電動增壓及復合渦輪發電系統對重型增壓柴油機綜合性能的影響研究

楊雪春

目前，渦輪增壓器被廣泛應用于乘用車、轎車，對提高內燃機的排放性、經濟性、動力性具有重要意義，但常規渦輪增壓器存在穩定工況范圍窄、瞬態響應差等問題，限制著渦輪增壓器的整機性能［1］.針對增壓發動機存在的低速轉矩不足、瞬態響應差、加速冒煙［2］、部分負荷經濟性差和內燃機余熱利用率低等問題，國內外學者采用不同方法進行解決，包括葉輪幾何優化［3］、電輔助增壓技術［4-7］、部分負荷時采用電動增壓器［2，8］等.其中，部分負荷時采用電動增壓器技術可以在渦輪遲滯階段增加進氣量，并提高壓氣機葉輪轉速，減少遲滯時間，提高加速性能.電動增壓技術可以有效改善增壓柴油機的加速性能和低速轉矩特性，本文聯合應用電動增壓和渦輪發電技術，構建混合增壓系統，并展開一系列的性能試驗研究.

關于余熱利用，國內外學者提出不同技術方案，例如朗肯循環發電［9］、熱電發電機［10］、復合渦輪增壓等能量回收技術.這些技術燃油經濟性高，可減少燃料消耗和二氧化碳排放，并且具有成本低、體積小、復雜程度低的特點，提高了廢氣再循環驅動能力，改善了瞬態響應，但額外的排氣背壓會導致發動機的泵送損失更大，因此在汽車上尚未被廣泛應用［11］.本文綜合國內外關于余熱利用技術［12-14］的研究現狀，提出混合增壓技術，在電動增壓系統的基礎上，應用余熱利用技術回收廢氣能量.

在混合增壓系統中，電動增壓系統的電機可在發動機低速時以高轉速運行，以快速補氣，從而改善廢氣渦輪增壓器低速時的響應遲滯現象，提高柴油機綜合性能.同時，由于發動機的熱效率低，轉化比例大約為30%～40%，為了進一步節約能源，本文在電動增壓的基礎上，提出采用渦輪發電的技術方案，在發動機原渦輪增壓器的下游串聯動力渦輪，從而驅動動力渦輪，以此帶動發電機發電，把廢氣能轉換為電能并存儲在電池中.混合增壓系統中，渦輪發電機和電動增壓器之間沒有機械連接，電動增壓器的轉速和功率是獨立于渦輪發電機的轉速和功率，這種靈活性的設計可使渦輪和壓氣機效率進一步改進，性能更加卓越.

1 電動機與發電機選型

電動增壓器應用于頻繁起動的工作條件下，為使電動增壓器具有更快的瞬態響應速度，選用的高速電機應該具有啟動時間短、轉動慣量小、轉速高、起動扭矩大等特點.目前，市場上應用較為廣泛的電機有如異步交流電機、永磁高速交流電機和開關磁阻電機等［15］.本方案采用異步交流電動機，它具有體積小和在高速低轉矩時運轉效率較高的特性，同時具有葉輪轉速高但扭矩較低的特點.異步電機具體參數如表1所示.

混合增壓系統的渦輪發電機安裝在發動機附近，工作環境較為惡劣，且多數情況工作在中低速工況下，這些因素都將影響發電機選型.目前，永磁發電機和勵磁發電機應用較為廣泛，勵磁發電機雖然調速性能較好，技術成熟，但是并不適合在中低速長期運行，同時渦輪發電機需要進行廢氣能量的二次回收，發電量較少.而永磁發電機中低速發電性能較好，同時考慮到成本、輕量化和應用場合等因素，本方案采用永磁發電機進行廢氣能量的二次回收.

表1 高速異步交流電機參數

2 試驗臺架以及試驗方案

本文采用混合增壓系統試驗臺架結構如圖1所示，選用東風康明斯ISDe230-30型六缸、渦輪增壓中冷型柴油發動機，輔助設備包括ET2500型智能油耗儀、ET2700型電噴發動機回油處理器、CAC370型交流電力測功機、FC2005型發動機測控系統、FTY-100型不透光煙度計和FGA-4100型汽車尾氣分析儀.基于該臺架系統進行混合增壓柴油機的動力性、燃油經濟性與排放性的性能試驗，驗證混合增壓系統的實用性與可靠性.混合增壓系統試驗臺架結構實物如圖2所示，渦輪發電機如圖3所示.

圖1 混合增壓系統試驗臺架結構圖

圖2 混合增壓試驗臺架結構實物圖

圖3 渦輪發電機實物圖

在該臺架上，分別獨立進行電動增壓試驗、渦輪發電試驗和兩種系統協同工作試驗，在電動增壓試驗中主要分析增壓柴油機低速工況的動力性能、排放性能和燃油經濟性能.渦輪發電試驗中則需保證發動機處于正常工作狀態，分析渦輪發電系統在發動機全負荷和部分負荷工況下的發電總功率，同時研究渦輪發電系統對增壓柴油機排氣背壓與發動機總效率的影響.

