涡轮增压柴油发动机电动增压子系统的匹配设计

□ 寿 磊 □ 余旭东 □ 谢栩聪 □ 张卫波

1.上汽大众汽车有限公司宁波分公司 浙江宁波 315300 2.福州大学 机械工程及自动化学院 福州 350116

1 设计背景

传统的自然吸气发动机没有对排气余热进行回收,导致有30%～40%的能量损失在废气中[1]。涡轮增压器能够通过从废气中获取能量,帮助增大发动机的进气压力,使发动机的热效率更高。随着消费者对车辆动力、经济性要求的提升,以及各国废气排放法规的日趋严格,涡轮增压技术被广泛应用于发动机[2]。在实际应用中,涡轮增压器与发动机的匹配始终存在问题[3],在发动机冷启动或处于低速工况时,存在涡轮瞬态响应不及时、加速冒黑烟的现象。产生以上现象的主要原因为,发动机是常见的容积式机械,活塞在往复运动时产生正压与负压,正压用于排气,负压用于吸气,从而使进入气缸内的空气处于一种脉动式间歇运动状态,而涡轮增压器是叶片机械[4],压气机吸气增压时空气处于一种连续、相对稳定且无脉动的流动状态,两种空气的运动状态不匹配。此外,涡轮的转动惯量较大,而涡轮增压器与发动机之间只有气动连接[5],变工况时压力波传递速度较慢,所以响应速度较慢。为了解决当前涡轮增压技术存在的问题,响应速率快和安装便捷的电增压技术脱颖而出。在内燃机涡轮处于迟滞阶段时,电动机带动压气机或废气涡轮进行快速补气,缩短迟滞时间,提高加速性能,并改善排放性[6]。

双增压系统凭借响应快速、工作灵活的特性,引起各国内燃机工作者的研究兴趣。小型乘用车一般使用电辅助增压系统,将电机直接与废气涡轮连接[7],这一连接方式存在机构复杂、发动机成本高等缺点,难以在大排量涡轮增压柴油发动机中应用[8]。由此,笔者采用高速电机独立驱动压气机进气的电动增压系统。姚春德等[8]针对涡轮增压柴油发动机在急加速工况下进气量跟不上油量的变化速率,导致气缸中燃烧不良,烟度排放恶化的情况,通过并联电动增压子系统增大加速时的进气量。试验结果表明,电动增压器在恒转矩加速和恒转速加载两种瞬态工况下能够实现涡轮增压柴油发动机快速补气,降低排放烟度,且在低转速工况下效果尤为明显。程小钢等[9]通过提高并联电动增压变频器的频率来加快增压器的转速,进而控制进气流量,增大柴油发动机的低转速扭矩。试验表明,与加装电动增压器前相比,扭矩增大了9%～25%。在使用增压器的混合动力电动汽车中,由于电动增压器可以独立控制,因此可以更高效、自由地定义控制策略[10]。

笔者针对涡轮增压柴油发动机低速扭矩不足、加速冒黑烟、瞬态响应特性差的问题,使电动增压子系统与原废气涡轮增压器形成双增压系统,研究双增压系统与柴油发动机联合工作时的特性。在研究中,通过仿真建模验证电动增压子系统与增压器并联时,柴油发动机中低转速的动力性;设计电动增压子系统的结构及控制策略;并基于发动机试验台架,进行双增压系统与柴油发动机的动力性、经济性、排放性试验,验证电动增压子系统的有效性。

2 双增压系统仿真模型

2.1 涡轮增压柴油发动机技术参数

采用AVL-BOOST仿真软件,用于建立和开发整台发动机模型。笔者选用东风康明斯ISDe230六缸涡轮增压柴油发动机进行双增压系统匹配设计,具体参数见表1。

表1 ISDe230涡轮增压柴油发动机参数

笔者主要进行电动增压子系统与涡轮增压柴油发动机的匹配设计,原废气涡轮增压器是柴油发动机进排气系统的重要组成部分,该部分参数的准确性将直接影响后续的匹配设计。为保证增压器参数准确,将柴油发动机自带的HE351W废气涡轮增压器拆卸,安装于涡轮增压器性能试验台架进行试验,当涡轮增压器转速为50 000 r/min、60 000 r/min、70 000 r/min、80 000 r/min、90 000 r/min时,采集各个转速下的压气机压比流量数据,并将等效曲线集成在压比流量特性图上,如图1所示。

