柴油機電動增壓穩態與瞬態工況控制策略研究

宋彥蘋，程江華，程振宇，郭文君，石磊，鄧康耀

(1.上海交通大學動力機械及工程教育部重點試驗室，上海 200240；2.中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室，天津 300400)

電動增壓由高速電機帶動壓氣機工作，不依賴柴油機排氣能量，低速時可以主動增加進氣量，改善油耗，實現與柴油機工況的解耦，有效解決渦輪增壓器的遲滯問題，同時結構簡單、體積小，在電氣化、智能化、低碳化趨勢下，必將有很好的發展前景。

國內外企業和高校對電動增壓的零部件設計、匹配應用等問題進行了諸多研究，取得了一定的成果。三菱重工設計了一種電復合渦輪增壓系統，電機直接耦合在渦輪軸上，低轉速時用作電動機以提高低端扭矩，高速工況用作發電機回收能量以改善油耗，試驗表明柴油機穩定扭矩提高了約17%。霍尼韋爾在2017年上海車展上展示了先進的電動增壓器，直接由電機驅動壓氣機，燃油經濟性可提升10%～15%，并減少20%的NO排放。意大利比薩大學Pasini研究發現，電機外置式汽油機電渦輪復合系統可以降低最低穩定轉速并減少渦輪滯后，但在提高小型乘用車燃油經濟性方面優勢并不明顯。意大利摩德納大學Mattarelli研究了機電復合增壓系統在三缸機上的優勢。瑞典林雪平大學Kristoffer從長距離運輸的角度出發，發現相比于配備傳統渦輪增壓器，卡車使用電動增壓器燃油率消耗降低了0.9%。韓國漢陽大學Baek研究發現，加裝電動增壓器會使BMEP增加，但也會導致NO排放上升。

國內對于電動增壓的研究起步較晚。濰柴動力張廣西仿真研究表明，電動增壓需要一定的功率輸出和更大的工作電壓來保證較好的使用效果。福州大學張衛波研究解決了急加速冒黑煙和扭矩不足的問題。天津大學楊建軍和姚春德研究表明，增加電驅動壓氣機的柴油機加速性能和煙度都得到了顯著的改善，煙度峰值最高可下降20%。Breitbach研究發現，電動增壓器可以拓寬壓氣機的工作特性圖，從而實現更高的增壓壓力,同時獨立于廢氣可以實現更靈活的封裝。

國內外前期研究更多關注電動增壓器設計及其與整機匹配等，對基于能量優化的瞬態穩態控制策略研究較少。本研究首先探究了電動增壓器對柴油機穩態和瞬態性能的影響規律，然后從經濟性和動力性兩個方面探討了電動增壓器轉速對低速工況工作性能的改善潛力，獲得了不同轉速下的穩態控制策略，最后研究了電動增壓器階躍轉速及其維持時間對柴油機瞬態性能的影響，得到了不同負荷下的最佳瞬態控制策略。

1 仿真模型建立

本研究以上海柴油機有限公司SC7H高壓共軌直列6缸增壓柴油機為基礎搭建了仿真模型，柴油機參數見表1。在單級渦輪增壓的基礎上增加電動增壓器，并在其后增加中冷裝置，改進后的布置簡圖見圖1a。將電動增壓器置于渦輪增壓器后，有利于增壓壓力的提高以及柴油機整體性能的改善。一維仿真模型見圖1b，包括氣缸與曲軸箱模塊、進氣系統模塊、排氣系統模塊、渦輪增壓器模塊、電動增壓器模塊和兩個中冷器模塊。選用WFTT-48V電動增壓器，實物圖及壓氣機Map見圖2。該電動增壓器的最高轉速為70 000 r/min，最高壓比可以達到1.5。

表1 SC7H柴油機原機技術參數

圖1 SC7H柴油機結構圖及仿真模型

圖2 電動增壓器及Map圖

將電動增壓器旁通，根據原機試驗數據對模型進行校準，校準參數包括進氣量、空燃比、缸壓、功率、油耗、排溫等，結果見表2，各轉速下的校準缸壓曲線對比見圖3。可以看出，校核的仿真模型具有較高的計算精度，可以用于仿真計算。

