重型車用柴油機(jī)廢氣發(fā)電復(fù)合渦輪行駛工況的適應(yīng)性

謝 輝，李蘇蘇(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

重型車用柴油機(jī)廢氣發(fā)電復(fù)合渦輪行駛工況的適應(yīng)性

謝 輝，李蘇蘇
(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對發(fā)電復(fù)合渦輪形式對發(fā)動機(jī)余熱回收效果的影響，建立了詳細(xì)的某重型柴油機(jī)廢氣渦輪回收整車仿真平臺，構(gòu)建了電輔助復(fù)合渦輪、并聯(lián)復(fù)合渦輪、純電動復(fù)合渦輪和串聯(lián)復(fù)合渦輪4種形式廢氣能量回收方案，對比分析了這4種典型的復(fù)合渦輪結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)外特性、瞬態(tài)工況和道路運(yùn)行工況下的廢氣能量轉(zhuǎn)換效率及節(jié)油效果．研究結(jié)果表明，不同的駕駛工況應(yīng)選用不同的復(fù)合渦輪形式；采用基于渦前壓力動態(tài)優(yōu)化控制，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)功率與渦輪發(fā)電功率合理分配、達(dá)到發(fā)動機(jī)總體效率優(yōu)化的關(guān)鍵．研究結(jié)果對于復(fù)合渦輪結(jié)構(gòu)選型以及發(fā)電復(fù)合渦輪與發(fā)動機(jī)的匹配與集成具有指導(dǎo)價(jià)值．

柴油機(jī)；余熱能利用；復(fù)合渦輪；運(yùn)行工況

內(nèi)燃機(jī)作為主要的動力輸出裝置，每年消耗的石油約占全國石油消耗總量的60%，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的排放污染物．節(jié)能減排是內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)．目前，常規(guī)汽油機(jī)和柴油機(jī)的熱效率分別在30%和40%左右．利用各種先進(jìn)的燃燒方式或采用余熱回收等技術(shù)提高內(nèi)燃機(jī)熱效率一直是行業(yè)研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題．研究表明，燃油在發(fā)動機(jī)中燃燒產(chǎn)生的能量約有33%以尾氣的形式排放到大氣中，還有29%的能量以摩擦和冷卻水散熱等方式損失[1]．美國能源部支持下的GM、BMW、Cummins以及ORNL、RTI等國家實(shí)驗(yàn)室已開展發(fā)動機(jī)余熱能回收利用技術(shù)的研究，該技術(shù)具有使柴油機(jī)熱效率在未來10～15年的時(shí)間內(nèi)提升至60%的潛力．可見發(fā)動機(jī)余熱能量的有效利用，對于降低燃油消耗，提高發(fā)動機(jī)的能量利用率具有重要意義．

朗肯循環(huán)、復(fù)合渦輪、熱電轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)余熱能回收的主要方式[2]．其中，復(fù)合渦輪技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和布置結(jié)構(gòu)相對簡單，對原機(jī)改動較小，控制手段靈活，近年來得到了迅速發(fā)展，國內(nèi)外著名的研發(fā)機(jī)構(gòu)在相關(guān)方面開展了積極的研究工作．Caterpillar公司開發(fā)了使用電輔助渦輪回收發(fā)動機(jī)排氣能量的ETC(electrical turbo-compound)系統(tǒng)，研究表明ETC系統(tǒng)具有很大的節(jié)油潛力，在標(biāo)定功率點(diǎn)可減少10%的燃油消耗，考慮到不同路況的影響，綜合燃油消耗也可實(shí)現(xiàn)5%左右的降低[3]．CPT公司研發(fā)了一種TIGERS(turbogenerator integrated gas energy recovery system)，該系統(tǒng)通過廢氣直接驅(qū)動電渦輪回收能量，在4缸2,L的自然吸氣式發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用[4]．Bowman公司提出了ETC復(fù)合渦輪技術(shù)，系統(tǒng)通過二級增壓器和一個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)組合進(jìn)行能量回收，在柴油機(jī)常用的中高負(fù)荷工況下，燃油消耗平均降低10%[5]．

