基于动态优化的膜法富氧发动机高原工况节能特性研究

安 强，姜梦炜，叶 敏

(1.中国人民解放军32339部队， 拉萨 850000; 2.长安大学 公路养护装备国家工程实验室， 西安 710064)

1 引言

军用车辆经常工作在各种海拔高度。海拔越高，气压越低，对军用车辆发动机的性能影响越大，进而影响车辆的行驶性能及载重能力。而军用车辆由于战备需要对其载重能力要求极其苛刻，不允许降低。当海拔高度为4 500 m时，大气压力只有57.6 kPa，与标准大气压相比，大气压力降低了43%，空气密度减小了37%。高海拔工况对发动机的进氧量、燃烧状态和涡轮增压器性能等都产生了影响，降低了发动机的动力性、经济性和可靠性。20世纪90年代早期，有专家学者提出在柴油机上采用富氧进气的方式可提升其热效率和功率[1]。之后相关研究也表明提高柴油机进气中氧气含量是一种降低排放和改善缸内气体燃烧状态的有效方法[2-5]。90年代后期，气体膜分离技术开始应用于发动机以提高其性能。Poola等[6]开发了高渗透性的系列富氧膜，随后一些学者对富氧发动机也进行了相关研究[7-10]。前期膜法富氧发动机大多采用简单的PID控制策略，仅适于单一海拔工况，不适宜高海拔工况。基于单一海拔工况标定或寻优获得的膜法富氧发动机参数无法保证军用车辆经常行驶于不同海拔高度。因此提出一种适合高海拔工况的车载式膜法富氧装置，通过动态优化的方法使发动机实时工作于高效状态，从而解决增强发动机在高原工况下的适应性。

2 车载式膜法富氧发动机实验平台

膜法富氧装置通常由过滤器、鼓风机、富氧膜组件、真空泵、汽水分离器等部分组成[11-12]。鼓风机用于提高发动机的进气量；过滤器用于去除空气中的灰尘；膜组件用于产生富氧气体；真空泵将富氧气体送至管道；汽水分离器用于脱去气体中的水分。试验中使用的车载式膜法富氧装置实验平台结构如图1所示。

图1 车载式膜法富氧装置实验平台结构示意图Fig.1 Experimental platform for vehicle membrane oxygen enrichment device

为方便研究，试验中采用气瓶供氧配气的方法为发动机提供富氧气体。通过控制阀控制氧气瓶中纯氧的流出量，从而配置不同比例的富氧空气，流入发动机入口管道内的富氧空气通过安装在混合罐出口端的氧传感器HT1640A测量其氧浓度，过剩气体通过输出管道直接排入大气中，废气浓度由排气分析仪FGA- 4100测量，由AVL 439 Opacimeter消光烟度计测量废气烟度，缸内压力由缸压传感器Kistler6125A和电荷放大器Kistler5015测量。发动机启动前打开排放实时数据采集系统，计算机通过串口读取分析仪测量结果并存储。排气分析仪在开始测量数据前需进行标定以减小测量误差[13-14]。

3 基于动态优化的膜法富氧装置控制策略

由于发动机在工作时负荷变化范围大，车辆传动系统的动力性和经济性在动态工况和静态工况下完全不一致，因此需要针对作业时的动态负荷建立发动机的动力学模型。发动机的动力学方程为：

(1)

(2)

式中：Tbrk为车辆制动时的摩擦力矩；id为主减速比；v为车速；M为整车质量；Rw为车轮半径；ρair、Af、Cd和f分别为空气密度、迎风面积、空气阻力系数和摩擦因数；g为重力加速度。

在发动机输出特性中，由于发动机在单作业循环内所输出的功率相同，但负载扭矩Tout实际是上下波动的，不是定值。而发动机的油门开度与转速之间并非线性关系，如果简单地按照等距划分，则在之后的控制过程中会存在较大的稳态误差，导致发动机输出扭矩与负载扭矩不匹配，尤其在高原缺氧环境中，氧气量不足加剧了发动机功率下降、排气温度上升、冒黑烟等问题。因此通过调整不同油门位置下发动机的燃油供给量，对其进行动态优化，完成油门开度的标定与控制，使发动机输出扭矩和功率与负载动态匹配。根据实际负载工况的情况来调节发动机工作转速，采用动态优化方法对发动机车载式膜法富氧装置进行匹配计算，使发动机在满足所需功率的前提下工作在高效范围内。动态优化的基本模型有逆序算法、顺序算法和双向混合算法。针对高原发动机进氧量随海拔规律性变化，根据控制原理和控制过程，采用逆序算法。

逆序形式算法的控制基本方程为：

(3)

其中边界条件为：

fn+1(xn+1)=0 或fn(xn)=vn(xn,un)

(4)

其中：xk为第k阶段状态；uk为状态xk+1的决策变量。

状态转移方程为xk+1=Tk(xk,uk)，k阶段的允许决策集合记为Dk=(xk)，vk(xk,uk)为指标函数，即边界条件。在实际的工程应用领域中，采用动态优化算法来求最优解，通常不是从第1阶段开始顺序求解，而是从k=n开始，由后向前逆推计算，逐阶段求出最优决策和过程的最优解，逆推至f(x1)，就可以得到问题的最优解。

