合增壓系統(tǒng)模型的建立

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立及其驗(yàn)證

以某型號(hào)柴油機(jī)為目標(biāo)樣機(jī)，原機(jī)模型搭建完成后，首先需要進(jìn)行模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，然后才能進(jìn)行模擬仿真.輸入原機(jī)萬(wàn)特性試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境參數(shù)，選取與試驗(yàn)相同的工況點(diǎn)進(jìn)行模擬仿真.圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、燃油消耗率、空氣流量、壓后溫度以及渦前溫度、增壓壓力、渦前壓力的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖.由誤差分析可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好.從而驗(yàn)證了原機(jī)仿真模型的準(zhǔn)確性，尤其是廢氣旁通閥模擬的準(zhǔn)確性.

圖2 原機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 電動(dòng)機(jī)仿真模型建立

參考系中定子磁鏈、電壓和電磁轉(zhuǎn)矩方程如下[5]：

ψd=Ldid+ψf,

(8)

ψd=Ldid,

(9)

Vd=Rsid+pψd-ωrψq,

(10)

Vd=Rsid+pψq-ωrψd,

(11)

(12)

根據(jù)上述公式及直接轉(zhuǎn)矩控制算法思想建立永磁同步電機(jī)Simulink模型.系統(tǒng)的PMSM參數(shù)設(shè)定為：P=2；Ld=Lq=8.35×10-4H；ψf=0.175 Wb； Usmax= 220V；ismax= 50 A.Simulink建立的仿真模型如圖3所示.

圖3 PMSM DTC系統(tǒng)的仿真模型

2.3 工況識(shí)別系統(tǒng)和切出控制策略的建立

對(duì)旁通閥進(jìn)行建模，如圖4所示,旁通閥位于自然進(jìn)氣一端.

圖4 新型止回閥模型和旁通閥模型

智能工況識(shí)別系統(tǒng)是ECT控制系統(tǒng)的一部分，旨在通過(guò)區(qū)分工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)空氣補(bǔ)償.ECT控制系統(tǒng)主要由加速踏板傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、ECU和執(zhí)行器、蓄能器組成，如圖5所示.控制單元由輸入輸出端口(I/O口)、變頻器、直流/交流逆變電路和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器等組成.蓄電池的直流電由DC/AC逆變電路轉(zhuǎn)換成電機(jī)三相交流電，加速傳感器收集加速踏板的位置和變化率并發(fā)送給控制單元.當(dāng)ECU工作時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器首先實(shí)時(shí)地按照一定的頻率收集加速踏板的位置和變化率，然后，將它們轉(zhuǎn)換為可由ECU識(shí)別的數(shù)字信號(hào)來(lái)區(qū)分工作狀態(tài)引擎.

圖5 工況識(shí)別系統(tǒng)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速即廢氣渦輪增壓器能獨(dú)立地提供發(fā)動(dòng)機(jī)所需能量，此時(shí)電動(dòng)復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng)不再需要工作，故進(jìn)行切出過(guò)程，文章中的電動(dòng)渦輪增壓系統(tǒng)的切出過(guò)程進(jìn)行控制策略的制定，當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)立即打開旁通閥.

3 電動(dòng)復(fù)合增壓系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真

根據(jù)目前市場(chǎng)上的高速電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，初步將電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速擬定為45 000 r/min.在800-1 200 r/min范圍內(nèi)要達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)在定轉(zhuǎn)速下的理想轉(zhuǎn)矩，噴油量比不加電動(dòng)復(fù)合渦輪增壓器時(shí)要高到10%左右，然而,經(jīng)仿真模型計(jì)算表明，在轉(zhuǎn)速超過(guò)1 200 r/min后,再增加噴油量并不能使得轉(zhuǎn)矩和功率有大幅度的提升，反而會(huì)使得燃油消耗率和氮氧化物的排放量增加，故在1 200 r/min之后保持等噴油量進(jìn)行仿真,結(jié)果見圖6.

圖6 全負(fù)荷不同轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)各性能對(duì)比圖

根據(jù)圖6中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在800-1 200 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率有了明顯的改善，基本可達(dá)到分別提高和降低15%的目標(biāo)設(shè)定值，而且對(duì)于空燃比有明顯的提高，最大可達(dá)到26，對(duì)于降低氮氧化物的排放量也非常有效，但是到了1 200 r/min以后，改變值就變得很小，由此可以看出電動(dòng)增壓系統(tǒng)能夠起到顯著作用的轉(zhuǎn)速范圍為800-1 200 r/min，電動(dòng)增壓系統(tǒng)工作在轉(zhuǎn)速800-1 400 r/min可以將發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上的最大轉(zhuǎn)矩范圍從之前的1 300-1 400 r/min拓寬到1 200-1 400 r/min.根據(jù)仿真結(jié)果可以確定用在此模型上的電動(dòng)增壓系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速為45 000 r/min,即可滿足要求.

