相繼增壓柴油機瞬態切換噴油策略

王銀燕，于恩程

(哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

近年來，隨著對柴油機高動力性、高經濟性、低排放性的不斷追求，促使采用增壓技術，增壓器向高增壓比的方向發展，但由于渦輪增壓器和柴油機工作特性不同，串聯運行存在著變工況匹配問題，普通的渦輪增壓系統很難兼顧柴油機的高、低工況性能的要求.目前逐漸被船舶柴油機廣泛應用的相繼增壓系統(sequential turbocharging，STC)，可以在較寬廣的轉速范圍內與柴油機匹配，是改善高增壓柴油機部分負荷性能的一個有效技術途徑［1］.

雖然相繼增壓系統在穩定工況運行時，可以有效提高柴油機功率、降低燃油消耗率以及減少排放，但是在增壓器的切換過程中，不合理的噴油量控制策略，會導致切換過程增壓器喘振，并伴隨著轉速波動、排放惡化.因此，切換過程中柴油機轉速、增壓器運行不夠穩定，可能產生振動、噪聲、排放惡化等現象.

本文通過采用多目標優化方法，對柴油機燃油噴射系統噴油參數進行調節，來探究合理的相繼增壓柴油機切換過程噴油策略，進而達到改善切換過程中柴油機轉速波動變化等不穩定現象的目的.

1 柴油機相繼增壓仿真模型的建立

由于相繼增壓系統對切換閥門等關鍵零部件的性能及其測控系統精度等要求較高，使得當前針對相繼增壓系統的研究主要以仿真計算手段為主，尤其是對相繼增壓系統瞬態過程的研究［2］.

本文采用發動機性能仿真軟件GT-Power建立TBD234V12相繼增壓柴油機仿真模型.其中，缸內燃燒模型采用準維模型，因其考慮了缸內的非均勻性，故可以準確地模擬燃燒過程并計算燃燒過程中產生有害排放物的生成率.

1.1 相繼增壓柴油機仿真模型的建立

本文所研究的對象是MWM公司的TBD234 V12柴油機，其主要結構和性能參數如表1所示.TBD234V12柴油機采用脈沖增壓方式，其A列與B列增壓器均為同一型號的J100徑流式渦輪增壓器，且采取了進氣中冷措施以提高進氣密度，該機的結構示意如圖1所示.

表1 柴油機的主要結構參數和性能參數Table 1 The main structural parameters and performance parameters of the diesel engine

圖1 TBD234V12柴油機相繼增壓示意Fig.1 Schematic diagram of TBD234V12 sequential turbocharging engine

采用模塊化的方法建模［3］.對渦輪增壓柴油機進行系統建模，以柴油機質量流動為順序，依次建立進氣管、渦輪增壓器、中冷器、氣缸、曲軸箱、排氣管等模型模塊.從圖2可以看出，柴油機在標定工況下，缸內壓力變化曲線的計算結果與實測示功圖形狀基本吻合，仿真計算結果較為準確.

圖2 標定工況下柴油機缸內壓力計算與實測曲線的對比Fig.2 Comparison of the engine cylinder pressure curves by calculating and measuring in calibration conditions

對TBD234V12常規脈沖增壓模型按照標準螺旋槳特性運行進行了計算，選取25%、50%、75%、90%、100%負荷，與之對應的轉速分別是1 134、1 429、1 636、1 739、1 800 r/min.圖3為柴油機有效功率、有效油耗、進氣壓力、渦輪出口排氣溫度的計算值與實驗值的對比，從圖中可以看出，不同工況下各性能參數變化趨勢基本吻合，說明柴油機模型邊界條件設置合理，進一步說明了模型的正確性.

圖3 柴油機性能參數計算值與實驗值的對比曲線Fig.3 Comparison of the performance parameter curves at the turbine outlet by calculating and measuring

1.2 相繼增壓系統切換條件的確定

在柴油機按照標準螺旋槳特性運行時，基于有效油耗最低化的原則，為柴油機相繼增壓系統選擇狀態切換點［4］.柴油機各運行狀態下的燃油消耗率如圖4所示.本文選擇柴油機切換轉速為1 429 r/min.

圖4 STC柴油機各運行狀態下的有效油耗Fig.4 Effective fuel consumption of sequential turbocharging diesel in each operation condition

2 STC瞬態過程的仿真計算

在所建立的柴油機穩態性能仿真模型的基礎上建立了相繼增壓瞬態仿真模型，并通過添加調速器模型來控制柴油機的瞬時噴油量.

2.1 瞬態計算數學模型

2.1.1 調速器控制模型

PID控制器是由比例作用、積分作用、微分作用組合而成［5］.一般的工程應用中，往往只進行PI控制，不需進行D控制［6］.本文柴油機調速器采用PI控制模型，其控制方程為

式中:u(t)表示調節器輸入函數，即齒條位移量，e(t)表示調節器輸出函數，即轉速偏差量，Kp表示比例系數，Ti表示積分時間常數.

PI控制的基本過程如圖5所示，控制器在受到干擾的情況下，通過調節噴油量來控制柴油機轉速，以滿足調速特性需要.PID控制的關鍵是根據發動機運轉狀況確定最佳噴油量，以與進氣量相匹配，使空燃比最佳.

圖5 PI控制的基本過程Fig.5 Process diagram of PI＇s control

2.1.2 曲軸動力學模型

根據剛體動力學原理［7］，在瞬態過程計算中，內燃機的轉速變化率可表示為

式中:Je表示柴油機的轉動慣量，JVB表示負載的當量轉動慣量，Me表示柴油機有效輸出扭矩，MVB表示負載扭矩.