以军用车辆工况循环为依据对发动机的速度调节过程划分阶段，即第k个阶段的状态xk为匹配调节过程中发动机的速度值，此值的最终调节是由油门信号来控制，进而控制所需转速的输出。所划分的阶段k值由指标函数确定，通常情况下，速度的调节值是逐渐减少的，这时状态变量xk+1为xk的等差数列。指标函数为速度的函数，其边界条件最终由燃油消耗率来确定。要求指标函数的值为最小值，采用的最小值逆序算法递归计算程序为：

function[p_opt,fcal]= dynprog (x,DecisFun,

SubObjFun,TransFun,ObjFun)

(5)

其中：x是状态变量，决策变量DecisFun(k,x)是由阶段k和状态变量x决定的函数；SubObjFun(k,x,u)是由变量k、x、u决定的指标函数；TransFun(k,x,u)是状态转移函数；ObjFun(v,f)是k阶段至最后阶段的指标函数，当ObjFun(v,f)=v+f时，ObjFun可省略。据此，Onori等将等效因子的自适应策略描述为：

Teq(k)=Teq(k-1)+K·Teq(k)=

Teq(k-1)+Kp(vref-v(t))

(6)

式中：Teq(k-1)和Teq(k)分别为前一时段和当前时段内的负载扭矩等效因子；vref为工程车辆参考扭矩；v(t)为当前转速真实值；Kp为转速参考值与真实值偏差的比例增益。该逆序算法流程如图2所示。

为保证控制策略的可靠性，以某型军用车辆为研究对象，该车发动机型号为6V150，其主要技术参数如表1所示。6V150发动机是V型6缸水冷废气涡轮增压发动机，额定功率300 kW，额定转速是2 200 r/min。

以发动机200 kW@2 200 r/min为基点进行高原海拔4 500 m三种状态试验，即发动机原始状态、增加富氧装置状态和动态优化状态。试验中保证发动机的转速恒定不变，测量发动机的输出特性。试验步骤：① 首先进行发动机原始工况实验，简称“原机”状态，发动机在正常状态进行性能调整试验，将各点性能调整到最优，记录供油齿杆位置；② 之后进行富氧装置状态试验，记录发动机性能参数，简称“富氧装置”；③ 最后进行动态优化状态实验，观察功率变化情况并记录扭矩及功率的变化情况，简称“动态优化”。不同状态发动机的实验数据如表2所示。

图2 车载式膜法富氧装置动态优化控制策略 逆序算法流程框图Fig.2 Dynamic optimal control strategy of vehicle mounted membrane oxygen enrichment device

表1 6V150发动机主要技术参数Table 1 Main performance parameters of 6V150 diesel engine

表2 发动机试验数据

由表2可知：富氧装置在一定程度上改善了发动机的燃烧情况，燃油消耗率下降，而爆发压力和排气温度这类限制指标相较于“原机”状态并没有剧烈恶化，说明富氧装置方案可行；动态优化状态下，发动机的功率进一步上升，比油耗进一步降低，爆发压力和排气温度小幅度上升，证明动态优化控制策略切实可行。

4 膜法富氧装置对车用柴油机性能影响的实验研究

4.1 发动机富氧装置对比试验

在初步验证了发动机富氧装置和动态优化控制策略效果后，进行室内实验研究富氧空气燃烧对发动机的性能影响[15-16]。在某研究所高原模拟试验室进行发动机高原性能试验，发动机万有特性如图3所示。

图3 6V150发动机6个工作点万有特性图Fig.3 Selection of six working points of 6V150 engine

经过试验测试被测发动机的峰值功率为288 kW，与发动机出厂设置最大功率300 kW稍有不同。选取A、B、C、D、E和F六点作为工况点，进行工况实验研究。试验环境条件：大气压57.6 kPa(海拔高度4 500 m)，进气温度15 ℃，空气湿度30%。首先进行发动机特性试验(原机功率)；在此基础上，保持发动机状态不变，在进气总管内掺入不同比例的富氧空气，测试不同富氧空气含量对发动机的运行状态的影响，并与初始状态进行对比，以此分析发动机掺入富氧空气后对燃烧过程的影响以及柴油机的性能变化情况(富氧装置功率提升)；之后观察发动机性能参数在动态优化控制策略下发动机性能输出变化情况(动态优化功率提升)。试验结果见表3，由表3可知：富氧装置和动态优化控制策略，使发动机的功率持续上升。

