張旭鵬

內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司科研所 內(nèi)蒙古 包頭 014032

在柴油機性能改進中，渦輪增壓技術(shù)的應用幾乎成為柴油車的標配，也使碳排放量減少。但渦輪增壓也存在不足，如滯遲效應，因此更多研發(fā)人員對電氣增壓技術(shù)越來越關(guān)注。本文通過對原渦輪增壓系統(tǒng)與電輔助增壓系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速不同壓比下的性能表現(xiàn)，借助GT-POWER模型進行對比分析。

1 系統(tǒng)布置及模型建立

以某3.1L直列四缸四沖程直噴柴油機作為研究對象，為渦輪增壓器柴油機，改造為待電輔助增壓器的柴油機，電機直接驅(qū)動壓氣機，由發(fā)電機對渦輪回收能量回收存儲在電池中。電輔助增壓系統(tǒng)中采用的渦輪機、壓氣機，同原渦輪增壓系統(tǒng)相同。電氣增壓系統(tǒng)中發(fā)電機、電動機額定功率根據(jù)原系統(tǒng)氣壓機功率需求，均設定為最大20kW。借助GT-Power建模，對兩種系統(tǒng)的性能差異進行對比。

2 控制策略

在控制策略方面，由于兩種系統(tǒng)不同，所以控制策略也不同。原渦輪增壓發(fā)動機，控制技術(shù)為渦輪旁通控制技術(shù)，依據(jù)發(fā)動機當前轉(zhuǎn)速及負載，對渦輪閥廢氣直徑進行調(diào)整，對渦輪增壓器轉(zhuǎn)速進行控制，進而試下對增壓比進行控制的目的，其中唯一的控制變量為廢氣閥直徑。發(fā)動機如果處于高負荷、低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下時，旁通閥全部關(guān)閉，保證全部廢氣能量被渦輪增壓器回收利用；發(fā)動機如果處于低負荷、高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下時，旁通閥全部打開，保證多余的廢氣能量全部釋放掉，避免渦輪增壓器增壓過度；發(fā)動機在其它工況下工作是，旁通閥開度通過控制器調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)運行時，渦輪增壓能力滿足要求。

電輔助增壓發(fā)動機，控制策略為通過對電動機功率進行控制，到達對電機轉(zhuǎn)速進行控制的目的，從而使壓氣機轉(zhuǎn)動被帶動，實現(xiàn)對壓氣機增壓比控制的目的。為了保證排氣背壓過大，對廢氣閥門直徑還需進行調(diào)節(jié)，保證渦輪機功率控制在20kw以內(nèi)。而廢氣閥直徑與電動機功率為控制變量。通過PID控制器，以定壓比、定轉(zhuǎn)距為目標，對電動機功率進行控制，實現(xiàn)對增壓比控制的目的。電動機工作狀態(tài)下，如功率在20kW以內(nèi)時，可按照發(fā)動機當前負載、轉(zhuǎn)速，對增壓比自由調(diào)控；以渦輪機功率為20kW及優(yōu)化算法，對廢氣閥直徑進行計算；入渦輪機功率低于20kW，廢氣開度則為0。廢氣能量由渦輪機回收后，存儲在發(fā)電機電池中，發(fā)電功率最多不超過20kW；氣壓機與渦輪機分別獨立工作。

3 結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)矩分析 對于柴油機加速性能而言，衡量的重要指標之一為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩。原渦輪增壓柴油機從低速到高速最大轉(zhuǎn)矩輸出為435N*m，出現(xiàn)在2000RPM?？梢姷娃D(zhuǎn)速下，原渦輪增壓柴油機發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩較低，加速性能較差；中低轉(zhuǎn)速下，壓氣機增壓能力利用不充分，繼續(xù)增壓空間仍較大。但渦輪增壓系統(tǒng)中，發(fā)動機當前轉(zhuǎn)速對渦輪增壓器轉(zhuǎn)速存在限制，無法自由增壓；只能對原壓氣機的增壓能力最大限度進行利用，對電機進行利用，驅(qū)動壓氣機增壓。經(jīng)過改進，發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩變化不大，中速下轉(zhuǎn)矩大幅提升，1600RPM轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩大幅增至427N*m，類似于最大轉(zhuǎn)矩范圍擴大；1200RPM轉(zhuǎn)速下，輸出轉(zhuǎn)矩提升至368N*m；當轉(zhuǎn)速達到2000RPM以上后，因電機功率不超過20kW，壓氣機增壓能力下降，轉(zhuǎn)矩低于原渦輪增壓系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速在3000RPM時，轉(zhuǎn)矩下降至320N*m。通過對不同轉(zhuǎn)速下渦輪端進氣溫度進行對比，顯示兩種系統(tǒng)排氣溫度差異不大，且壓氣機功率變化與排氣溫度變化呈一致性，轉(zhuǎn)速在2000RPM以上時，電輔助增壓系統(tǒng)排氣溫度略高；轉(zhuǎn)速在2000RPM以下時，原渦輪增壓系統(tǒng)排氣溫度略高。

電氣增壓技術(shù)與渦輪增壓技術(shù)相比，在渦輪滯后效應問題方面得到了解決，電氣增壓技術(shù)的瞬態(tài)性能更快速。通過對2000RPM轉(zhuǎn)速下兩種系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩從140N*m到430N*m的響應時間進行對比，在1s時轉(zhuǎn)矩開始增壓，電輔助增壓系統(tǒng)達到430N*m轉(zhuǎn)矩時用時3.56s，而渦輪增壓系統(tǒng)達到430N*m轉(zhuǎn)矩時用時7.4s，顯示電氣增壓系統(tǒng)比渦輪增壓系統(tǒng)的響應時間更短。

3.2 能力回收 與渦輪增壓系統(tǒng)相比，電氣增壓系統(tǒng)的另外一個特點是發(fā)動機如果處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，發(fā)電機可將廢氣能量全部回收，并進行存儲，所以系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)于渦輪增壓系統(tǒng)。以3000RPM轉(zhuǎn)速工況為例，對發(fā)電機、電動機不同增壓比下功率消耗進行對比，顯示電動機消耗的功率隨著增壓比的上升而上漲，而發(fā)電機由于受最大功率20kW的限制，在增壓比達到1.75時，功率消耗開始下降，且在此時凈回收功率最大，然后隨增壓比的升高，凈回收功率呈下降趨勢。

衡量系統(tǒng)經(jīng)濟性指標中，發(fā)動機有效燃油消耗率是主要參數(shù)。電輔助增壓系統(tǒng)與渦輪增壓系統(tǒng)在定壓比下，系統(tǒng)處于低增壓比是，燃燒效率較低，但電氣增壓系統(tǒng)高于渦輪增壓系統(tǒng)；增壓比升高后，兩系統(tǒng)燃油效率逐漸持平。綜合考慮發(fā)電機凈回收能量后，在經(jīng)濟性對比中，電輔助增壓系統(tǒng)高于渦輪增壓系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文通過對電輔助增壓系統(tǒng)進行研究，并與傳統(tǒng)渦輪增壓系統(tǒng)性能進行對比，新型電輔助增壓系統(tǒng)的應用，使渦輪滯后效應消除，對柴油機低速轉(zhuǎn)矩不足的特性進行了改進，使系統(tǒng)的經(jīng)濟性得到提升。