復(fù)合渦輪應(yīng)用于發(fā)動機(jī)余熱能回收具有極大的節(jié)油潛力，但發(fā)電渦輪與發(fā)動機(jī)的組合形式并非單一．發(fā)電復(fù)合渦輪的組合形式主要有電輔助復(fù)合渦輪、串聯(lián)復(fù)合渦輪、并聯(lián)復(fù)合渦輪和純電動復(fù)合渦輪．不同的復(fù)合渦輪形式會對余熱利用效率及發(fā)動機(jī)本機(jī)效率產(chǎn)生不同的影響，且回收效果受工況的影響較大．清華大學(xué)開展了汽油機(jī)與不同復(fù)合渦輪搭配下的性能分析[6-7]，主要在US06和FTP75駕駛循環(huán)工況下比較不同形式復(fù)合渦輪油耗改善效果．意大利都靈理工大學(xué)的Millo等[8]對電輔助復(fù)合渦輪應(yīng)用于重型柴油機(jī)對排氣能量的回收利用潛力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在不同的駕駛循環(huán)下，油耗可實(shí)現(xiàn)1%～6%的改善，其中在HWFET駕駛循環(huán)下可實(shí)現(xiàn)最佳5.4%的油耗改善，而在CBD駕駛循環(huán)下只能實(shí)現(xiàn)3.2%的節(jié)油效果．

本文為了研究復(fù)合渦輪形式對發(fā)動機(jī)余熱回收效率的影響，建立了詳細(xì)的某重型柴油機(jī)廢氣渦輪回收的整車仿真平臺，構(gòu)建了電輔助復(fù)合渦輪、并聯(lián)復(fù)合渦輪、純電動復(fù)合渦輪和串聯(lián)復(fù)合渦輪4種形式廢氣能量收回方案，研究了4種典型的廢氣發(fā)電復(fù)合渦輪在穩(wěn)態(tài)工況、瞬態(tài)工況和實(shí)際道路運(yùn)行工況等典型運(yùn)行條件下廢氣能量轉(zhuǎn)換效率及節(jié)油效果，并提出了基于渦前壓力動態(tài)優(yōu)化控制的復(fù)合渦輪匹配思想，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)功率與渦輪電功率的合理分配，達(dá)到發(fā)動機(jī)熱效率最大化的目的．

1 發(fā)動機(jī)及整車建模

筆者以一款11.6,L大排量增壓柴油機(jī)為參考建立發(fā)動機(jī)模型，同時(shí)以某重型卡車為參考建立了整車模型以滿足駕駛循環(huán)仿真分析的需要．柴油機(jī)原機(jī)及整車參數(shù)見表1．基于一維發(fā)動機(jī)仿真軟件GTPower搭建的原機(jī)柴油機(jī)模型如圖1所示．柴油機(jī)模型主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、中冷系統(tǒng)、氣缸和曲軸箱、渦輪機(jī)和壓氣機(jī)等；此外，通過增加發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電池及發(fā)電渦輪等模塊來構(gòu)建不同形式的復(fù)合渦輪．該仿真模型可實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)常規(guī)工作特性和復(fù)合渦輪回收排氣余熱能的模擬．同時(shí)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的燃燒模型構(gòu)建和缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)描述也能夠反映出運(yùn)行工況和空燃比對發(fā)動機(jī)燃燒的影響．將該發(fā)動機(jī)模型與車輛模型、動力總成、駕駛員模型以及道路模型等子模型集成為GT-SUITE中的整車模型，如圖2所示．該整車模型可根據(jù)循環(huán)駕駛工況的要求，通過駕駛員模型調(diào)節(jié)加速踏板和制動踏板開度來跟蹤目標(biāo)車速，實(shí)現(xiàn)整車按照指定駕駛工況運(yùn)行．

