柴油機(jī)電動增壓穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)工況控制策略研究

宋彥蘋，程江華，程振宇，郭文君，石磊，鄧康耀

(1.上海交通大學(xué)動力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240；2.中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300400)

電動增壓由高速電機(jī)帶動壓氣機(jī)工作，不依賴柴油機(jī)排氣能量，低速時(shí)可以主動增加進(jìn)氣量，改善油耗，實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)工況的解耦，有效解決渦輪增壓器的遲滯問題，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、體積小，在電氣化、智能化、低碳化趨勢下，必將有很好的發(fā)展前景。

國內(nèi)外企業(yè)和高校對電動增壓的零部件設(shè)計(jì)、匹配應(yīng)用等問題進(jìn)行了諸多研究，取得了一定的成果。三菱重工設(shè)計(jì)了一種電復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng)，電機(jī)直接耦合在渦輪軸上，低轉(zhuǎn)速時(shí)用作電動機(jī)以提高低端扭矩，高速工況用作發(fā)電機(jī)回收能量以改善油耗，試驗(yàn)表明柴油機(jī)穩(wěn)定扭矩提高了約17%?；裟犴f爾在2017年上海車展上展示了先進(jìn)的電動增壓器，直接由電機(jī)驅(qū)動壓氣機(jī)，燃油經(jīng)濟(jì)性可提升10%～15%，并減少20%的NO排放。意大利比薩大學(xué)Pasini研究發(fā)現(xiàn)，電機(jī)外置式汽油機(jī)電渦輪復(fù)合系統(tǒng)可以降低最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速并減少渦輪滯后，但在提高小型乘用車燃油經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)勢并不明顯。意大利摩德納大學(xué)Mattarelli研究了機(jī)電復(fù)合增壓系統(tǒng)在三缸機(jī)上的優(yōu)勢。瑞典林雪平大學(xué)Kristoffer從長距離運(yùn)輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，發(fā)現(xiàn)相比于配備傳統(tǒng)渦輪增壓器，卡車使用電動增壓器燃油率消耗降低了0.9%。韓國漢陽大學(xué)Baek研究發(fā)現(xiàn)，加裝電動增壓器會使BMEP增加，但也會導(dǎo)致NO排放上升。

國內(nèi)對于電動增壓的研究起步較晚。濰柴動力張廣西仿真研究表明，電動增壓需要一定的功率輸出和更大的工作電壓來保證較好的使用效果。福州大學(xué)張衛(wèi)波研究解決了急加速冒黑煙和扭矩不足的問題。天津大學(xué)楊建軍和姚春德研究表明，增加電驅(qū)動壓氣機(jī)的柴油機(jī)加速性能和煙度都得到了顯著的改善，煙度峰值最高可下降20%。Breitbach研究發(fā)現(xiàn)，電動增壓器可以拓寬壓氣機(jī)的工作特性圖，從而實(shí)現(xiàn)更高的增壓壓力,同時(shí)獨(dú)立于廢氣可以實(shí)現(xiàn)更靈活的封裝。

國內(nèi)外前期研究更多關(guān)注電動增壓器設(shè)計(jì)及其與整機(jī)匹配等，對基于能量優(yōu)化的瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)控制策略研究較少。本研究首先探究了電動增壓器對柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的影響規(guī)律，然后從經(jīng)濟(jì)性和動力性兩個(gè)方面探討了電動增壓器轉(zhuǎn)速對低速工況工作性能的改善潛力，獲得了不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)控制策略，最后研究了電動增壓器階躍轉(zhuǎn)速及其維持時(shí)間對柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響，得到了不同負(fù)荷下的最佳瞬態(tài)控制策略。

1 仿真模型建立

本研究以上海柴油機(jī)有限公司SC7H高壓共軌直列6缸增壓柴油機(jī)為基礎(chǔ)搭建了仿真模型，柴油機(jī)參數(shù)見表1。在單級渦輪增壓的基礎(chǔ)上增加電動增壓器，并在其后增加中冷裝置，改進(jìn)后的布置簡圖見圖1a。將電動增壓器置于渦輪增壓器后，有利于增壓壓力的提高以及柴油機(jī)整體性能的改善。一維仿真模型見圖1b，包括氣缸與曲軸箱模塊、進(jìn)氣系統(tǒng)模塊、排氣系統(tǒng)模塊、渦輪增壓器模塊、電動增壓器模塊和兩個(gè)中冷器模塊。選用WFTT-48V電動增壓器，實(shí)物圖及壓氣機(jī)Map見圖2。該電動增壓器的最高轉(zhuǎn)速為70 000 r/min，最高壓比可以達(dá)到1.5。

