基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化的膜法富氧發(fā)動(dòng)機(jī)高原工況節(jié)能特性研究

安 強(qiáng)，姜夢(mèng)煒，葉 敏

(1.中國(guó)人民解放軍32339部隊(duì)， 拉薩 850000; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 西安 710064)

1 引言

軍用車輛經(jīng)常工作在各種海拔高度。海拔越高，氣壓越低，對(duì)軍用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響越大，進(jìn)而影響車輛的行駛性能及載重能力。而軍用車輛由于戰(zhàn)備需要對(duì)其載重能力要求極其苛刻，不允許降低。當(dāng)海拔高度為4 500 m時(shí)，大氣壓力只有57.6 kPa，與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相比，大氣壓力降低了43%，空氣密度減小了37%。高海拔工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氧量、燃燒狀態(tài)和渦輪增壓器性能等都產(chǎn)生了影響，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。20世紀(jì)90年代早期，有專家學(xué)者提出在柴油機(jī)上采用富氧進(jìn)氣的方式可提升其熱效率和功率[1]。之后相關(guān)研究也表明提高柴油機(jī)進(jìn)氣中氧氣含量是一種降低排放和改善缸內(nèi)氣體燃燒狀態(tài)的有效方法[2-5]。90年代后期，氣體膜分離技術(shù)開始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)以提高其性能。Poola等[6]開發(fā)了高滲透性的系列富氧膜，隨后一些學(xué)者對(duì)富氧發(fā)動(dòng)機(jī)也進(jìn)行了相關(guān)研究[7-10]。前期膜法富氧發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用簡(jiǎn)單的PID控制策略，僅適于單一海拔工況，不適宜高海拔工況?；趩我缓０喂r標(biāo)定或?qū)?yōu)獲得的膜法富氧發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)無法保證軍用車輛經(jīng)常行駛于不同海拔高度。因此提出一種適合高海拔工況的車載式膜法富氧裝置，通過動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工作于高效狀態(tài)，從而解決增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原工況下的適應(yīng)性。

2 車載式膜法富氧發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

膜法富氧裝置通常由過濾器、鼓風(fēng)機(jī)、富氧膜組件、真空泵、汽水分離器等部分組成[11-12]。鼓風(fēng)機(jī)用于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量；過濾器用于去除空氣中的灰塵；膜組件用于產(chǎn)生富氧氣體；真空泵將富氧氣體送至管道；汽水分離器用于脫去氣體中的水分。試驗(yàn)中使用的車載式膜法富氧裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載式膜法富氧裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Experimental platform for vehicle membrane oxygen enrichment device

為方便研究，試驗(yàn)中采用氣瓶供氧配氣的方法為發(fā)動(dòng)機(jī)提供富氧氣體。通過控制閥控制氧氣瓶中純氧的流出量，從而配置不同比例的富氧空氣，流入發(fā)動(dòng)機(jī)入口管道內(nèi)的富氧空氣通過安裝在混合罐出口端的氧傳感器HT1640A測(cè)量其氧濃度，過剩氣體通過輸出管道直接排入大氣中，廢氣濃度由排氣分析儀FGA- 4100測(cè)量，由AVL 439 Opacimeter消光煙度計(jì)測(cè)量廢氣煙度，缸內(nèi)壓力由缸壓傳感器Kistler6125A和電荷放大器Kistler5015測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前打開排放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過串口讀取分析儀測(cè)量結(jié)果并存儲(chǔ)。排氣分析儀在開始測(cè)量數(shù)據(jù)前需進(jìn)行標(biāo)定以減小測(cè)量誤差[13-14]。

3 基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化的膜法富氧裝置控制策略

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)負(fù)荷變化范圍大，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在動(dòng)態(tài)工況和靜態(tài)工況下完全不一致，因此需要針對(duì)作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷建立發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

(2)

式中：Tbrk為車輛制動(dòng)時(shí)的摩擦力矩；id為主減速比；v為車速；M為整車質(zhì)量；Rw為車輪半徑；ρa(bǔ)ir、Af、Cd和f分別為空氣密度、迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)和摩擦因數(shù)；g為重力加速度。