通過配置非結(jié)構(gòu)性參數(shù)使模型盡可能接近參考機(jī)型．圖3是外特性下模型計(jì)算得到的扭矩、功率和油耗數(shù)據(jù)與原機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，偏差在5%以內(nèi)．

圖1 利用GT-Power搭建的詳細(xì)發(fā)動機(jī)平臺Fig.1Detailed engine simulation platform built with GTPower software

表1 柴油機(jī)及整車配置參數(shù)Tab.1 Parameters of diesel engine and vehicle

圖2 增壓柴油機(jī)模型耦合整車仿真模型Fig.2 Schematic simulation model of turbo-charged diesel engine coupled with vehicle

圖3 柴油機(jī)模型外特性與參考機(jī)型的對比Fig.3 Comparison of engine performance between simulation and experiment under full-load operating conditions

2 不同形式的復(fù)合渦輪工況適應(yīng)性

2.1 廢氣發(fā)電復(fù)合渦輪的結(jié)構(gòu)

本文主要對比分析如下4種形式的廢氣發(fā)電復(fù)合渦輪方案，如圖4所示．①圖4(a)為電輔助渦輪方案：發(fā)電機(jī)/電動機(jī)集成安裝在增壓器轉(zhuǎn)動軸上，當(dāng)廢氣能量超過增壓器所需能量時(shí)回收多余能量，而進(jìn)氣量不足時(shí)，電機(jī)則驅(qū)動增壓器輔助增壓．本方案的控制對象是發(fā)電機(jī)/電動機(jī)的發(fā)電功率，控制目標(biāo)是增壓壓力．②圖4(b)是并聯(lián)復(fù)合渦輪方案：排氣能量分為兩部分，一部分廢氣由發(fā)動機(jī)排出直接經(jīng)過旁通閥進(jìn)入動力渦輪發(fā)電，另一部分用于廢氣渦輪增壓滿足發(fā)動機(jī)進(jìn)氣需求．本方案的控制對象是節(jié)流閥，控制目標(biāo)是增壓壓力．③圖4(c)為純電動復(fù)合渦輪方案：渦輪機(jī)和壓氣機(jī)之間無機(jī)械連接，可獨(dú)立工作．渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)連接將廢氣用于發(fā)電回收到電池，同時(shí)電動機(jī)使用電池能量驅(qū)動壓氣機(jī)正常工作，即以電機(jī)驅(qū)動電功率為進(jìn)氣系統(tǒng)控制對象，以增壓壓力為控制目標(biāo)；在排氣側(cè)，控制對象是發(fā)電機(jī)發(fā)電功率，控制目標(biāo)是排氣背壓．④圖4(d)為串聯(lián)復(fù)合渦輪方案：采用二級渦輪發(fā)電，排氣經(jīng)過二次膨脹做功發(fā)電．一級增壓通過增壓器放氣閥門控制增壓壓力．

圖4 不同形式的復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng)Fig.4 Different electric turbo-compound systems

2.2 復(fù)合渦輪發(fā)動機(jī)外特性對比

本文將原機(jī)以及4種不同形式的復(fù)合渦輪系統(tǒng)在外特性工況下的性能進(jìn)行了詳細(xì)的對比．如圖5所示，4種形式的復(fù)合渦輪方案均須滿足與原機(jī)相同的增壓壓力控制MAP，該MAP數(shù)據(jù)通過原發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定獲得．