電動增壓系統工作原理：當發動機處于低轉速工況時，基于電增壓系統-進氣壓力MAP，采用模糊PID的控制策略，以進氣壓力為基本控制目標，通過電動增壓器實現快速補氣的技術方案.即發動機轉速低于預設值時，打開壓力閥，電控單元實時采集發動機轉速、油門踏板位置和發動機進氣壓力信號，通過實時轉速和油門負荷由電增壓系統-進氣壓力MAP得到進氣壓力期望值，再應用電動增壓技術使實測值能在短時間達到期望值，從而縮短渦輪遲滯時間，改善排放特性和動力性.當發動機轉速高于預設值時，壓力閥關閉，電控單元便發出停機信號，電動增壓器便自由停機，原渦輪增壓器正常工作.

渦輪發電機工作原理：電控單元實時監測發動機排氣背壓和渦輪發電機機體溫度，當發動機排氣背壓或渦輪發電機機體溫度低于預設值時，廢氣經過渦輪發電機，將多余能量轉換成電能，并通過整流濾波裝置，將發電機產生的電能回饋到蓄能單元.反之，當渦輪發電機機體溫度高于預設值或排氣背壓過大時，控制旁通閥打開，廢氣將不經過渦輪發電機，以防止發動機燃燒質量惡化和渦輪發電機溫度過高造成損壞.

3 試驗結果與分析

混合增壓系統可分為電動增壓器和渦輪發電機兩部分，本文基于現有交流電力測功系統，設計了電動增壓試驗、渦輪發電試驗和兩種系統協同工作的三種試驗方案，以研究電動增壓器對增壓發動機各工況下的功率、扭矩、有效燃油消耗率和排放特性的影響.同時，在柴油機全負荷和部分負荷工況下，研究渦輪發電機在兩種試驗工況下的發電總效率，最后進行電動增壓系統和渦輪發電系統聯合試驗，探究聯合后的混合增壓系統對增壓柴油機整體性能的影響.通過這些試驗驗證新設計的混合增壓系統的可行性.

3.1 電動增壓系統效果分析

電動增壓試驗將獨立進行，主要側重于低速工況下電動增壓器對增壓柴油機的性能影響.試驗選取兩個負荷工況（50%和75%），采用模糊PID的控制策略研究該工況下的發動機動力特性，通過電動增壓系統-進氣壓力MAP選取進氣壓力期望值，達到提高低速工況下發動機扭矩和縮短渦輪遲滯時間的目的.

（1）動力性能試驗數據對比分析.對于動力性能試驗，本文選取油門負荷為50%和75%進行試驗，再得出兩個工況下的轉速特性，如圖4和圖5所示，圖中分別對比原增壓器和增加電動增壓器后的發動機功率與扭矩變化.當轉速低于1 000 r·min-1時，電動增壓效果較不明顯，隨著轉速的增加，電動增壓發動機動力性明顯提高.試驗結果表明：在50%負荷下發動機輸出功率和扭矩分別最多提升了3.7%和3.5%，在75%負荷工況下，發動機輸出功率和扭矩分別最大提升4.9%和4.82%.對比發現，高負荷工況下，動力性的提高更加明顯，油門負荷越大，燃油噴射量越多，但此時會出現空氣進氣量不足，導致燃燒不充分，電動增壓器可以快速補充足夠多的空氣量，使得燃燒更充分，動力性大大提升.

圖4 電增壓柴油機輸出功率對比圖

圖5 電增壓柴油機輸出扭矩對比圖

（2）煙度排放試驗數據對比分析.圖6為原增壓器和電動增壓后的煙度排放情況對比圖，從圖中可以看出在柴油機低、中負荷時煙度排放較小，但隨著負荷增加，煙度急劇增加.煙度快速上升主要是由于在高負荷情況下，發動機轉速較低，達到與高負荷增壓轉速和增壓壓力有一定時間滯后，發動機出現燃燒質量下降，導致煙度快速上升.從總體情況來看，電動增壓的增壓發動機相比無電增壓的增壓發動機，煙度降低，最大煙度可減少55%.

圖6 電增壓柴油機煙度對比圖

3.2 渦輪發電系統效果分析

（1）全負荷渦輪發電系統效果分析.發電機輸出功率與發動機輸出功率對比如圖7所示，從圖中可以得出，在發動機全負荷工況下，當轉速達到2 200 r·min-1左右，發動機輸出功率達到最大值，同時渦輪發電機的輸出功率也達到最大值，由于渦輪發電機處于原增壓器下游，廢氣量決定了渦輪發電機的輸出功率，發動機轉速越高，發電機回收到的廢氣能量越多，且最大可回收電能2.4 kW.但隨著發動機轉速提高，排氣背壓逐漸增大，當排氣背壓超過一定閾值時，會使排氣阻力增大，使發動機動力性下降，綜合燃油消耗率增加，所以本文在發動機超過設定轉速后采用旁通閥的方式，把排氣背壓減小到適當值，保證發動機的正常工作.