在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在單作業(yè)循環(huán)內(nèi)所輸出的功率相同，但負(fù)載扭矩Tout實(shí)際是上下波動(dòng)的，不是定值。而發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度與轉(zhuǎn)速之間并非線性關(guān)系，如果簡(jiǎn)單地按照等距劃分，則在之后的控制過程中會(huì)存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與負(fù)載扭矩不匹配，尤其在高原缺氧環(huán)境中，氧氣量不足加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、排氣溫度上升、冒黑煙等問題。因此通過調(diào)整不同油門位置下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給量，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，完成油門開度的標(biāo)定與控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和功率與負(fù)載動(dòng)態(tài)匹配。根據(jù)實(shí)際負(fù)載工況的情況來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)車載式膜法富氧裝置進(jìn)行匹配計(jì)算，使發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足所需功率的前提下工作在高效范圍內(nèi)。動(dòng)態(tài)優(yōu)化的基本模型有逆序算法、順序算法和雙向混合算法。針對(duì)高原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氧量隨海拔規(guī)律性變化，根據(jù)控制原理和控制過程，采用逆序算法。

逆序形式算法的控制基本方程為：

(3)

其中邊界條件為：

fn+1(xn+1)=0 或fn(xn)=vn(xn,un)

(4)

其中：xk為第k階段狀態(tài)；uk為狀態(tài)xk+1的決策變量。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為xk+1=Tk(xk,uk)，k階段的允許決策集合記為Dk=(xk)，vk(xk,uk)為指標(biāo)函數(shù)，即邊界條件。在實(shí)際的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法來求最優(yōu)解，通常不是從第1階段開始順序求解，而是從k=n開始，由后向前逆推計(jì)算，逐階段求出最優(yōu)決策和過程的最優(yōu)解，逆推至f(x1)，就可以得到問題的最優(yōu)解。

以軍用車輛工況循環(huán)為依據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)過程劃分階段，即第k個(gè)階段的狀態(tài)xk為匹配調(diào)節(jié)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的速度值，此值的最終調(diào)節(jié)是由油門信號(hào)來控制，進(jìn)而控制所需轉(zhuǎn)速的輸出。所劃分的階段k值由指標(biāo)函數(shù)確定，通常情況下，速度的調(diào)節(jié)值是逐漸減少的，這時(shí)狀態(tài)變量xk+1為xk的等差數(shù)列。指標(biāo)函數(shù)為速度的函數(shù)，其邊界條件最終由燃油消耗率來確定。要求指標(biāo)函數(shù)的值為最小值，采用的最小值逆序算法遞歸計(jì)算程序?yàn)椋?/p>

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

SubObjFun,TransFun,ObjFun)

(5)

其中：x是狀態(tài)變量，決策變量DecisFun(k,x)是由階段k和狀態(tài)變量x決定的函數(shù)；SubObjFun(k,x,u)是由變量k、x、u決定的指標(biāo)函數(shù)；TransFun(k,x,u)是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；ObjFun(v,f)是k階段至最后階段的指標(biāo)函數(shù)，當(dāng)ObjFun(v,f)=v+f時(shí)，ObjFun可省略。據(jù)此，Onori等將等效因子的自適應(yīng)策略描述為：

Teq(k)=Teq(k-1)+K·Teq(k)=

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

(6)

式中：Teq(k-1)和Teq(k)分別為前一時(shí)段和當(dāng)前時(shí)段內(nèi)的負(fù)載扭矩等效因子；vref為工程車輛參考扭矩；v(t)為當(dāng)前轉(zhuǎn)速真實(shí)值；Kp為轉(zhuǎn)速參考值與真實(shí)值偏差的比例增益。該逆序算法流程如圖2所示。

為保證控制策略的可靠性，以某型軍用車輛為研究對(duì)象，該車發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為6V150，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。6V150發(fā)動(dòng)機(jī)是V型6缸水冷廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率300 kW，額定轉(zhuǎn)速是2 200 r/min。

以發(fā)動(dòng)機(jī)200 kW@2 200 r/min為基點(diǎn)進(jìn)行高原海拔4 500 m三種狀態(tài)試驗(yàn)，即發(fā)動(dòng)機(jī)原始狀態(tài)、增加富氧裝置狀態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化狀態(tài)。試驗(yàn)中保證發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性。試驗(yàn)步驟：① 首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)原始工況實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)稱“原機(jī)”狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)在正常狀態(tài)進(jìn)行性能調(diào)整試驗(yàn)，將各點(diǎn)性能調(diào)整到最優(yōu)，記錄供油齒桿位置；② 之后進(jìn)行富氧裝置狀態(tài)試驗(yàn)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，簡(jiǎn)稱“富氧裝置”；③ 最后進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化狀態(tài)實(shí)驗(yàn)，觀察功率變化情況并記錄扭矩及功率的變化情況，簡(jiǎn)稱“動(dòng)態(tài)優(yōu)化”。不同狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 車載式膜法富氧裝置動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略 逆序算法流程框圖Fig.2 Dynamic optimal control strategy of vehicle mounted membrane oxygen enrichment device