圖5 目標(biāo)增壓壓力MAPFig.5 Target intake pressure MAP

值得注意的是發(fā)動機(jī)在大轉(zhuǎn)速高負(fù)荷情況下，排氣背壓過高會影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，因此，4種形式的復(fù)合渦輪壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的MAP都在原機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的調(diào)整．圖6為進(jìn)氣量及空燃比對比，原機(jī)與4種形式的復(fù)合渦輪系統(tǒng)的進(jìn)氣量相當(dāng)，偏差不超過5%，同時(shí)由于不同復(fù)合渦輪方案下的噴油量設(shè)定保持不變，因而缸內(nèi)的空燃比基本保持不變．可見上述4種形式的復(fù)合渦輪系統(tǒng)在回收排氣余熱能的同時(shí)均能夠較好地滿足外特性下的扭矩輸出要求，且與原機(jī)相同的缸內(nèi)空燃比控制也使得后續(xù)的方案比較和分析具有可對比性．

圖6 外特性下不同復(fù)合渦輪系統(tǒng)空燃比和進(jìn)氣量對比Fig.6 Comparison of AFR and intake mass flow among different turbo-compound systems under full-load operating conditions

圖7 為外特性下各種形式復(fù)合渦輪的回收電功率曲線．可以看出，在600～1,000,r/min的低轉(zhuǎn)速下，排氣能量不足，幾乎無電能回收．而在中高負(fù)荷工況下，隨著排氣能量不斷提高，4種形式的復(fù)合渦輪發(fā)電功率也逐漸增加，其中串聯(lián)復(fù)合渦輪全部排氣經(jīng)過回收電渦輪進(jìn)行二次膨脹做功，回收的排氣能量最高，最大回收電功率可達(dá)35,kW；其次是電輔助復(fù)合渦輪，最大回收電功率為20,kW．電輔助渦輪采用了發(fā)電/電動集成式的電機(jī)，電機(jī)與壓氣機(jī)同軸轉(zhuǎn)速較高，渦輪基本工作在高效區(qū)域，因而回收能量高，優(yōu)勢較為明顯，但受膨脹比限制，其回收能量低于串聯(lián)復(fù)合渦輪．

圖7 外特性下不同復(fù)合渦輪回收電功率比較Fig.7 Comparison of electricity generation between among turbo-compound systems under full-load operating conditions

復(fù)合渦輪的應(yīng)用對發(fā)動機(jī)本機(jī)效率的影響主要是通過排氣背壓產(chǎn)生的[9-10]．各發(fā)電復(fù)合渦輪形式對發(fā)動機(jī)排氣背壓的影響如圖8所示．可以看出串聯(lián)渦輪對排氣背壓的影響最大，如2,000,r/min時(shí)排氣背壓為0.40,MPa，遠(yuǎn)高于原機(jī)排氣背壓0.28,MPa．相比于串聯(lián)渦輪，并聯(lián)渦輪通過節(jié)流閥將剩余的排氣流量分配給渦輪發(fā)電機(jī)，也會產(chǎn)生一定的節(jié)流損失從而導(dǎo)致排氣背壓的升高，影響發(fā)動機(jī)的本機(jī)效率．純電動復(fù)合渦輪對排氣壓力的影響最小，發(fā)動機(jī)泵氣損失最?。?/p>

圖8 外特性下發(fā)動機(jī)排氣背壓的比較Fig.8Comparison of exhaust pressure among different turbo-compound systems under full-load operating conditions

不同的復(fù)合渦輪節(jié)能潛力比較主要包括發(fā)動機(jī)有效輸出功和渦輪回收能量兩部分．本研究中是以并聯(lián)混合動力方案為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行考慮的，所回收的電能均是通過ISG電機(jī)輸出到曲軸上，電能轉(zhuǎn)化效率不受復(fù)合渦輪方案差異的影響．本文將回收的電能用作曲軸功輸出，暫不考慮發(fā)動機(jī)和電機(jī)復(fù)雜的耦合影響，避免增加本文研究分析的難度．綜合考慮ISG電機(jī)的車用工況效率，選取轉(zhuǎn)化效率為85%[11]．