▲图1 压气机压比流量特性图

2.2 涡轮增压柴油发动机仿真模型验证

基于AVL-BOOST软件建立涡轮增压柴油发动机模型,得到涡轮增压柴油发动机外特性曲线,如图2所示。

▲图2 涡轮增压柴油发动机外特性曲线

由图2可知,在整个转速范围内,涡轮增压柴油发动机仿真与试验实测得到的外特性曲线基本一致,功率和转速的相对误差都控制在±10%以内,因此可以认为所建立的涡轮增压柴油发动机仿真模型可信度较高,可以进行下一步性能预测分析。

2.3 电动增压子系统连接方式

电动增压子系统与涡轮增压器存在串联和并联两种连接方式。分别建立双增压系统串联仿真模型和并联仿真模型进行仿真运算,对比如图3所示。

▲图3 电动增压子系统连接方式仿真结果对比

由图3可知,在低转速范围内,并联仿真模型的扭矩和功率基本都略大于串联仿真模型,选择并联方式可以更好地减小进气背压。在中高转速范围内,串联或者并联对柴油发动机扭矩和功率的提升效果都有限。在高转速范围内,并联仿真模型的扭矩和功率都大于串联仿真模型。

综上所述,出于减小涡轮增压柴油发动机进气阻力,提升动力性能的考虑,选择电动增压子系统与涡轮增压器并联,形成双增压系统,为柴油发动机在工作时进行补气,后续设计和试验都围绕并联方式进行。

3 双增压系统设计

双增压系统并联总体结构如图4所示,主要包括逆变电源、变频器、电控单元、电动增压器等。电动增压器由压气机、电动蝶阀和高速电机组成。逆变电源采用正弦逆变器,参数见表2,变频器参数见表3,高速电机参数见表4。

表2 逆变电源参数

表3 变频器参数

表4 高速电机参数

软件控制系统直接影响电动增压子系统的工作效果。过量空气因数为0.4时,发动机达到火焰传播上限,混合气太浓,无法燃烧。过量空气因数为1.4时,发动机达到火焰传播下限,混合气太稀,也无法燃烧。因此,要严格控制发动机进气歧管的进气压力,进而控制进气密度和气缸内过量空气因数。由于发动机油门负荷变化较大,考虑到高速电机的响应速度,笔者选用稳定性强、响应速度快的二维模糊控制[11-12]。

▲图4 双增压系统并联总体结构

将进气压力的误差和误差变化率作为输入量,将变频器的变频值作为输出量,模糊控制的步骤如下:

(1)根据输入的进气压力实测值与目标值,计算出误差与误差变化率;

(2)将误差与误差变化率模糊化,即将误差与误差变化率的实际变化范围对应至负大、负中、负小、零、正小、正中、正大模糊量,再确定隶属函数的形状,笔者采用平滑过渡高斯型隶属函数;

(3)将模糊量导入模糊控制表,模糊控制规则为,当进气压力实测值远小于目标值时,输出的频率值应较大,从而加快电动增压器转速,进而快速进行压力补偿;当误差变化率逐渐增大时,输出的频率值对误差的敏感度逐渐下降;当进气压力实测值大于目标值时,输出的频率值为零,即发送停机指令至高速电机,达到节省电能的目的;

(4)得到模糊输出值,再对输出值进行解模糊,得到电动增压器的工作频率;

(5)通过RS 485接口将得到的频率发送至变频器,控制电动增压器高速电机的转速,获得期望的柴油发动机进气压力。

模糊控制规则见表5。

表5 模糊控制规则

4 试验分析

采用如图5所示混合增压试验台架[13]进行涡轮增压柴油发动机的动力性、经济性与排放性试验,验证电动增压子系统对涡轮增压柴油发动机性能的改善效果。涡轮增压柴油发动机的标定转速为2 600 r/min,试验转速设置为800～1 500 r/min,动力性以测控仪采集到的柴油发动机扭矩与功率为指标,经济性以油耗仪采集到的燃油消耗量为指标,排放性以烟度计与尾气分析仪采集到的烟度和氮氧化物含量为指标。