表2 標定工況校核數據對比

圖3 不同轉速下的校核缸壓對比

為方便對電動增壓器工作特性進行分析，本研究定義了兩個評價指標分別用來評價穩態性能和瞬態性能：將電動增壓器消耗的能量折合到柴油機總油耗中，得到穩態經濟性評價指標折合燃油消耗率，如式(1)所示；瞬態響應性評價指標為增壓壓力升高率，定義為瞬態過程中增壓壓力增量與增壓壓力達到穩態值所需要的時間之比，如式(2)所示。

(1)

(2)

式中：為柴油機的總有效輸出功率；為電動增壓器的功率；-為柴油機實際輸出功率；為柴油機的有效燃油消耗率；Δ為增壓壓力增量；為增壓壓力達到穩態值所需要的時間。

2 電動增壓器影響規律探究

本研究從穩態和瞬態兩個方面探究電動增壓器對柴油機性能參數的影響。

2.1 穩態結果分析

固定電動增壓器轉速為50 000 r/min，分別計算了不同柴油機轉速全負荷工況下原機以及增加電動增壓器后柴油機的工作性能。表3示出了增加電動增壓器后各性能參數相比于原機的變化情況。可以看出，在低轉速時，扭矩和油耗均有明顯的改善，這是因為電動增壓提高了增壓壓力，增加了進氣量，燃燒情況改善，導致扭矩提高；但高速工況由于廢氣能量大大提高，渦輪做功能力增強，電動增壓器反而會阻礙進氣，增加進氣阻力，使增壓效果惡化，導致經濟性、動力性下降。以電動壓氣機實際功率與額定功率(3 kW)比值為標準對不同工況電動增壓介入程度進行了劃分，規定該比值大于0.8為介入程度高，低于0.3為介入程度低，二者之間為中等介入程度。繪制了不同發動機工況的控制策略圖(見圖4)，由圖可知電動增壓介入區域主要集中在低速高負荷工況，轉速提高渦輪做功能力增強，負荷降低空燃比增大，氣量充足，電動增壓介入程度應逐漸降低，直至完全旁通。

表3 穩態工況電動增壓對柴油機性能的影響規律

圖4 不同工況下電動增壓器介入程度控制策略

2.2 瞬態結果分析

根據穩態仿真結果，進一步研究電動增壓器對柴油機瞬態性能的影響，計算了定負荷加速過程，負荷分別選取25%，50%，75%，100%。

圖5示出100%負荷800—1 400 r/min加速過程原機增壓壓比和增加電動增壓后各部件壓比變化趨勢對比。可以看出，增加電動增壓后，柴油機總壓比與原機相比在響應性和幅值上均有較大提升，這是因為電動增壓器不僅提升了自身壓比，并且通過增加流量提升了渦輪增壓器壓比，提高了系統的響應性。

圖5 100%負荷加速過程中壓比變化曲線

圖6示出不同負荷下加速過程有無電動增壓器的增壓壓力升高率值柱狀對比。可以看出，4個工況下電動增壓系統表現均優于原機。100%負荷下，加裝電動增壓器后=30.55 kPa/s，相比于原機28.06 kPa/s提高了8.9%，50%負荷下響應性改善最明顯，值提高了26.5%。

圖6 不同負荷下加速過程K值對比

3 電動增壓對柴油機經濟性的影響

本研究以低轉速穩態工況為研究對象，針對經濟性，計算800～1 400 r/min轉速下電動增壓輸入能量對壓比、油耗、扭矩等的影響規律，探討其控制策略。

3.1 電動增壓器輸入能量影響規律

低速工況下增壓系統各參數隨電動增壓器轉速的變化見圖7。隨著電動增壓器轉速的增加，壓比上升，流量增加，使電動增壓器運行點靠近喘振區，效率下降，因此，穩態工況電動增壓器的轉速不宜過高；另外，隨著電動增壓器轉速的提高，由于進氣量增加，排氣能量升高，渦輪增壓器壓比提高，運行點向高效率區移動，故電動增壓器的介入有利于渦輪增壓器的工作。因此，對于穩態工況，增壓系統的整體效率會隨著電動增壓器轉速的增加先上升后下降，存在一個最優值使進排氣系統能量利用率最高。