綜合曲軸輸出功率及電功率轉(zhuǎn)化后的輔助功率，4種復(fù)合渦輪的柴油機(jī)總?cè)加拖穆?BSFC)見圖9．結(jié)果表明，串聯(lián)復(fù)合渦輪回收系統(tǒng)總?cè)加拖穆首畹?，?jié)能潛力最大，在1,900,r/min全負(fù)荷工況下油耗降低11.6%．電輔助復(fù)合渦輪形式同樣在1,900,r/ min、全負(fù)荷時(shí)達(dá)到最佳的燃油改善，油耗下降7.0%．純電動及并聯(lián)形式節(jié)能效果比較有限．這些結(jié)果與綜合渦輪回收電功率以及排氣背壓對發(fā)動機(jī)本機(jī)影響規(guī)律得到了相互驗(yàn)證．

圖9 外特性下發(fā)動機(jī)油耗的比較Fig.9Comparison of fuel consumption amongdifferent turbo-compound systems under full-load operating conditions

2.3 復(fù)合渦輪瞬態(tài)工況特性的對比

在實(shí)際過程中，發(fā)動機(jī)大部分時(shí)間都運(yùn)行在瞬態(tài)工況下，因而針對復(fù)合渦輪應(yīng)用于發(fā)動機(jī)瞬態(tài)的性能分析則更為重要．本研究將復(fù)合渦輪分為兩類，一類為配有電增壓的電輔助渦輪和純電動渦輪，另一類為僅有廢氣渦輪增壓的并聯(lián)渦輪和串聯(lián)渦輪．以下主要通過電輔助渦輪和并聯(lián)復(fù)合渦輪的瞬態(tài)工況仿真來分析和對比這兩類渦輪形式的不同瞬態(tài)工作特性.

在瞬態(tài)過渡過程中，由于渦輪存在轉(zhuǎn)速的遲滯效應(yīng)，原機(jī)增壓壓力的變化總是滯后于需求的目標(biāo)壓力，造成燃燒時(shí)實(shí)際空燃比與理論最優(yōu)空燃比之間存在較大的偏差，因而燃燒惡化，燃油經(jīng)濟(jì)性變差．而電輔助系統(tǒng)則可以利用蓄電池提供附加能量驅(qū)動增壓器工作，提高進(jìn)氣量，改善增壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)性能．較快的壓力跟隨可盡快實(shí)現(xiàn)期望的較高缸內(nèi)空燃比，從而獲得較高的發(fā)動機(jī)效率．圖10為電輔助渦輪和并聯(lián)復(fù)合渦輪回收形式下進(jìn)氣壓力的變化情況，可以看出與原機(jī)相比，電輔助渦輪可以更好地實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力與目標(biāo)壓力的跟隨，而并聯(lián)復(fù)合渦輪雖然相比原機(jī)實(shí)現(xiàn)了較好的進(jìn)氣壓力跟隨，但與電輔助渦輪相比仍有一定的差距．為了定量比較由這兩類復(fù)合渦輪方案中不同增壓壓力跟隨效果對發(fā)動機(jī)效率的影響，計(jì)算了各個(gè)方案的平均發(fā)動機(jī)效率，原機(jī)、電輔助方案和并聯(lián)方案的發(fā)動機(jī)效率分別為35.89%、39.90%和38.80%．由此可見，改善增壓壓力的跟隨情況，可以有效提升發(fā)動機(jī)本機(jī)效率．

發(fā)動機(jī)工作于瞬態(tài)工況時(shí)，并聯(lián)復(fù)合渦輪排氣能量瞬時(shí)不足，難以驅(qū)動壓氣機(jī)迅速建立增壓．串聯(lián)復(fù)合渦輪也因沒有輔助增壓系統(tǒng)，在瞬態(tài)過程中存在渦輪遲滯效應(yīng)，因而發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性改善略低于電輔助渦輪和純電動渦輪．

圖10 復(fù)合渦輪瞬態(tài)增壓壓力跟隨情況對比Fig.10 Comparison of intake pressure following performance among different turbo-compound systems

