柴油機電輔助增壓系統性能探究

張旭鵬

內蒙古第一機械集團有限公司科研所 內蒙古 包頭 014032

在柴油機性能改進中，渦輪增壓技術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，因此更多研發人員對電氣增壓技術越來越關注。本文通過對原渦輪增壓系統與電輔助增壓系統在不同轉速不同壓比下的性能表現，借助GT-POWER模型進行對比分析。

1 系統布置及模型建立

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，電機直接驅動壓氣機，由發電機對渦輪回收能量回收存儲在電池中。電輔助增壓系統中采用的渦輪機、壓氣機，同原渦輪增壓系統相同。電氣增壓系統中發電機、電動機額定功率根據原系統氣壓機功率需求，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，由于兩種系統不同，所以控制策略也不同。原渦輪增壓發動機，控制技術為渦輪旁通控制技術，依據發動機當前轉速及負載，對渦輪閥廢氣直徑進行調整，對渦輪增壓器轉速進行控制，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。發動機如果處于高負荷、低轉速狀態下時，旁通閥全部關閉，保證全部廢氣能量被渦輪增壓器回收利用；發動機如果處于低負荷、高轉速狀態下時，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；發動機在其它工況下工作是，旁通閥開度通過控制器調節，保證系統運行時，渦輪增壓能力滿足要求。

電輔助增壓發動機，控制策略為通過對電動機功率進行控制，到達對電機轉速進行控制的目的，從而使壓氣機轉動被帶動，實現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節，保證渦輪機功率控制在20kw以內。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、定轉距為目標，對電動機功率進行控制，實現對增壓比控制的目的。電動機工作狀態下，如功率在20kW以內時，可按照發動機當前負載、轉速，對增壓比自由調控；以渦輪機功率為20kW及優化算法，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，存儲在發電機電池中，發電功率最多不超過20kW；氣壓機與渦輪機分別獨立工作。

3 結果分析

3.1 轉矩分析 對于柴油機加速性能而言，衡量的重要指標之一為發動機輸出轉矩。原渦輪增壓柴油機從低速到高速最大轉矩輸出為435N*m，出現在2000RPM。可見低轉速下，原渦輪增壓柴油機發動機輸出轉矩較低，加速性能較差；中低轉速下，壓氣機增壓能力利用不充分，繼續增壓空間仍較大。但渦輪增壓系統中，發動機當前轉速對渦輪增壓器轉速存在限制，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，驅動壓氣機增壓。經過改進，發動機最大轉矩變化不大，中速下轉矩大幅提升，1600RPM轉速下，轉矩大幅增至427N*m，類似于最大轉矩范圍擴大；1200RPM轉速下，輸出轉矩提升至368N*m；當轉速達到2000RPM以上后，因電機功率不超過20kW，壓氣機增壓能力下降，轉矩低于原渦輪增壓系統；轉速在3000RPM時，轉矩下降至320N*m。通過對不同轉速下渦輪端進氣溫度進行對比，顯示兩種系統排氣溫度差異不大，且壓氣機功率變化與排氣溫度變化呈一致性，轉速在2000RPM以上時，電輔助增壓系統排氣溫度略高；轉速在2000RPM以下時，原渦輪增壓系統排氣溫度略高。

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

3.2 能力回收 與渦輪增壓系統相比，電氣增壓系統的另外一個特點是發動機如果處于高速運轉狀態下，發電機可將廢氣能量全部回收，并進行存儲，所以系統的經濟性優于渦輪增壓系統。以3000RPM轉速工況為例，對發電機、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。

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

4 結論

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