圖7 低速工況下增壓系統隨電動增壓器轉速的變化

相比于原機提高的功率與電動增壓器消耗的功率的差值可以表征電動增壓器的介入對于凈輸出功率的提升情況，此處稱之為功率收益。圖8示出功率收益的變化曲線。可以看出，隨著電動增壓器轉速的增加，功率收益逐漸增加，尤其在低轉速時更為明顯，功率收益的增加也可以導致整機油耗在一定程度上降低；但隨著發動機轉速的提高，1 400 r/min工況下，電動增壓器轉速過高甚至造成凈輸出功率下降。

圖8 功率收益變化曲線

3.2 基于經濟性的穩態控制策略

開展了以經濟性為目的的電動增壓器能量控制策略研究，以低折合油耗為基本原則，保證扭矩不降。圖9示出了不同柴油機轉速下折合油耗隨電動增壓器轉速的變化情況。可以看出隨著電動增壓器轉速增加，最高油耗呈現降低的趨勢。經濟性控制策略以0.2 MPa燃燒壓力余量作為最優電動增壓器轉速確定點(見圖中星號)。可以發現，最優電動增壓器轉速的變化趨勢與最高燃燒壓力限制線基本一致，隨著柴油機轉速的上升先下降后上升。這是因為隨著柴油機轉速的提高，渦輪功逐漸增大，為了降低油耗可以降低電動增壓器的輸入能量；隨著柴油機轉速的繼續上升，在1 400 r/min工況，由于排氣能量升高，渦輪增壓系統可以提供足夠的增壓壓力，因此應將電動增壓器旁通。

圖9 以經濟性為目的的穩態控制策略

表4示出以經濟性最優為原則的穩態控制策略的控制效果。可以看出，低速工況下油耗均下降，扭矩均上升，而且轉速越低改善效果越明顯，800 r/min時，原機燃油消耗率為227.0 g/(kW·h)，改善后折合燃油消耗率為209.3 g/(kW·h)，降低了約8%。

表4 經濟性穩態控制策略及效果

4 電動增壓對柴油機動力性的影響

加裝電動增壓器后，柴油機空氣流量增加，進而可以提高柴油機油量與功率，本研究針對低速穩態工況渦輪增壓柴油機動力性展開研究。

4.1 電動增壓器輸入能量影響規律

圖10示出不同電動增壓器轉速下扭矩隨噴油量的變化。可以看出，增加電動增壓器后的柴油機扭矩均大于原機扭矩(836 N·m)，而且隨著噴油量和電動增壓器轉速的增加，扭矩均線性上升，電動增壓器轉速每增加5 000 r/min，扭矩約增加20 N·m；噴油量每增加4 mg/cycle，扭矩約增加35 N·m。這是由于電動增壓器轉速提高導致進氣量增加，同時配合噴油量的增加，導致混合氣總量增加，因此扭矩上升。

圖10 扭矩變化曲線

圖11示出燃燒壓力和空燃比隨噴油量及電動增壓器轉速的變化。可以看出，隨著噴油量的增加，空燃比降低，燃燒壓力升高，導致扭矩也升高。一方面是因為隨著噴油量的提高，排氣能量增加，導致增壓壓力增加，進氣量增加，混合氣變濃的同時總量增加，燃燒改善，燃燒壓力上升；另一方面是因為增壓壓力提高導致壓縮初始壓力提高，從而燃燒壓力升高。噴油量一定時，隨著電動增壓器轉速的提高，空燃比逐漸增大，燃燒質量改善，同時增壓壓力提高，燃燒壓力提高，使扭矩增加。

圖11 燃燒壓力和空燃比變化

4.2 基于動力性的穩態控制策略

本研究以提升扭矩為目的開展了動力性穩態控制策略研究。圖12示出1 000 r/min穩態工況下扭矩隨電動增壓器轉速和噴油量的變化。最高燃燒壓力限制線和油耗限制線之間為性能優化區域，在此區域內隨著噴油量的增加和電動增壓器轉速的增加扭矩均逐漸增加，在距離最高燃燒壓力限制0.2 MPa、距離燃油消耗率限制1 g/(kW·h)處選取扭矩最大的點(噴油量為120 mg，電動增壓器轉速為41 200 r/min)為該工況下的最優控制策略，仿真結果表明扭矩提高了15.64%。

圖12 以動力性為目的的穩態控制策略(1 000 r/min)