表1 SC7H柴油機(jī)原機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 SC7H柴油機(jī)結(jié)構(gòu)圖及仿真模型

圖2 電動增壓器及Map圖

將電動增壓器旁通，根據(jù)原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)參數(shù)包括進(jìn)氣量、空燃比、缸壓、功率、油耗、排溫等，結(jié)果見表2，各轉(zhuǎn)速下的校準(zhǔn)缸壓曲線對比見圖3。可以看出，校核的仿真模型具有較高的計(jì)算精度，可以用于仿真計(jì)算。

表2 標(biāo)定工況校核數(shù)據(jù)對比

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的校核缸壓對比

為方便對電動增壓器工作特性進(jìn)行分析，本研究定義了兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)分別用來評價(jià)穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能：將電動增壓器消耗的能量折合到柴油機(jī)總油耗中，得到穩(wěn)態(tài)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)折合燃油消耗率，如式(1)所示；瞬態(tài)響應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)為增壓壓力升高率，定義為瞬態(tài)過程中增壓壓力增量與增壓壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間之比，如式(2)所示。

(1)

(2)

式中：為柴油機(jī)的總有效輸出功率；為電動增壓器的功率；-為柴油機(jī)實(shí)際輸出功率；為柴油機(jī)的有效燃油消耗率；Δ為增壓壓力增量；為增壓壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。

2 電動增壓器影響規(guī)律探究

本研究從穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個(gè)方面探究電動增壓器對柴油機(jī)性能參數(shù)的影響。

2.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)果分析

固定電動增壓器轉(zhuǎn)速為50 000 r/min，分別計(jì)算了不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速全負(fù)荷工況下原機(jī)以及增加電動增壓器后柴油機(jī)的工作性能。表3示出了增加電動增壓器后各性能參數(shù)相比于原機(jī)的變化情況。可以看出，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，扭矩和油耗均有明顯的改善，這是因?yàn)殡妱釉鰤禾岣吡嗽鰤簤毫?，增加了進(jìn)氣量，燃燒情況改善，導(dǎo)致扭矩提高；但高速工況由于廢氣能量大大提高，渦輪做功能力增強(qiáng)，電動增壓器反而會阻礙進(jìn)氣，增加進(jìn)氣阻力，使增壓效果惡化，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性、動力性下降。以電動壓氣機(jī)實(shí)際功率與額定功率(3 kW)比值為標(biāo)準(zhǔn)對不同工況電動增壓介入程度進(jìn)行了劃分，規(guī)定該比值大于0.8為介入程度高，低于0.3為介入程度低，二者之間為中等介入程度。繪制了不同發(fā)動機(jī)工況的控制策略圖(見圖4)，由圖可知電動增壓介入?yún)^(qū)域主要集中在低速高負(fù)荷工況，轉(zhuǎn)速提高渦輪做功能力增強(qiáng)，負(fù)荷降低空燃比增大，氣量充足，電動增壓介入程度應(yīng)逐漸降低，直至完全旁通。

表3 穩(wěn)態(tài)工況電動增壓對柴油機(jī)性能的影響規(guī)律

圖4 不同工況下電動增壓器介入程度控制策略

2.2 瞬態(tài)結(jié)果分析

根據(jù)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果，進(jìn)一步研究電動增壓器對柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響，計(jì)算了定負(fù)荷加速過程，負(fù)荷分別選取25%，50%，75%，100%。

圖5示出100%負(fù)荷800—1 400 r/min加速過程原機(jī)增壓壓比和增加電動增壓后各部件壓比變化趨勢對比?？梢钥闯觯黾与妱釉鰤汉?，柴油機(jī)總壓比與原機(jī)相比在響應(yīng)性和幅值上均有較大提升，這是因?yàn)殡妱釉鰤浩鞑粌H提升了自身壓比，并且通過增加流量提升了渦輪增壓器壓比，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)性。