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)仿真建立

建立瞬態(tài)仿真，瞬態(tài)仿真主要研究定負(fù)荷變轉(zhuǎn)速工況.在以穩(wěn)定狀態(tài)行駛一段時(shí)間之后,改變噴油量,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速開始加速的過(guò)程，傳感器在檢測(cè)到噴油量改變發(fā)動(dòng)機(jī)開始有加速趨勢(shì)后開始開啟電動(dòng)機(jī)，初次試驗(yàn)定在噴油量改變后,在最短的時(shí)間,可看作立即開啟電動(dòng)機(jī)，并開啟旁通閥，仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 定轉(zhuǎn)矩加速過(guò)程中各性能指標(biāo)的變化對(duì)比

圖7定轉(zhuǎn)矩加速過(guò)程中各性能指標(biāo)的變化對(duì)比，從圖中可知：發(fā)動(dòng)機(jī)在低速開始加速時(shí)，加入電動(dòng)增壓器后，比不加電動(dòng)增壓器的原始渦輪增壓的速度上升速率有明顯的提高，具體可看圖7中的轉(zhuǎn)速上升斜率并且最終達(dá)到的最大速度也更大.加速達(dá)到相同的速度的時(shí)間更短，可提前0.5 s.空燃比上升，進(jìn)氣量總體增加，一定程度上減少了燃油消耗率，經(jīng)過(guò)廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)前的壓力對(duì)比圖可知：加入電動(dòng)增壓器后，經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)前端的空氣壓比有明顯的提升.但在噴油量增加后的一段很短的時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量有一個(gè)短暫性小幅度的降低，由于噴油量增加而進(jìn)氣量減小導(dǎo)致空燃比也開始呈下降趨勢(shì)，此時(shí)的燃油消耗量也升高并且比原機(jī)的燃油消耗率高，由上述導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在瞬間升高后，因?yàn)椴裼偷牟怀浞秩紵峁┎涣司S持轉(zhuǎn)速持續(xù)上升所對(duì)應(yīng)的功率，故而轉(zhuǎn)速開始下降.導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因：在閥門打開后沒(méi)有足夠能維持快速加速相應(yīng)的一定壓力的進(jìn)氣量而產(chǎn)生的下降波動(dòng)，以及打開閥門的瞬間相對(duì)稍高于大氣壓力的電動(dòng)壓氣機(jī)輸出的空氣從閥門倒流進(jìn)入了自然吸氣端.將以電動(dòng)增壓器工作一定時(shí)間到達(dá)需求速度值(這里將這個(gè)速度設(shè)定為1 500 r/min的時(shí)候切出)，對(duì)比在切出過(guò)程對(duì)于系統(tǒng)整體性能的影響.

如圖8所示，在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速即1 500 r/min后，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣渦輪增壓器可以獨(dú)立提供所需的增壓空氣，于是，電動(dòng)增壓器停止工作.使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)增壓器系統(tǒng)在感應(yīng)到速度達(dá)到1 500 r/min后立即開啟閥門，在閥門打開的瞬間，可以看出.流經(jīng)電動(dòng)增壓器管道的空氣量隨著電動(dòng)機(jī)的停止工作由120 g/s減少到0，同時(shí)，在旁通閥一側(cè)的空氣量發(fā)生了明顯的倒流，這是由于當(dāng)閥門開啟的瞬間，電動(dòng)增壓器一端的管道內(nèi)空氣壓力值還比較大，有著高壓力的空氣將流向壓力值較小的旁通閥一側(cè)的管道并且流出，這一現(xiàn)象也可以從旁通閥進(jìn)氣管道側(cè)的壓力值波動(dòng)看出，由于發(fā)生倒流，在倒流的過(guò)程中,必然使得旁通閥進(jìn)氣側(cè)的壓力值升高.使得閥門晚開0.1 s時(shí)，幾乎不發(fā)生倒流現(xiàn)象，這是由于閥門晚關(guān)造成了電動(dòng)壓氣機(jī)端的壓差下降，很大程度減少了空氣從旁通閥端流出.如圖9所示為電動(dòng)增壓器切入切出過(guò)程中,廢氣渦輪增壓器中壓氣機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)分布圖，黑色的運(yùn)行點(diǎn)表示使用立即開啟旁通閥，白色的運(yùn)行點(diǎn)表示晚開旁通閥，可以看出很大程度上減小了倒流而消除了壓氣機(jī)喘震的傾向.

圖8 電動(dòng)增壓器切出工作過(guò)程

圖9 壓氣機(jī)在電動(dòng)增壓器切入切出過(guò)程中的運(yùn)行曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了應(yīng)用電復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng)對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況具有很好的改善作用，應(yīng)用了新型止回閥能夠更好的控制電動(dòng)增壓器的介入時(shí)間.而氣門開閉策略作用于它與廢氣旁通閥.能夠根據(jù)工況識(shí)別系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的識(shí)別情況，對(duì)電復(fù)合渦輪增壓的氣路進(jìn)行控制，使電復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性.