柴油机电辅助增压系统性能探究

张旭鹏

内蒙古第一机械集团有限公司科研所 内蒙古 包头 014032

在柴油机性能改进中，涡轮增压技术的应用几乎成为柴油车的标配，也使碳排放量减少。但涡轮增压也存在不足，如滞迟效应，因此更多研发人员对电气增压技术越来越关注。本文通过对原涡轮增压系统与电辅助增压系统在不同转速不同压比下的性能表现，借助GT-POWER模型进行对比分析。

1 系统布置及模型建立

以某3.1L直列四缸四冲程直喷柴油机作为研究对象，为涡轮增压器柴油机，改造为待电辅助增压器的柴油机，电机直接驱动压气机，由发电机对涡轮回收能量回收存储在电池中。电辅助增压系统中采用的涡轮机、压气机，同原涡轮增压系统相同。电气增压系统中发电机、电动机额定功率根据原系统气压机功率需求，均设定为最大20kW。借助GT-Power建模，对两种系统的性能差异进行对比。

2 控制策略

在控制策略方面，由于两种系统不同，所以控制策略也不同。原涡轮增压发动机，控制技术为涡轮旁通控制技术，依据发动机当前转速及负载，对涡轮阀废气直径进行调整，对涡轮增压器转速进行控制，进而试下对增压比进行控制的目的，其中唯一的控制变量为废气阀直径。发动机如果处于高负荷、低转速状态下时，旁通阀全部关闭，保证全部废气能量被涡轮增压器回收利用；发动机如果处于低负荷、高转速状态下时，旁通阀全部打开，保证多余的废气能量全部释放掉，避免涡轮增压器增压过度；发动机在其它工况下工作是，旁通阀开度通过控制器调节，保证系统运行时，涡轮增压能力满足要求。

电辅助增压发动机，控制策略为通过对电动机功率进行控制，到达对电机转速进行控制的目的，从而使压气机转动被带动，实现对压气机增压比控制的目的。为了保证排气背压过大，对废气阀门直径还需进行调节，保证涡轮机功率控制在20kw以内。而废气阀直径与电动机功率为控制变量。通过PID控制器，以定压比、定转距为目标，对电动机功率进行控制，实现对增压比控制的目的。电动机工作状态下，如功率在20kW以内时，可按照发动机当前负载、转速，对增压比自由调控；以涡轮机功率为20kW及优化算法，对废气阀直径进行计算；入涡轮机功率低于20kW，废气开度则为0。废气能量由涡轮机回收后，存储在发电机电池中，发电功率最多不超过20kW；气压机与涡轮机分别独立工作。

3 结果分析

3.1 转矩分析 对于柴油机加速性能而言，衡量的重要指标之一为发动机输出转矩。原涡轮增压柴油机从低速到高速最大转矩输出为435N*m，出现在2000RPM。可见低转速下，原涡轮增压柴油机发动机输出转矩较低，加速性能较差；中低转速下，压气机增压能力利用不充分，继续增压空间仍较大。但涡轮增压系统中，发动机当前转速对涡轮增压器转速存在限制，无法自由增压；只能对原压气机的增压能力最大限度进行利用，对电机进行利用，驱动压气机增压。经过改进，发动机最大转矩变化不大，中速下转矩大幅提升，1600RPM转速下，转矩大幅增至427N*m，类似于最大转矩范围扩大；1200RPM转速下，输出转矩提升至368N*m；当转速达到2000RPM以上后，因电机功率不超过20kW，压气机增压能力下降，转矩低于原涡轮增压系统；转速在3000RPM时，转矩下降至320N*m。通过对不同转速下涡轮端进气温度进行对比，显示两种系统排气温度差异不大，且压气机功率变化与排气温度变化呈一致性，转速在2000RPM以上时，电辅助增压系统排气温度略高；转速在2000RPM以下时，原涡轮增压系统排气温度略高。

电气增压技术与涡轮增压技术相比，在涡轮滞后效应问题方面得到了解决，电气增压技术的瞬态性能更快速。通过对2000RPM转速下两种系统转矩从140N*m到430N*m的响应时间进行对比，在1s时转矩开始增压，电辅助增压系统达到430N*m转矩时用时3.56s，而涡轮增压系统达到430N*m转矩时用时7.4s，显示电气增压系统比涡轮增压系统的响应时间更短。

3.2 能力回收 与涡轮增压系统相比，电气增压系统的另外一个特点是发动机如果处于高速运转状态下，发电机可将废气能量全部回收，并进行存储，所以系统的经济性优于涡轮增压系统。以3000RPM转速工况为例，对发电机、电动机不同增压比下功率消耗进行对比，显示电动机消耗的功率随着增压比的上升而上涨，而发电机由于受最大功率20kW的限制，在增压比达到1.75时，功率消耗开始下降，且在此时净回收功率最大，然后随增压比的升高，净回收功率呈下降趋势。

衡量系统经济性指标中，发动机有效燃油消耗率是主要参数。电辅助增压系统与涡轮增压系统在定压比下，系统处于低增压比是，燃烧效率较低，但电气增压系统高于涡轮增压系统；增压比升高后，两系统燃油效率逐渐持平。综合考虑发电机净回收能量后，在经济性对比中，电辅助增压系统高于涡轮增压系统。

4 结论

本文通过对电辅助增压系统进行研究，并与传统涡轮增压系统性能进行对比，新型电辅助增压系统的应用，使涡轮滞后效应消除，对柴油机低速转矩不足的特性进行了改进，使系统的经济性得到提升。