商用車柴油機(jī)電子增壓器數(shù)值模擬及試驗研究

梁鄭岳，何冠璋，楊 劍，康興裕，朱 榮，陳中柱，班智博，張 松，林鐵堅

(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司工程研究院 廣西玉林537005)

0 引 言

廢氣渦輪增壓批量應(yīng)用于柴油機(jī)，強(qiáng)化了柴油機(jī)的工作過程，提高了扭矩和功率，推進(jìn)了柴油機(jī)的小型化和低速化。隨著節(jié)能減排法規(guī)的完善，客戶對動力需求不斷提高，廢氣渦輪增壓器響應(yīng)滯后問題尤為突出：低速性能和動力差、瞬態(tài)響應(yīng)性差、難以滿足應(yīng)對排放需求較大比例EGR的要求等[1]。為此，國內(nèi)外提出了多種解決方案，如降低廢氣渦輪增壓器本身慣量，采用廢氣渦輪增壓器與機(jī)械增壓器的組合、可變截面增壓器、兩級增壓串聯(lián)、并聯(lián)轉(zhuǎn)換或者電輔助渦輪增壓器等[2]，但這些方案不能很好地解決節(jié)能減排、動力性和商業(yè)化的矛盾。

電動增壓器快速響應(yīng)電機(jī)代替排氣來推動渦輪，可以提供快速增壓，彌補(bǔ)渦輪增壓器在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)或者加速時進(jìn)氣量的不足。增加的進(jìn)氣量不僅可提高加速和瞬態(tài)響應(yīng)，同時可以維持正確的空燃比，以保證充分燃燒和良好排放[3]。法雷奧電子增壓器應(yīng)用于奧迪SQ7 TDI 4.0T 柴油發(fā)動機(jī)[4]，博格華納、霍尼韋爾、馬勒以及三菱也在開發(fā)電子增壓器，預(yù)示著此類產(chǎn)品已得到普遍認(rèn)可并步入一個高速發(fā)展的階段。

本文以某直列4缸柴油機(jī)為研究對象，在現(xiàn)有的廢氣渦輪增壓基礎(chǔ)上，在空氣濾清器和原機(jī)自帶的廢氣渦輪增壓器之間加裝電子增壓器，并配合可切換進(jìn)氣管路，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗研究。在數(shù)值模擬中研究了低速扭矩提升和定速加載潛力，在試驗中研究并驗證低速扭矩提升、定速加載響應(yīng)加快和煙度降低的能力，以期為商用車節(jié)能減排研究提供參考與借鑒。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

本文以某4缸柴油發(fā)動機(jī)為研究對象，表1為發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。

圖 1為帶電子增壓器的集成方案簡圖。研究采用的是在直列 4缸中冷渦輪增壓器柴油機(jī)基礎(chǔ)上增加電子增壓器，布置在空氣濾清器和原機(jī)自帶的廢氣渦輪增壓器之間，實現(xiàn)電動增壓的功能，這種布置在一定程度上降低了電子增壓器的熱負(fù)荷。根據(jù)商用車的使用匹配要求，采用 24,V蓄電池為電子增壓器的電源，電子增壓器功率限制在5.4,kW。當(dāng)廢氣能量太少、廢氣渦輪增壓器不能提供足夠增壓壓力的情況下，關(guān)閉單向閥同時啟動電子增壓器進(jìn)行輔助增壓。

圖1 集成方案簡圖Fig.1 Diagram of integrated scheme

所用試驗設(shè)備如表2所示：

表2 主要試驗設(shè)備列表Tab.2 List of main test equipments

1.2 試驗方法

首先針對研究柴油機(jī)進(jìn)行電子增壓效果模擬，利用Matlab的Simulink模塊建立發(fā)動機(jī)均值模型，并擬合實際數(shù)據(jù)，據(jù)此模擬出加裝電子增壓器后的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)和低速扭矩提升的預(yù)測。然后基于集成控制策略，搭建試驗臺架進(jìn)行試驗驗證，在瞬態(tài)工況響應(yīng)時，快速啟用電子增壓，來填補(bǔ)渦輪未充分介入前的動力間隙，提供充分燃燒和改善排放；在其他低轉(zhuǎn)速高負(fù)載工況下也啟用電子增壓；在高速或者恒定工況下，電動增壓器停止工作，只用渦輪增壓器提供增壓壓力。本研究著眼于電動增壓器的瞬態(tài)效應(yīng)、增壓效果及對發(fā)動機(jī)的排放性能的影響。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值建模

內(nèi)燃機(jī)燃燒和進(jìn)氣是一個復(fù)雜的流動和燃燒化學(xué)反應(yīng)過程，利用Matlab的Simulink模塊對裝載廢氣渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模建立發(fā)動機(jī)均值模型，其中發(fā)動機(jī)模型的輸入包含目標(biāo)空燃比、充氣效率和熱效率。通過實際臺架數(shù)據(jù)校核建立模型，據(jù)此模擬出加裝電子增壓器后的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)響應(yīng)，并對發(fā)動機(jī)的低扭提升預(yù)測。根據(jù)電子增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)，電子增壓器功率限制在5.4,kW @24,V電壓，葉輪轉(zhuǎn)速限制在45,000,r/min。