在4 500 m海拔下，以发动机平原200kW等功率曲线工况控制条件为基础，发动机在“原机”、“富氧装置”和“动态优化”3种状态下的性能指标变化情况如图4所示。图4(a)和图4(b)中横坐标的数值分别对应6个工况点，即代表发动机转速为1 200～2 200 r/min的不同工况。由图4(a)可知：在工况点A，3种状态下发动机功率分别是184.7 kW、194 kW、200 kW，富氧装置相比于原机提高了5.0%，而动态优化进一步提高了7.6%。此时优化提升率达到了最大值，由此可见动态优化在低速是提升效果显著；在工况点F，3种状态下发动机功率分别是136.9 kW、145.7 kW、180 kW，富氧装置相比于原机提高了6.4%，而动态优化进一步提高了23.9 %。富氧提升率达到最大值，但与其他工况下的提升率基本持平。由图4(b)可知：采用车载式膜法富氧装置后，不同转速下发动机功率都有上升，比例在5.0%～6.4%。采用动态优化控制策略后，不同转速下发动机功率进一步上升，比例在7.6%～23.9%。因此发动机处于“原机”状态下，在进气总管内加入适量富氧空气并采用动态优化控制策略，可大幅提升发动机的功率，特别是在中低转速下，提升效果显著。

表3 发动机主要试验数据

图4 发动机高原特性试验Fig.4 Engine plateau characteristic test

图5为不同工况下发动机燃油消耗率和排气温度曲线。由图5可知：发动机的油耗消耗率和排气温度随转速的增加而降低，后趋于平稳，但它们下降的幅度不同，“原机”状态的下降幅度较大，“富氧装置”次之，“动态优化”最慢。例如：图5(a)中，转速为1 200 r/min和2 200 r/min下，“动态优化”、“富氧装置”和“原机”3种状态下的燃油消耗率分别为260.5～231.7 g/(kW·h)、271.4～240.9 g/(kW·h)和316.6～251.6 g/(kW·h)，下降百分比分别为12.4%、12.7%和25.8%。不同发动机转速下，动态优化控制策略下的燃油消耗率均优于发动机原始状态。由此可得：在4 500 m高原条件下，加入一定量的富氧空气和采用动态优化控制策略，可优化发动机的燃油消耗率及排气温度。

图5 不同工况下油耗及排气温度的变化曲线Fig.5 Changes of fuel consumption and exhaust temperature under different working conditions

图6为气缸内压力变化曲线。不同工况下，发动机爆发压力有较小变化，最大差值为0.2 MPa，并得到：① 发动机在原机状态下，发动机进气量小，过量空气系数小，且缸内温度低，滞燃期长，导致缸内爆发压力较低，放热中心后移，做功能力下降从而导致功率下降，爆压下降，燃油消耗率恶化以及涡后排气温度提高；② 采用膜法富氧装置后，发动机气缸内参与燃烧的氧气量得以增多，气缸内爆发压力有所提高，放热重心前移，在一定程度上恢复了功率，优化了比油耗及排气温度；③ 进一步采用动态优化控制策略后，发动机的热效率进一步提高。由发动机响应结果可以看出：基于动态优化控制策略下发动机具有更低的发动机油耗，因而具有更优越的整车等效燃油经济性。

4.2 高原工况工程车辆车载式膜法富氧装置试验

将装有动态优化控制策略的车载式膜法富氧装置安装于军用车辆上进行高原实车试验。实车试验分为两段，分别是运输车辆经常行走的2个方向路段，第一段为拉萨-日喀则-帕里-亚东，第二段为拉萨-日喀则-拉孜-桑桑-萨嘎。拉萨至亚东路段海拔高度从3 650 m上升至4 573 m，而后降低为2 800 m，如图7(a)所示。第二段拉萨至萨嘎路段海拔高度从3 650 m上升至4 560 m，途中海拔最高点为5 130 m，如图7(b)所示。

图6 气缸内压力变化曲线Fig.6 The curves of pressure change in the cylinder

图7 不同海拔高度工程车辆实验曲线Fig.7 Test of engineering vehicles at different altitudes

两次实验去程车辆满载12 t货物，回程车辆为空载，若车辆在满载工况能满足车辆行驶性能要求，即可验证基于动态优化的车载式膜法富氧装置的有效性和可行性。两段路累计行驶里程2 620 km，平均海拔高度大于4 200 m，平均气温为8 ℃，平均气压为100.5 kPa。经过实验，在不同海拔高度和不同坡度道路条件下，车辆满载和空载均能正常行驶，人工检测未出现排气温度上升、冒黑烟现象。实验结果表明：装有动态优化控制策略的车载式膜法富氧装置，可实现车辆对发动机输出转速和转矩的需求，不同工况下输出量均在额定范围内，满足军用车辆在高海拔地区使用要求。

5 结论

1) 室内实验表明膜法富氧装置和动态优化控制策略切实可行，可有效提高发动机的热值，改善发动机性能。

2) 在4 500 m的高原条件下，加入一定量的富氧空气，不同转速下发动机功率上升比例在3.0%～19.1%，采用动态优化控制策略后发动机功率进一步上升7.6%～23.9%，发动机在动态优化控制策略下，具有较好的节能效果，可降低排气温度。

3) 通过实车试验得出：装有动态优化控制策略的车载式膜法富氧装置，在青藏高原满载运输的情况下，未出现排气温度上升、冒黑烟现象，能够满足不同工况下军用工程车辆在高海拔地区的使用要求。