表1 6V150發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main performance parameters of 6V150 diesel engine

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知：富氧裝置在一定程度上改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況，燃油消耗率下降，而爆發(fā)壓力和排氣溫度這類限制指標(biāo)相較于“原機(jī)”狀態(tài)并沒有劇烈惡化，說明富氧裝置方案可行；動(dòng)態(tài)優(yōu)化狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)一步上升，比油耗進(jìn)一步降低，爆發(fā)壓力和排氣溫度小幅度上升，證明動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略切實(shí)可行。

4 膜法富氧裝置對(duì)車用柴油機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)富氧裝置對(duì)比試驗(yàn)

在初步驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)富氧裝置和動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略效果后，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究富氧空氣燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響[15-16]。在某研究所高原模擬試驗(yàn)室進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性如圖3所示。

圖3 6V150發(fā)動(dòng)機(jī)6個(gè)工作點(diǎn)萬有特性圖Fig.3 Selection of six working points of 6V150 engine

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率為288 kW，與發(fā)動(dòng)機(jī)出廠設(shè)置最大功率300 kW稍有不同。選取A、B、C、D、E和F六點(diǎn)作為工況點(diǎn)，進(jìn)行工況實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)環(huán)境條件：大氣壓57.6 kPa(海拔高度4 500 m)，進(jìn)氣溫度15 ℃，空氣濕度30%。首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)特性試驗(yàn)(原機(jī)功率)；在此基礎(chǔ)上，保持發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不變，在進(jìn)氣總管內(nèi)摻入不同比例的富氧空氣，測(cè)試不同富氧空氣含量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的影響，并與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，以此分析發(fā)動(dòng)機(jī)摻入富氧空氣后對(duì)燃燒過程的影響以及柴油機(jī)的性能變化情況(富氧裝置功率提升)；之后觀察發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)在動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略下發(fā)動(dòng)機(jī)性能輸出變化情況(動(dòng)態(tài)優(yōu)化功率提升)。試驗(yàn)結(jié)果見表3，由表3可知：富氧裝置和動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率持續(xù)上升。

在4 500 m海拔下，以發(fā)動(dòng)機(jī)平原200kW等功率曲線工況控制條件為基礎(chǔ)，發(fā)動(dòng)機(jī)在“原機(jī)”、“富氧裝置”和“動(dòng)態(tài)優(yōu)化”3種狀態(tài)下的性能指標(biāo)變化情況如圖4所示。圖4(a)和圖4(b)中橫坐標(biāo)的數(shù)值分別對(duì)應(yīng)6個(gè)工況點(diǎn)，即代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200～2 200 r/min的不同工況。由圖4(a)可知：在工況點(diǎn)A，3種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)功率分別是184.7 kW、194 kW、200 kW，富氧裝置相比于原機(jī)提高了5.0%，而動(dòng)態(tài)優(yōu)化進(jìn)一步提高了7.6%。此時(shí)優(yōu)化提升率達(dá)到了最大值，由此可見動(dòng)態(tài)優(yōu)化在低速是提升效果顯著；在工況點(diǎn)F，3種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)功率分別是136.9 kW、145.7 kW、180 kW，富氧裝置相比于原機(jī)提高了6.4%，而動(dòng)態(tài)優(yōu)化進(jìn)一步提高了23.9 %。富氧提升率達(dá)到最大值，但與其他工況下的提升率基本持平。由圖4(b)可知：采用車載式膜法富氧裝置后，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)功率都有上升，比例在5.0%～6.4%。采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略后，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)一步上升，比例在7.6%～23.9%。因此發(fā)動(dòng)機(jī)處于“原機(jī)”狀態(tài)下，在進(jìn)氣總管內(nèi)加入適量富氧空氣并采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略，可大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，特別是在中低轉(zhuǎn)速下，提升效果顯著。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)高原特性試驗(yàn)Fig.4 Engine plateau characteristic test