圖5 100%負(fù)荷加速過程中壓比變化曲線

圖6示出不同負(fù)荷下加速過程有無電動增壓器的增壓壓力升高率值柱狀對比。可以看出，4個(gè)工況下電動增壓系統(tǒng)表現(xiàn)均優(yōu)于原機(jī)。100%負(fù)荷下，加裝電動增壓器后=30.55 kPa/s，相比于原機(jī)28.06 kPa/s提高了8.9%，50%負(fù)荷下響應(yīng)性改善最明顯，值提高了26.5%。

圖6 不同負(fù)荷下加速過程K值對比

3 電動增壓對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

本研究以低轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)工況為研究對象，針對經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算800～1 400 r/min轉(zhuǎn)速下電動增壓輸入能量對壓比、油耗、扭矩等的影響規(guī)律，探討其控制策略。

3.1 電動增壓器輸入能量影響規(guī)律

低速工況下增壓系統(tǒng)各參數(shù)隨電動增壓器轉(zhuǎn)速的變化見圖7。隨著電動增壓器轉(zhuǎn)速的增加，壓比上升，流量增加，使電動增壓器運(yùn)行點(diǎn)靠近喘振區(qū)，效率下降，因此，穩(wěn)態(tài)工況電動增壓器的轉(zhuǎn)速不宜過高；另外，隨著電動增壓器轉(zhuǎn)速的提高，由于進(jìn)氣量增加，排氣能量升高，渦輪增壓器壓比提高，運(yùn)行點(diǎn)向高效率區(qū)移動，故電動增壓器的介入有利于渦輪增壓器的工作。因此，對于穩(wěn)態(tài)工況，增壓系統(tǒng)的整體效率會隨著電動增壓器轉(zhuǎn)速的增加先上升后下降，存在一個(gè)最優(yōu)值使進(jìn)排氣系統(tǒng)能量利用率最高。

圖7 低速工況下增壓系統(tǒng)隨電動增壓器轉(zhuǎn)速的變化

相比于原機(jī)提高的功率與電動增壓器消耗的功率的差值可以表征電動增壓器的介入對于凈輸出功率的提升情況，此處稱之為功率收益。圖8示出功率收益的變化曲線?？梢钥闯觯S著電動增壓器轉(zhuǎn)速的增加，功率收益逐漸增加，尤其在低轉(zhuǎn)速時(shí)更為明顯，功率收益的增加也可以導(dǎo)致整機(jī)油耗在一定程度上降低；但隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，1 400 r/min工況下，電動增壓器轉(zhuǎn)速過高甚至造成凈輸出功率下降。

圖8 功率收益變化曲線

3.2 基于經(jīng)濟(jì)性的穩(wěn)態(tài)控制策略

開展了以經(jīng)濟(jì)性為目的的電動增壓器能量控制策略研究，以低折合油耗為基本原則，保證扭矩不降。圖9示出了不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下折合油耗隨電動增壓器轉(zhuǎn)速的變化情況。可以看出隨著電動增壓器轉(zhuǎn)速增加，最高油耗呈現(xiàn)降低的趨勢。經(jīng)濟(jì)性控制策略以0.2 MPa燃燒壓力余量作為最優(yōu)電動增壓器轉(zhuǎn)速確定點(diǎn)(見圖中星號)?？梢园l(fā)現(xiàn)，最優(yōu)電動增壓器轉(zhuǎn)速的變化趨勢與最高燃燒壓力限制線基本一致，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的上升先下降后上升。這是因?yàn)殡S著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，渦輪功逐漸增大，為了降低油耗可以降低電動增壓器的輸入能量；隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，在1 400 r/min工況，由于排氣能量升高，渦輪增壓系統(tǒng)可以提供足夠的增壓壓力，因此應(yīng)將電動增壓器旁通。

圖9 以經(jīng)濟(jì)性為目的的穩(wěn)態(tài)控制策略

表4示出以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為原則的穩(wěn)態(tài)控制策略的控制效果?？梢钥闯觯退俟r下油耗均下降，扭矩均上升，而且轉(zhuǎn)速越低改善效果越明顯，800 r/min時(shí)，原機(jī)燃油消耗率為227.0 g/(kW·h)，改善后折合燃油消耗率為209.3 g/(kW·h)，降低了約8%。

表4 經(jīng)濟(jì)性穩(wěn)態(tài)控制策略及效果

4 電動增壓對柴油機(jī)動力性的影響

加裝電動增壓器后，柴油機(jī)空氣流量增加，進(jìn)而可以提高柴油機(jī)油量與功率，本研究針對低速穩(wěn)態(tài)工況渦輪增壓柴油機(jī)動力性展開研究。