在能量回收方面，電輔助渦輪發(fā)電轉(zhuǎn)子為增壓器軸，轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定，發(fā)電效率高．并聯(lián)的發(fā)電渦輪在加、減速工況下，由于排氣流量不穩(wěn)定，使得發(fā)電渦輪存在頻繁加速和減速過程且常處于低速運(yùn)行狀態(tài)，如圖11所示．瞬態(tài)和低速過程使得發(fā)電渦輪效率降低，因此，并聯(lián)復(fù)合渦輪在發(fā)動機(jī)瞬態(tài)過渡時(shí)，受到變轉(zhuǎn)速及低轉(zhuǎn)速下較低的瞬態(tài)渦輪效率的限制，使得油耗改善程度均低于電輔助渦輪形式．

圖11 變工況下的復(fù)合渦輪的渦輪轉(zhuǎn)速變化Fig.11Comparison of turbo speed among different turbocompound systems under transient operating conditions

2.4 復(fù)合渦輪典型運(yùn)行工況的適應(yīng)性

本文參考實(shí)際采集到的天津泰達(dá)公交工況和HWFET駕駛循環(huán)兩種典型的運(yùn)行工況進(jìn)行了不同復(fù)合渦輪節(jié)油效果對比，具體的工況速度曲線如圖12所示．由司機(jī)模型通過踏板PID控制器實(shí)現(xiàn)整車車速需求．整車仿真過程中，排氣驅(qū)動復(fù)合渦輪系統(tǒng)發(fā)電，產(chǎn)生的電能存入蓄電池，將所有回收的電能折合為燃油量，計(jì)算得到車輛的總?cè)加拖腫12]如圖13和圖14所示．總體而言，在復(fù)合渦輪發(fā)電系統(tǒng)的輔助下，不同形式的復(fù)合渦輪相比原機(jī)油耗均有所降低．與穩(wěn)態(tài)工況仿真結(jié)果略有不同的是在公交運(yùn)行工況下，電輔助復(fù)合渦輪形式對排氣能量的綜合利用率最高，實(shí)現(xiàn)了6.8%的油耗改善．在公交工況下，電輔助復(fù)合渦輪的形式以其較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和較佳的壓力跟隨，提高了發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)燃燒性能，油耗得到了顯著的改善；高速公路工況下，采用串聯(lián)復(fù)合渦輪方案的百公里油耗最低，可降低油耗5.1%．由此可見，不同運(yùn)行工況應(yīng)采用不同形式的復(fù)合渦輪來達(dá)到最佳的節(jié)油效果，其中電輔助渦輪適合瞬態(tài)工況比例高的運(yùn)行工況，串聯(lián)渦輪適合車速高、運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷大的運(yùn)行工況．

2.5 基于渦前壓力的發(fā)動機(jī)功率與渦輪發(fā)電功率折中特性

前述研究表明，復(fù)合渦輪在柴油機(jī)上的應(yīng)用會影響發(fā)動機(jī)渦前排氣壓力(即排氣背壓)，而渦前壓力的增大則會使得發(fā)動機(jī)泵氣損失增大，油耗惡化，可見排氣背壓是實(shí)現(xiàn)復(fù)合渦輪優(yōu)化的關(guān)鍵．因此，筆者通過采用可變截面渦輪搭配電輔助復(fù)合增壓，在同一個(gè)發(fā)動機(jī)工況和相同進(jìn)氣量下，通過調(diào)整渦輪截面來研究排氣背壓對排氣能量回收和本機(jī)功率的影響.