表5列出了不同工況下的最優參數以及性能改善效果。隨著柴油機轉速的增加，最優電動增壓器轉速與經濟性控制策略變化趨勢相同。與表4對比可以發現，基于動力性的最佳電動增壓器轉速均低于同轉速工況下的經濟性最佳轉速，這是因為噴油量的增加會提高混合氣的總能量，導致燃燒壓力上升，需要降低電動增壓器轉速。從表5可以看出800 r/min時扭矩提升最大，達到了27%，同時燃油消耗率均有小幅度的下降，經濟性得到改善。

表5 動力性穩態控制策略及效果

5 瞬態加速控制策略研究

本研究針對不同負荷下800—1 400 r/min加速過程進行響應性分析，開展了瞬態控制策略研究，暫時不考慮排放特性。

圖13示出初步制定的8種電動增壓器介入方案。根據穩態仿真結果可知，柴油機轉速在800～1 400 r/min之間時，最優電動增壓器轉速均位于45 000～70 000 r/min內，因此瞬態過程中電動增壓器轉速均在此范圍內。另外，為了進一步提高響應性，在瞬態過程發生瞬間，首先將電動增壓器轉速提高到某個較高水平，保持一段時間后再恢復穩態值，分別研究該高階躍值及其維持時間對響應性的影響，尋找不同負荷下的最優控制策略。方案一為800 r/min穩態線性過渡至1 400 r/min穩態，方案二至方案四階躍轉速分別為60 000，65 000，70 000 r/min，并維持1 s，方案五至方案八階躍轉速為70 000 r/min，分別維持0.5 s，1.5 s，2 s，2.5 s。

圖13 電動增壓器介入方案

圖14示出不同方案100%負荷加速過程增壓壓力隨時間的變化曲線。可以看出，方案六、方案七和方案八由于電動增壓器階躍轉速較高且持續時間較長,導致了很大的超調，這會造成發動機工作不穩定，并且會引起不必要的能量損耗。其他5個方案增壓壓力變化趨勢可以從圖14中的方框中展現，放大如圖15所示。方案二和方案三由于階躍轉速較低，曲線初始上升斜率較小，調節時間變長，而方案五雖然初始斜率很高，但由于維持時間較短，在10.6 s時斜率就開始下降，也造成了調節時間的加長。因此方案四為最佳方案，電動增壓器階躍轉速為70 000 r/min，維持時間1 s，超調量較小且調節時間短。計算各方案的增壓壓力升高率(見表6)。可以看出方案四的值最大，為41.96 kPa/s，相比于線性變化的方案一提高了20.16%。

圖14 不同方案下100%負荷增壓壓力變化曲線

圖15 不同方案下100%負荷增壓壓力放大圖

表6 不同方案下100%負荷K值對比

由于方案六至方案八超調量過大，方案二調節時間過長、響應性不好，圖16僅繪出了方案一、方案三、方案四和方案五不同負荷下的值對比柱狀圖。可以看出，100%負荷下方案四值最大，而部分負荷下均為方案五值最大，這是由于部分負荷下目標增壓壓力較低，因此隨著負荷的降低，應縮小電動增壓器階躍轉速的維持時間。75%負荷采用方案五，值相比于原機提高了46.35%，100%負荷采用方案四，值相比于原機提高了49.54%。

圖16 不同方案不同負荷下加速過程K值對比

6 結論

a) 加裝電動增壓器，并在高轉速時加以旁通，可以兼顧穩態和瞬態性能;以經濟性為目的，隨著電動增壓器轉速的升高，空燃比增大，泵氣功增大，折合燃油消耗率降低，800 r/min時，電動增壓器轉速取65 000 r/min，燃油消耗率降低了17.7 g/(kW·h)；以動力性為目的，增加噴油量，增壓壓力升高，空燃比略降，放熱率、燃燒壓力提高，扭矩增大，800 r/min時電動增壓器轉速取55 500 r/min，扭矩可提升27%；

b) 低速工況下，隨著柴油機轉速的上升，電動增壓器轉速應逐漸降低，1 400 r/min及以上高速工況將電動增壓器旁通；基于動力性的控制策略中，由于增加了噴油量，燃燒壓力升高，電動增壓器轉速整體低于經濟性控制策略中的電動增壓器轉速；

c) 電動增壓器階躍轉速越高，增壓壓力上升斜率越快，但維持時間過長會導致超調量過大；隨著負荷的下降，電動增壓器階躍轉速維持時間應逐漸減小，100%負荷工況，采用70 000 r/min維持1 s，值提高了49.54%。