4.1 電動增壓器輸入能量影響規(guī)律

圖10示出不同電動增壓器轉(zhuǎn)速下扭矩隨噴油量的變化?？梢钥闯?，增加電動增壓器后的柴油機(jī)扭矩均大于原機(jī)扭矩(836 N·m)，而且隨著噴油量和電動增壓器轉(zhuǎn)速的增加，扭矩均線性上升，電動增壓器轉(zhuǎn)速每增加5 000 r/min，扭矩約增加20 N·m；噴油量每增加4 mg/cycle，扭矩約增加35 N·m。這是由于電動增壓器轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致進(jìn)氣量增加，同時(shí)配合噴油量的增加，導(dǎo)致混合氣總量增加，因此扭矩上升。

圖10 扭矩變化曲線

圖11示出燃燒壓力和空燃比隨噴油量及電動增壓器轉(zhuǎn)速的變化?？梢钥闯?，隨著噴油量的增加，空燃比降低，燃燒壓力升高，導(dǎo)致扭矩也升高。一方面是因?yàn)殡S著噴油量的提高，排氣能量增加，導(dǎo)致增壓壓力增加，進(jìn)氣量增加，混合氣變濃的同時(shí)總量增加，燃燒改善，燃燒壓力上升；另一方面是因?yàn)樵鰤簤毫μ岣邔?dǎo)致壓縮初始壓力提高，從而燃燒壓力升高。噴油量一定時(shí)，隨著電動增壓器轉(zhuǎn)速的提高，空燃比逐漸增大，燃燒質(zhì)量改善，同時(shí)增壓壓力提高，燃燒壓力提高，使扭矩增加。

圖11 燃燒壓力和空燃比變化

4.2 基于動力性的穩(wěn)態(tài)控制策略

本研究以提升扭矩為目的開展了動力性穩(wěn)態(tài)控制策略研究。圖12示出1 000 r/min穩(wěn)態(tài)工況下扭矩隨電動增壓器轉(zhuǎn)速和噴油量的變化。最高燃燒壓力限制線和油耗限制線之間為性能優(yōu)化區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)隨著噴油量的增加和電動增壓器轉(zhuǎn)速的增加扭矩均逐漸增加，在距離最高燃燒壓力限制0.2 MPa、距離燃油消耗率限制1 g/(kW·h)處選取扭矩最大的點(diǎn)(噴油量為120 mg，電動增壓器轉(zhuǎn)速為41 200 r/min)為該工況下的最優(yōu)控制策略，仿真結(jié)果表明扭矩提高了15.64%。

圖12 以動力性為目的的穩(wěn)態(tài)控制策略(1 000 r/min)

表5列出了不同工況下的最優(yōu)參數(shù)以及性能改善效果。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，最優(yōu)電動增壓器轉(zhuǎn)速與經(jīng)濟(jì)性控制策略變化趨勢相同。與表4對比可以發(fā)現(xiàn)，基于動力性的最佳電動增壓器轉(zhuǎn)速均低于同轉(zhuǎn)速工況下的經(jīng)濟(jì)性最佳轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)閲娪土康脑黾訒岣呋旌蠚獾目偰芰?，?dǎo)致燃燒壓力上升，需要降低電動增壓器轉(zhuǎn)速。從表5可以看出800 r/min時(shí)扭矩提升最大，達(dá)到了27%，同時(shí)燃油消耗率均有小幅度的下降，經(jīng)濟(jì)性得到改善。

表5 動力性穩(wěn)態(tài)控制策略及效果

5 瞬態(tài)加速控制策略研究

本研究針對不同負(fù)荷下800—1 400 r/min加速過程進(jìn)行響應(yīng)性分析，開展了瞬態(tài)控制策略研究，暫時(shí)不考慮排放特性。