可變截面電輔助復(fù)合渦輪在1,900,r/min、1,600,r/ min和1,300,r/min全負(fù)荷工況下，渦前壓力對發(fā)動機(jī)功率及渦輪發(fā)電功率的影響如圖15所示．從仿真結(jié)果可以看出，隨著渦前壓力的增加，發(fā)動機(jī)本機(jī)功率降低，渦輪發(fā)電功率增加．發(fā)動機(jī)本機(jī)功率的降低和渦輪發(fā)電功率的上升使得發(fā)動機(jī)總功率先增大后減小，故發(fā)動機(jī)每一個(gè)工況點(diǎn)存在一個(gè)最佳的渦前壓力，使得發(fā)動機(jī)總功率輸出最高．

圖12 兩種典型運(yùn)行工況速度曲線Fig.12 Speed curves of bus driving condition and highway condition

圖13 公交運(yùn)行工況百公里油耗比較Fig.13 Comparison of fuel consumption among different turbo-compound systems under bus driving condition

圖14 高速運(yùn)行工況百公里油耗比較Fig.14 Comparison of fuel consumption among different turbo-compound systems under highway condition

圖15 渦前壓力對發(fā)電功率和發(fā)動機(jī)功率的影響Fig.15Effects of exhaust pressure on electricity generation and engine power

因此，基于以上研究結(jié)果，通過渦前壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，構(gòu)建復(fù)合渦輪發(fā)電功率與發(fā)動機(jī)功率分配控制器．該控制思想是實(shí)時(shí)計(jì)算出最佳的渦前壓力，使得該時(shí)刻發(fā)動機(jī)輸出功率及電渦輪輸出功率總和最大．通過對VGT導(dǎo)流葉片位置的PID控制達(dá)到該目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)總能效率的最大化．

基于該方法運(yùn)行與泰達(dá)公交工況匹配的變截面電輔助復(fù)合渦輪整車模型．圖16為優(yōu)化算法計(jì)算得到的渦前壓力目標(biāo)值與渦前壓力實(shí)際值的變化曲線．采用渦前壓力控制后的油耗與不進(jìn)行控制的油耗對比結(jié)果見表2．結(jié)果表明，對電輔助復(fù)合渦輪渦前壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過規(guī)劃發(fā)動機(jī)輸出功率和渦輪發(fā)電功率，相比于無渦前壓力控制，可使整車百公里油耗進(jìn)一步改善1.4%．

圖16 優(yōu)化后的渦前壓力瞬態(tài)跟隨效果Fig.16 Following performance of intake pressure with optimized exhaust pressure control strategy

表2 有無渦前壓力控制的油耗對比Tab.2 Comparison of fuel consumption with and withoutexhaust pressure optimization

3 結(jié) 論

(1) 不同運(yùn)行工況應(yīng)采用不同形式的復(fù)合渦輪來達(dá)到最佳的節(jié)油效果．穩(wěn)態(tài)工況下，串聯(lián)復(fù)合渦輪對排氣能量的回收最大，適合于高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷且穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行工況．

(2) 電輔助渦輪的瞬態(tài)響應(yīng)性好，通過余熱回收的方式獲得電輔助增壓的動力來源，提高了增壓器的瞬態(tài)目標(biāo)壓力跟隨響應(yīng)性能，改善了發(fā)動機(jī)本機(jī)效率，因而適合瞬態(tài)運(yùn)行比例高的運(yùn)行工況．

(3) 復(fù)合發(fā)電渦輪余熱能回收效果與發(fā)動機(jī)本機(jī)效率存在耦合特性，渦前壓力是兩者相互耦合作用的主要影響因素．

(4) 基于渦前壓力的優(yōu)化控制策略，可合理規(guī)劃發(fā)動機(jī)曲軸輸出功率與渦輪發(fā)電功率分配，實(shí)現(xiàn)復(fù)合渦輪與發(fā)動機(jī)本機(jī)的總效率最佳．在實(shí)際道路公交工況下的驗(yàn)證結(jié)果表明，將該策略應(yīng)用于電輔助復(fù)合渦輪可使整車的百公里油耗得到進(jìn)一步改善．

［1］ Taylor AMKP. Science review of internal combustionengines[J]. Energy Policy，2008，36(12)：4657-4667.

［2］ Fu Jianqin. A study on the prospect of engine exhaust gas energy recovery[C]// 2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering (ICEICE). Wuhan，China，2011：1960-1963.