▲图5 混合增压试验台架

4.1 动力性试验

选取25%、50%、75%油门负荷依次表征涡轮增压柴油发动机小、中、大负荷工况,试验得到应用电动增压子系统前后涡轮增压柴油发动机输出扭矩与输出功率对比,分别如图6、图7所示。

▲图6 涡轮增压柴油发动机输出扭矩对比

由图6和图7可知,在25%、50%、75%油门负荷时,双增压系统并联最多可将柴油发动机的输出扭矩与输出功率分别依次提高4.65%、5.11%、6.12%

▲图7 涡轮增压柴油发动机输出功率对比

和5.21%、5.76%、6.90%。在75%油门负荷时,双增压系统并联技术对柴油发动机动力性提升效果最为显著,这是因为加装的电动增压子系统可以在中低转速范围内为柴油发动机快速补气,增大过量空气因数,使燃烧更为充分,提升双增压柴油发动机的动力性能。

4.2 经济性试验

在1 200 r/min和1 400 r/min转速下对应用电动增压子系统前后涡轮增压柴油发动机的燃油消耗量进行对比,如图8所示。

▲图8 涡轮增压柴油发动机燃油消耗量对比

随着柴油发动机负荷的增大,燃油消耗量逐渐减小,相同负荷情况下,双增压系统并联能明显减小涡轮增压柴油发动机的燃油消耗量,且在中、高负荷时效果更为显著。由图8可知,在200～500 N·m扭矩范围内,应用电动增压子系统,涡轮增压柴油发动机在1 200 r/min、1 400 r/min转速下,燃油消耗量最大可分别减小4.58%和5.52%。

4.3 排放性试验

应用电动增压子系统前后涡轮增压柴油发动机的烟度对比如图9所示。

▲图9 涡轮增压柴油发动机烟度对比

由图9可知,应用电动增压子系统前,涡轮增压柴油发动机在中、低负荷时的烟度较小,烟度随负荷的增大而增大;应用电动增压子系统后,涡轮增压柴油发动机在1 200 r/min和1 400 r/min转速下排放烟度有显著减小;在高负荷时,1 200 r/min、1 400 r/min转速下应用电动增压子系统,涡轮增压柴油发动机烟度的最大下降率分别可达58%和66%。

应用电动增压子系统前后涡轮增压柴油发动机氮氧化物排放量对比如图10所示。

▲图10 涡轮增压柴油发动机氮氧化物排放量对比

双增压系统并联能够快速补气,使涡轮增压柴油发动机气缸内的瞬态过量空气因数增大,降低燃烧室壁面温度和缸内压力,抑制氮氧化物的生成。由图10可知,在1 200 r/min、1 400 r/min转速下,应用电动增压子系统,涡轮增压柴油发动机氮氧化物排放量最大下降率达到10.5%和14.8%。

5 结束语

笔者针对涡轮增压柴油发动机冷启动或低速运行时存在的不足,对电动增压子系统进行匹配设计,提出双增压系统并联为涡轮增压柴油发动机快速补气的解决方案。

仿真结果表明,在低转速范围内,双增压系统并联仿真模型的输出扭矩和输出功率都略大于串联仿真模型。

以涡轮增压柴油发动机进气压力为控制目标,采用模糊控制器实时控制电动增压器的转速,能够使涡轮增压柴油发动机得到期望的进气压力,提高涡轮增压柴油发动机的低速性能。

基于混合增压试验台架,分别进行了涡轮增压柴油发动机动力性、经济性、排放性试验。试验结果表明,应用电动增压子系统,涡轮增压柴油发动机低速工况的性能有明显提升,其中动力性最大提高了6.9%,燃油消耗量最大降低了5.52%,同时最大减少66%的碳烟排放和14.8%的氮氧化物排放。试验结果充分验证了笔者所设计的电动增压子系统的可行性。