圖13示出初步制定的8種電動增壓器介入方案。根據(jù)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果可知，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在800～1 400 r/min之間時(shí)，最優(yōu)電動增壓器轉(zhuǎn)速均位于45 000～70 000 r/min內(nèi)，因此瞬態(tài)過程中電動增壓器轉(zhuǎn)速均在此范圍內(nèi)。另外，為了進(jìn)一步提高響應(yīng)性，在瞬態(tài)過程發(fā)生瞬間，首先將電動增壓器轉(zhuǎn)速提高到某個(gè)較高水平，保持一段時(shí)間后再恢復(fù)穩(wěn)態(tài)值，分別研究該高階躍值及其維持時(shí)間對響應(yīng)性的影響，尋找不同負(fù)荷下的最優(yōu)控制策略。方案一為800 r/min穩(wěn)態(tài)線性過渡至1 400 r/min穩(wěn)態(tài)，方案二至方案四階躍轉(zhuǎn)速分別為60 000，65 000，70 000 r/min，并維持1 s，方案五至方案八階躍轉(zhuǎn)速為70 000 r/min，分別維持0.5 s，1.5 s，2 s，2.5 s。

圖13 電動增壓器介入方案

圖14示出不同方案100%負(fù)荷加速過程增壓壓力隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯觯桨噶?、方案七和方案八由于電動增壓器階躍轉(zhuǎn)速較高且持續(xù)時(shí)間較長,導(dǎo)致了很大的超調(diào)，這會造成發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定，并且會引起不必要的能量損耗。其他5個(gè)方案增壓壓力變化趨勢可以從圖14中的方框中展現(xiàn)，放大如圖15所示。方案二和方案三由于階躍轉(zhuǎn)速較低，曲線初始上升斜率較小，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，而方案五雖然初始斜率很高，但由于維持時(shí)間較短，在10.6 s時(shí)斜率就開始下降，也造成了調(diào)節(jié)時(shí)間的加長。因此方案四為最佳方案，電動增壓器階躍轉(zhuǎn)速為70 000 r/min，維持時(shí)間1 s，超調(diào)量較小且調(diào)節(jié)時(shí)間短。計(jì)算各方案的增壓壓力升高率(見表6)?？梢钥闯龇桨杆牡闹底畲?，為41.96 kPa/s，相比于線性變化的方案一提高了20.16%。

圖14 不同方案下100%負(fù)荷增壓壓力變化曲線

圖15 不同方案下100%負(fù)荷增壓壓力放大圖

表6 不同方案下100%負(fù)荷K值對比

由于方案六至方案八超調(diào)量過大，方案二調(diào)節(jié)時(shí)間過長、響應(yīng)性不好，圖16僅繪出了方案一、方案三、方案四和方案五不同負(fù)荷下的值對比柱狀圖?？梢钥闯?，100%負(fù)荷下方案四值最大，而部分負(fù)荷下均為方案五值最大，這是由于部分負(fù)荷下目標(biāo)增壓壓力較低，因此隨著負(fù)荷的降低，應(yīng)縮小電動增壓器階躍轉(zhuǎn)速的維持時(shí)間。75%負(fù)荷采用方案五，值相比于原機(jī)提高了46.35%，100%負(fù)荷采用方案四，值相比于原機(jī)提高了49.54%。

圖16 不同方案不同負(fù)荷下加速過程K值對比

6 結(jié)論

a) 加裝電動增壓器，并在高轉(zhuǎn)速時(shí)加以旁通，可以兼顧穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能;以經(jīng)濟(jì)性為目的，隨著電動增壓器轉(zhuǎn)速的升高，空燃比增大，泵氣功增大，折合燃油消耗率降低，800 r/min時(shí)，電動增壓器轉(zhuǎn)速取65 000 r/min，燃油消耗率降低了17.7 g/(kW·h)；以動力性為目的，增加噴油量，增壓壓力升高，空燃比略降，放熱率、燃燒壓力提高，扭矩增大，800 r/min時(shí)電動增壓器轉(zhuǎn)速取55 500 r/min，扭矩可提升27%；

b) 低速工況下，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電動增壓器轉(zhuǎn)速應(yīng)逐漸降低，1 400 r/min及以上高速工況將電動增壓器旁通；基于動力性的控制策略中，由于增加了噴油量，燃燒壓力升高，電動增壓器轉(zhuǎn)速整體低于經(jīng)濟(jì)性控制策略中的電動增壓器轉(zhuǎn)速；

c) 電動增壓器階躍轉(zhuǎn)速越高，增壓壓力上升斜率越快，但維持時(shí)間過長會導(dǎo)致超調(diào)量過大；隨著負(fù)荷的下降，電動增壓器階躍轉(zhuǎn)速維持時(shí)間應(yīng)逐漸減小，100%負(fù)荷工況，采用70 000 r/min維持1 s，值提高了49.54%。