曲軸的輸出扭矩為

式中:gf表示燃油消耗率，Hu表示燃油低熱值，ηe表示機械效率.

2.2 相繼增壓瞬態仿真模型的建立與計算

對TBD234V12STC柴油機瞬態模型按照標準螺旋槳特性Ne=Cn3運行進行了計算，以時間作為閥門的控制信號，在12 s時受控增壓器燃氣閥開(exhaust valve opening，EVO)，切換延遲時間為1 s，閥門開啟響應時間為0.000 1 s，在13 s時受控增壓器空氣閥開(air valve opening，AVO)［8-9］.仿真計算得出的柴油機主要參數變化曲線如圖6所示.

圖61 TC到2TC切換1s延遲柴油機性能參數變化曲線Fig.6 Switching from 1TC to 2TC，the amount curve of performance parameter in 1 s

由圖6可以看出，受控增壓器切入，燃氣閥開啟后，由于部分排氣用于驅動受控渦輪，氣缸排氣背壓減少，燃燒充分，柴油機轉速急劇上升.此時，調速器通過其轉速感應元件和執行機構，根據轉速的增加自動減少相對齒條位移，即隨著轉速的增加而減少噴油量，但由于空氣閥門仍處于關閉狀態，使進入氣缸的空氣量跟不上噴油量變化速率，缸內過量空氣系數急劇下降，燃燒不完全，柴油機轉速增加到1 446 r/min后便開始下降，但由于調速器的調節始終滯后轉速變化，相對齒條位移繼續下降，直到轉速繼續降低Δt后，相對齒條位移才開始增加，即供油量增加，直到轉速降低到最低點1 412 r/min，相對齒條位移仍繼續上升.空氣閥開啟后，由于增壓壓力增加，柴油機轉速開始上升，相對齒條位移延遲Δt'后開始下降，最后柴油機轉速在2TC狀態穩定.

由此可以看出，調速器的調速過程只是根據轉速的波動變化來被動進行調節的，并不能實現主動控制并從根本上限制相繼增壓切換時柴油機轉速的波動變化.

3 瞬態過程噴油規律的多目標優化設計

切換過程的噴油量控制策略是通過對噴油量的調整和優化，最終反應到整個切換過程的穩定性上.本文基于多目標優化算法對噴油量控制策略進行優化，從而實現控制轉速波動和碳煙、NOx排放生成的目的.

對于傳統直列泵燃油系統，為尋求比PID控制更為合理的STC切換過程噴油策略，設計并模擬了瞬態調速裝置.由于變量較多，以及反復調用GTPower計算，人工操作的工作量較大.為了提高計算效率，采用多目標優化軟件mode FRONTIER與GTPower軟件耦合的方法，來對噴油量控制策略進行優化.

STC瞬態切換噴油規律的優化數學模型為

式中:fNOx表示NOx排放量，fSOOT表示SOOT排放量，fn表示轉速波動量，J(k)表示循環噴油量，p表示最高燃燒壓力，plim表示最高燃燒壓力限值，dp/dφ表示缸內壓力升高率，Mlim表示缸內壓力升高率限值，ge表示燃油消耗率，gelim表示燃油消耗率限值，T表示尾氣溫度，Tlim表示尾氣溫度限值.

首先進行DOE正交試驗設計，利用較少的試驗量得到各參數的影響情況，確定參數的主次順序，同時在DOE的基礎上采用具有較好搜索能力的二代多目標遺傳算法(multi-objective genetic algorithmⅡ，MOGAⅡ)進行多目標優化計算［10-12］.

計算得出的相關性矩陣圖顯示輸入、輸出變量之間的相關系數和分布情況如圖7所示.顏色越深的區域，變量之間相關性系數(－1.0～1.0)越大，變量相互影響越大.由圖7可以看出，在切換過程中某時刻的碳煙及NOx生成量不僅與該時刻的循環噴油量緊密相關，而且受上一時刻循環噴油量的影響更加顯著，EVO至AVO期間內循環噴油量的變化值對碳煙的生成量的影響最大.

圖7 排放物與循環噴油量的相關性系數矩陣圖Fig.7 Matrix of correlation coefficient between emission and the fuel injection quantity per cycle per cylinder

由于優化目標點數目較多，故利用并行折線圖，再通過多準則決策找到合適的優化值.優化結果如圖8所示，對碳煙、NOx生成和轉速波動的優化進行折中處理，尋求最優切換過程噴油規律，即在空氣閥開啟前0.2s開始降低噴油量，使切換延遲期內的轉速波動及碳煙量最高點分別降低87%和80%，燃氣閥開啟前0.1 s降低噴油量，保持碳煙量滿足排放指標范圍內，使轉速波動和NOx量最高點分別降低16.7%和15.6%.

圖8 多目標優化前后的性能及排放參數Fig.8 Performance and emission parameters before and after multi-objective optimization

4 結束語

建立了TBD234V12相繼增壓柴油機穩態及瞬態仿真模型，并驗證了計算模型的正確性.通過燃油經濟性最優的原則確定相繼增壓系統的切換邊界.

將多目標遺傳優化算法應用到相繼增壓柴油機切換過程的噴油量控制策略研究中，從而可在較大范圍內搜索解空間，并能以較快的收斂速度提供解空間內符合優化條件的最優解集.

獲得了對相繼增壓柴油機切換過程噴油規律的主動控制，實現了對碳煙、NOx生成量和轉速波動的多目標優化.

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