［3］ Ulrich H，Marcelo C A. Diesel engine electric turbo compound technology[C]// SAE 2003 World Congress. Detroit，USA，2003：2003-01-2294.

［4］ Waste to Watts—Powering the Planet with TIGERS[EB/OL]. http：//www. cpowert. com/products/ tigers. htm，2012-08-10.

［5］ Carl T V. Electric turbo-compounding — A technology whose time has come[C]// The 12th Diesel Engine-Efficiency and Emissions Research Conference. Detroit，USA，2006.

［6］ 諸葛偉林，魏 瑋，汪茂海，等. 內(nèi)燃機(jī)余熱利用渦輪發(fā)電技術(shù)方案研究[C]// 中國工程熱物理學(xué)會流體機(jī)械學(xué)術(shù)會議. 大連，中國，2009：097098. Zhuge Weilin，Wei Wei，Wang Maohai，et al. Research on technical solution of turbo electricity generation for waste heat recovery of engines[C]// Chinese Society of Engineering Thermophysics Conference. Da Lian，China，2009：097098(in Chinese).

［7］ Wei Wei，Zhuge Weilin，Zhang Yangjun，et al. Comparative study on electric turbo-compounding systems for gasoline engine exhaust energy recovery[C]// ASME Turbo Expo 2010. Glasgow，UK，2010：531-539.

［8］ Millo F，Mallamo F，Pautasso E，et al. The potential of electric exhaust gas turbocharging for HD diesel engines [C]// SAE 2006 World Congress. Detroit，USA，2006.

［9］ 刁愛民，梁衛(wèi)華，劉 鎮(zhèn). 進(jìn)、排氣背壓對渦輪增壓柴油機(jī)工作過程影響的研究[J]. 車用發(fā)動機(jī)，2008 (增1)：128-131. Diao Aimin，Liang Weihua，Liu Zhen. Influence of intake pressure and exhaust pressure on diesel engine[J]. Vehicle Engine，2008(Suppl1)：128-131(in Chinese).

［10］ Heywood J B. Internal Combustion Engine Fundamentals[M]. New York：McGraw-Hill，1988.

［11］ Ehsani M. Modern Electric，Hybrid Electric，and Fuel Cell Vehicles Fundamentals，Theory，and Design[M]. New York：CRC，2005.

［12］ 王 鋒，冒曉建，卓 斌. ISG并聯(lián)混合動力轎車最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配策略[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31(5)：499-504. Wang Feng，Mao Xiaojian，Zhuo Bin. Torque distribution for an integrated starter generator parallel hybrid electric car[J]. Journal of Chongqing University，2008，31(5)：499-504(in Chinese).

(責(zé)任編輯：金順愛)

Adaptive on Driving Cycles of Waste Energy Recovery Turbo-Compound Systems on a Heavy Duty Diesel Engine

Xie Hui，Li Susu
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to study the influence of turbo-compound form on engine waste energy recovery，a detailed heavy duty engine simulation platform is implemented in this research，which can be equipped with four different electric turbo-compound systems，such as electrically assisted turbocharger，power turbine in series with the turbocharger power turbine in parallel with the turbocharger and electrically split turbocharger. The performance of four turbocompound systems is compared and analyzed under steady operating conditions，transient operating conditions and vehicle driving cycles，respectively. It is indicated that different turbo-compound systems are suitable for different driving conditions. The optimization of exhaust pressure based on reasonable distribution between engine brake power and turbo generated power is the key to improving the overall efficiency. This research provides a great value for guiding the turbo-compound selection and integration between engines and turbo-compound systems.

diesel engine；waste energy recovery；turbo-compound system；driving cycle

TK421

A

0493-2137(2014)06-0558-07

10.11784/tdxbz201209075

2012-09-26；

2012-11-30.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目資助(2011CB707206).

謝 輝（1970— ），男，博士，教授.

謝 輝，xiehui@tju.edu.cn.