圖5為不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和排氣溫度曲線。由圖5可知：發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗消耗率和排氣溫度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，后趨于平穩(wěn)，但它們下降的幅度不同，“原機(jī)”狀態(tài)的下降幅度較大，“富氧裝置”次之，“動(dòng)態(tài)優(yōu)化”最慢。例如：圖5(a)中，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min和2 200 r/min下，“動(dòng)態(tài)優(yōu)化”、“富氧裝置”和“原機(jī)”3種狀態(tài)下的燃油消耗率分別為260.5～231.7 g/(kW·h)、271.4～240.9 g/(kW·h)和316.6～251.6 g/(kW·h)，下降百分比分別為12.4%、12.7%和25.8%。不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略下的燃油消耗率均優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)原始狀態(tài)。由此可得：在4 500 m高原條件下，加入一定量的富氧空氣和采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略，可優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率及排氣溫度。

圖5 不同工況下油耗及排氣溫度的變化曲線Fig.5 Changes of fuel consumption and exhaust temperature under different working conditions

圖6為氣缸內(nèi)壓力變化曲線。不同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力有較小變化，最大差值為0.2 MPa，并得到：① 發(fā)動(dòng)機(jī)在原機(jī)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量小，過量空氣系數(shù)小，且缸內(nèi)溫度低，滯燃期長(zhǎng)，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力較低，放熱中心后移，做功能力下降從而導(dǎo)致功率下降，爆壓下降，燃油消耗率惡化以及渦后排氣溫度提高；② 采用膜法富氧裝置后，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)參與燃燒的氧氣量得以增多，氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力有所提高，放熱重心前移，在一定程度上恢復(fù)了功率，優(yōu)化了比油耗及排氣溫度；③ 進(jìn)一步采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略后，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率進(jìn)一步提高。由發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)結(jié)果可以看出：基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略下發(fā)動(dòng)機(jī)具有更低的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，因而具有更優(yōu)越的整車等效燃油經(jīng)濟(jì)性。

4.2 高原工況工程車輛車載式膜法富氧裝置試驗(yàn)

將裝有動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略的車載式膜法富氧裝置安裝于軍用車輛上進(jìn)行高原實(shí)車試驗(yàn)。實(shí)車試驗(yàn)分為兩段，分別是運(yùn)輸車輛經(jīng)常行走的2個(gè)方向路段，第一段為拉薩-日喀則-帕里-亞東，第二段為拉薩-日喀則-拉孜-桑桑-薩嘎。拉薩至亞東路段海拔高度從3 650 m上升至4 573 m，而后降低為2 800 m，如圖7(a)所示。第二段拉薩至薩嘎路段海拔高度從3 650 m上升至4 560 m，途中海拔最高點(diǎn)為5 130 m，如圖7(b)所示。

圖6 氣缸內(nèi)壓力變化曲線Fig.6 The curves of pressure change in the cylinder

圖7 不同海拔高度工程車輛實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Test of engineering vehicles at different altitudes

兩次實(shí)驗(yàn)去程車輛滿載12 t貨物，回程車輛為空載，若車輛在滿載工況能滿足車輛行駛性能要求，即可驗(yàn)證基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化的車載式膜法富氧裝置的有效性和可行性。兩段路累計(jì)行駛里程2 620 km，平均海拔高度大于4 200 m，平均氣溫為8 ℃，平均氣壓為100.5 kPa。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在不同海拔高度和不同坡度道路條件下，車輛滿載和空載均能正常行駛，人工檢測(cè)未出現(xiàn)排氣溫度上升、冒黑煙現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裝有動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略的車載式膜法富氧裝置，可實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的需求，不同工況下輸出量均在額定范圍內(nèi)，滿足軍用車輛在高海拔地區(qū)使用要求。

5 結(jié)論

1) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明膜法富氧裝置和動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略切實(shí)可行，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱值，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2) 在4 500 m的高原條件下，加入一定量的富氧空氣，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升比例在3.0%～19.1%，采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略后發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)一步上升7.6%～23.9%，發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略下，具有較好的節(jié)能效果，可降低排氣溫度。

3) 通過實(shí)車試驗(yàn)得出：裝有動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略的車載式膜法富氧裝置，在青藏高原滿載運(yùn)輸?shù)那闆r下，未出現(xiàn)排氣溫度上升、冒黑煙現(xiàn)象，能夠滿足不同工況下軍用工程車輛在高海拔地區(qū)的使用要求。