渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)電動增壓子系統(tǒng)的匹配設(shè)計

□ 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(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院 福州 350116

1 設(shè)計背景

傳統(tǒng)的自然吸氣發(fā)動機(jī)沒有對排氣余熱進(jìn)行回收,導(dǎo)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(jī)的進(jìn)氣壓力,使發(fā)動機(jī)的熱效率更高。隨著消費者對車輛動力、經(jīng)濟(jì)性要求的提升,以及各國廢氣排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格,渦輪增壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)[2]。在實際應(yīng)用中,渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配始終存在問題[3],在發(fā)動機(jī)冷啟動或處于低速工況時,存在渦輪瞬態(tài)響應(yīng)不及時、加速冒黑煙的現(xiàn)象。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因為,發(fā)動機(jī)是常見的容積式機(jī)械,活塞在往復(fù)運動時產(chǎn)生正壓與負(fù)壓,正壓用于排氣,負(fù)壓用于吸氣,從而使進(jìn)入氣缸內(nèi)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(jī)械[4],壓氣機(jī)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(zhuǎn)動慣量較大,而渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)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(yīng)速度較慢。為了解決當(dāng)前渦輪增壓技術(shù)存在的問題,響應(yīng)速率快和安裝便捷的電增壓技術(shù)脫穎而出。在內(nèi)燃機(jī)渦輪處于遲滯階段時,電動機(jī)帶動壓氣機(jī)或廢氣渦輪進(jìn)行快速補(bǔ)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(yīng)快速、工作靈活的特性,引起各國內(nèi)燃機(jī)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(jī)直接與廢氣渦輪連接[7],這一連接方式存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)動機(jī)成本高等缺點,難以在大排量渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)中應(yīng)用[8]。由此,筆者采用高速電機(jī)獨立驅(qū)動壓氣機(jī)進(jìn)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(jī)在急加速工況下進(jìn)氣量跟不上油量的變化速率,導(dǎo)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(jìn)氣量。試驗結(jié)果表明,電動增壓器在恒轉(zhuǎn)矩加速和恒轉(zhuǎn)速加載兩種瞬態(tài)工況下能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)快速補(bǔ)氣,降低排放煙度,且在低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速,進(jìn)而控制進(jìn)氣流量,增大柴油發(fā)動機(jī)的低轉(zhuǎn)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(jī)低速扭矩不足、加速冒黑煙、瞬態(tài)響應(yīng)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(jī)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(jī)中低轉(zhuǎn)速的動力性;設(shè)計電動增壓子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略;并基于發(fā)動機(jī)試驗臺架,進(jìn)行雙增壓系統(tǒng)與柴油發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)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(jī)技術(shù)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(jī)模型。筆者選用東風(fēng)康明斯ISDe230六缸渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行雙增壓系統(tǒng)匹配設(shè)計,具體參數(shù)見表1。

表1 ISDe230渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)參數(shù)

筆者主要進(jìn)行電動增壓子系統(tǒng)與渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)的匹配設(shè)計,原廢氣渦輪增壓器是柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的重要組成部分,該部分參數(shù)的準(zhǔn)確性將直接影響后續(xù)的匹配設(shè)計。為保證增壓器參數(shù)準(zhǔn)確,將柴油發(fā)動機(jī)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(jìn)行試驗,當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)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(jī)壓比流量特性圖

2.2 渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)仿真模型驗證

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

▲圖2 渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)外特性曲線

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

由圖3可知,在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),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(jìn)氣背壓。在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),串聯(lián)或者并聯(lián)對柴油發(fā)動機(jī)扭矩和功率的提升效果都有限。在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),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(jī)進(jìn)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(jī)在工作時進(jìn)行補(bǔ)氣,后續(xù)設(shè)計和試驗都圍繞并聯(lián)方式進(jìn)行。

3 雙增壓系統(tǒng)設(shè)計

雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)總體結(jié)構(gòu)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(jī)、電動蝶閥和高速電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)達(dá)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(jī)達(dá)到火焰?zhèn)鞑ハ孪?混合氣太稀,也無法燃燒。因此,要嚴(yán)格控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣壓力,進(jìn)而控制進(jìn)氣密度和氣缸內(nèi)過量空氣因數(shù)。由于發(fā)動機(jī)油門負(fù)荷變化較大,考慮到高速電機(jī)的響應(yīng)速度,筆者選用穩(wěn)定性強(qiáng)、響應(yīng)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(jié)構(gòu)

將進(jìn)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(jìn)氣壓力實測值與目標(biāo)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(yīng)至負(fù)大、負(fù)中、負(fù)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(dǎo)入模糊控制表,模糊控制規(guī)則為,當(dāng)進(jìn)氣壓力實測值遠(yuǎn)小于目標(biāo)值時,輸出的頻率值應(yīng)較大,從而加快電動增壓器轉(zhuǎn)速,進(jìn)而快速進(jìn)行壓力補(bǔ)償;當(dāng)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(dāng)進(jìn)氣壓力實測值大于目標(biāo)值時,輸出的頻率值為零,即發(fā)送停機(jī)指令至高速電機(jī),達(dá)到節(jié)省電能的目的;

(4)得到模糊輸出值,再對輸出值進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)速,獲得期望的柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)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(jìn)行渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)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(jī)性能的改善效果。渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)的標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 600 r/min,試驗轉(zhuǎn)速設(shè)置為800～1 500 r/min,動力性以測控儀采集到的柴油發(fā)動機(jī)扭矩與功率為指標(biāo),經(jīng)濟(jì)性以油耗儀采集到的燃油消耗量為指標(biāo),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(biāo)。

▲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(fù)荷依次表征渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)小、中、大負(fù)荷工況,試驗得到應(yīng)用電動增壓子系統(tǒng)前后渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)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(jī)輸出扭矩對比

由圖6和圖7可知,在25%、50%、75%油門負(fù)荷時,雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)最多可將柴油發(fā)動機(jī)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(jī)輸出功率對比

和5.21%、5.76%、6.90%。在75%油門負(fù)荷時,雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)對柴油發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)為柴油發(fā)動機(jī)快速補(bǔ)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(jī)的動力性能。

4.2 經(jīng)濟(jì)性試驗

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

▲圖8 渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)燃油消耗量對比

隨著柴油發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大,燃油消耗量逐漸減小,相同負(fù)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(jī)的燃油消耗量,且在中、高負(fù)荷時效果更為顯著。由圖8可知,在200～500 N·m扭矩范圍內(nèi),應(yīng)用電動增壓子系統(tǒng),渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)在1 200 r/min、1 400 r/min轉(zhuǎn)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(yīng)用電動增壓子系統(tǒng)前后渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)的煙度對比如圖9所示。

▲圖9 渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)煙度對比

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

應(yīng)用電動增壓子系統(tǒng)前后渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)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(jī)氮氧化物排放量對比

雙增壓系統(tǒng)并聯(lián)能夠快速補(bǔ)氣,使渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)速下,應(yīng)用電動增壓子系統(tǒng),渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)氮氧化物排放量最大下降率達(dá)到10.5%和14.8%。

5 結(jié)束語

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

仿真結(jié)果表明,在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),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(jī)進(jìn)氣壓力為控制目標(biāo),采用模糊控制器實時控制電動增壓器的轉(zhuǎn)速,能夠使渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)得到期望的進(jìn)氣壓力,提高渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)的低速性能。

基于混合增壓試驗臺架,分別進(jìn)行了渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性試驗。試驗結(jié)果表明,應(yīng)用電動增壓子系統(tǒng),渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)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(jié)果充分驗證了筆者所設(shè)計的電動增壓子系統(tǒng)的可行性。