圖7 發電機與發動機輸出功率對比圖

（2）部分負荷渦輪發電系統效果分析.在實際工作過程中，發動機并不是只在單一的工況下運行，本文通過對本型號增壓柴油機的正常使用頻率進行分析，提取了4個最常用的負荷工況點Pt1（12%負荷，1 000 rpm），Pt2（47%負荷，1 250 rpm），Pt3（61%負荷，1 500 rpm），Pt4（75%負荷，2 200 rpm），用于分析渦輪發電系統的發電功率.

發電機發電功率與工況有關，本文在4個不同試驗工況點下，采集系統發電機的輸出功率（如圖8所示）.由圖8可以得出在工況點Pt4可以產生最大的發電功率，達到了1.95 kW.在工況點Pt1只產生了50 W的發電功率.在全負荷工況下，油門開度達到最大值，而部分負荷將需要考慮油門開度以及燃油消耗質量，即需要在部分負荷工況下重新計算適用于渦輪發電系統柴油機的燃油消耗率，其計算公式為

其中，m?fuel為燃油消耗質量，單位為kg；Pc為發動機輸出功率，單位為kW；ηelec為發電機功率轉換效率，該效率是由于渦輪端至發電機之間的能量損失以及電機的損耗所引起的；PTG為渦輪輸出功率，單位為kW.

圖8 不同負荷試驗工況點的發電功率

圖9為不同負荷工況下的燃油消耗變化情況，從圖中可發現，增加渦輪發電機后，在工況點Pt2和Pt3綜合燃油消耗率降低了約0.9%，在工況點Pt4燃油消耗率減少接近2%.工況點Pt1負荷較低，廢氣能量較少，同時渦輪發電系統對增壓柴油機的油耗產生影響，造成燃油消耗率的少量上升.

圖9 不同負荷試驗工況點燃油消耗變化率

3.3 電動增壓及渦輪發電混合增壓系統效果分析

前文已分別獨立進行了電動增壓系統和渦輪發電系統的試驗，在本小節中進行兩個子系統聯合試驗，探究混合增壓系統對柴油機各性能的影響，主要研究對發電機發電功率和發動機總功率的影響.

圖10為電動增壓系統與混合增壓系統的發動機輸出功率對比圖，從圖中可以得出，在電動增壓系統基礎上，增加渦輪發電系統，發動機在中低速工況下的輸出功率得到提高，進一步增大了發動機輸出扭矩.由于在發動機排氣端串聯渦輪發電機，增加了發動機排氣背壓，在低速工況下，排氣背壓促使發動機燃燒更充分，此時，混合增壓系統發動機的輸出功率相比于電動增壓系統發動機的輸出功率有所上升.隨著轉速的增加，背壓導致的損失逐漸增加，混合增壓系統與電動增壓系統發動機輸出功率逐漸持平.同時，在混合增壓系統中，當背壓達到一定值時，壓力閥開啟，將渦輪排氣端壓力維持在適當值，避免發動機排氣損失過多.因此，混合增壓系統相比于電動增壓系統，低速工況下，發動機輸出功率有所上升，中高速工況下，兩者逐漸持平.

圖11為渦輪發電系統與混合增壓系統的發電機輸出功率對比圖，從圖中可以得出，在中低速工況下，混合增壓系統的發電機相比渦輪發電系統的發電機輸出功率有所上升.由于電動增壓系統在發動機中低速工況下代替原增壓系統進行快速進氣，使得發動機燃燒更加充分，發動機的廢氣能量增加，從而發電機的輸出功率增加.因此，混合增壓系統中電動增壓系統促使發動機燃燒充分，提高發動機輸出功率，同時增加廢氣能量，提高渦輪發電系統回收的能量.

圖10 電動增壓系統與混合增壓系統的發動機輸出功率對比圖

圖11 渦輪發電系統與混合增壓系統的發電機輸出功率對比圖

4 結論

基于交流電力測功系統以及增壓柴油機，進行并聯電動增壓試驗、串聯渦輪發電試驗和兩種系統協同工作試驗，綜合分析這三種方案在動力性、經濟性等方面對增壓柴油機綜合性能的改善.

（1）在電動增壓系統試驗中，發動機低速工況的性能有明顯地提升，其中動力性最大提高了4.9%，在低速高負荷工況下碳煙排放明顯減少.

（2）而渦輪發電系統在發動機低、中轉速工況進行能量回收，在全負荷工況下，最大可回收電能2.4 kW.同時本文對使用頻率較大的4個工況點進行研究，在工況點Pt4下最大發電功率可以達到1.95 kW，同時降低2%的綜合燃油消耗率.

（3）最后進行混合增壓系統試驗，對發動機的輸出功率和發電機的發電功率進行研究，結果表明：渦輪發電系統對于混合增壓系統發電機的發電功率有所增加，電動增壓系統相對于混合增壓系統發動機的輸出功率也有所提高，而排放性和燃油經濟性保持不變.