2.2 模型校核

擬合結(jié)果由圖2和圖3顯示，模型與實測數(shù)據(jù)較符合。此模型可以準(zhǔn)確地展示出加裝電子增壓器后的性能提升情況。

圖2 發(fā)動機(jī)扭矩和BSFC對比Fig.2 Engine torque and BSFC

圖3 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量和排氣管壓力對比Fig.3 Engine air inflow and exhaust pressure

2.3 模擬結(jié)果

如圖4所示，穩(wěn)態(tài)模擬以匹配230,kPa的目標(biāo)增壓值，30%,的低速扭矩提升，扭距平臺抬升至750,Nm。如圖5所示，發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)域瞬態(tài)效果更為顯著，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于1,400,r/min效果不明顯，因為電子增壓器功率限制(5.4,kW)和電子增壓器轉(zhuǎn)速限制(45,000,r/min)。

圖4 穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果Fig.4 Steady-state simulation results

圖5 定速加載模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of constant speed loading

3 試驗結(jié)果與分析

在現(xiàn)有的渦輪增壓直列4缸柴油機(jī)基礎(chǔ)上，電子增壓器布置在空氣濾清器和原機(jī)自帶的廢氣渦輪增壓器之間。由于原機(jī)沒有爆壓傳感器，沒有針對電子增壓器優(yōu)化標(biāo)定軌壓、提前角等性能參數(shù)，僅通過在原機(jī) map基礎(chǔ)上開關(guān)電子增壓器測試，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速(800～1,400,r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間)或者加速狀態(tài)，快速啟用電子增壓器，來填補(bǔ)廢氣渦輪未充分介入前的動力間隙，提供充分燃燒和改善排放所需的新鮮空氣，并在其他低轉(zhuǎn)高負(fù)載工況下短時間也啟用電子增壓器。電動增壓器的能量取自車載蓄電池，不依賴柴油機(jī)排出的廢氣能量，可以提供最大400,000,rpm/s 的加速度，帶動葉片在 0.3,s內(nèi)達(dá)到70,000,r/min 的峰值轉(zhuǎn)速。

3.1 穩(wěn)態(tài)測試

如圖6所示，在800～1,600,r/min、原機(jī)基礎(chǔ)上保守提升扭矩 5%～10%，比油耗改善 2.4%～10%，而NOx測試結(jié)果在 900～1,600,r/min沒有惡化，在800,r/min NOx排放惡化，主要原因是低速高增壓帶來的氧氣突增，相應(yīng)的軌壓、提前角等參數(shù)沒有優(yōu)化標(biāo)定。從測試結(jié)果看，電子增壓器有改善穩(wěn)態(tài)低速扭矩和排放的潛力，但受限于電池容量、電機(jī)持續(xù)功率等因素，低速穩(wěn)態(tài)升扭矩和節(jié)能減排時間不能過長。

圖6 穩(wěn)態(tài)試驗測試結(jié)果Fig.6 Results of steady state test

3.2 定速加載測試

為了評價加速響應(yīng)性，分別進(jìn)行定速，加載了800,r/min、1,000,r/min、1,200,r/min、1,400,r/min和1,600,r/min，對比原機(jī)和電子增壓器介入后的性能和排放。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，受限于電子增壓器功率和轉(zhuǎn)速限值，瞬態(tài)響應(yīng)效果減弱，但電子增壓器快速提供增壓壓力，供給優(yōu)化燃燒所需的新鮮空氣，扭矩峰值提前，廢氣煙度大幅降低。

4 結(jié) 論

在某一臺 4缸直列廢氣渦輪增壓器的商用車柴油機(jī)基礎(chǔ)上，加裝電子增壓器進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗研究，得到如下結(jié)論：電動增壓器為廢氣渦輪增壓提供了1種補(bǔ)充方案，發(fā)動機(jī)在800～1,400,r/min低轉(zhuǎn)速時快速提升增壓壓力，提供充足新鮮空氣，實現(xiàn)峰值扭矩時間提前 44%,以上，改善了發(fā)動機(jī)的加速響應(yīng)特性，降低瞬態(tài)排放煙度 89%,以上，同時可短時間提升低速扭矩和降低油耗的潛力。但受限于電池容量、電機(jī)持續(xù)功率等因素，低速穩(wěn)態(tài)升扭矩和節(jié)能減排時間不能過長。▉

［1］ 奧井伸宜，新國哲也，河合英直. 采用新型混合動力系統(tǒng)改善中型載貨車的燃油經(jīng)濟(jì)性[J]. 國外內(nèi)燃機(jī)，2014(6)：39-44.

［2］ Balis C，Middlemass C，Shahed S M. Design and development of e-Turbo for SUV and light truck applications [C]. DEER-Conference，Newport，RI，2004.

［3］ 姚春德，韓偉強(qiáng)，徐廣蘭，等. 電動增壓器對廢氣渦輪增壓器影響的試驗研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2012(4)：188-193.

［4］ Heiduk T，Weiβ U，F(xiàn)r?hlich A，等. Audi公司新型V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)[J]. 國外內(nèi)燃機(jī)，2014(6)：13-16.