相继增压柴油机瞬态切换喷油策略

王银燕，于恩程

(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

近年来，随着对柴油机高动力性、高经济性、低排放性的不断追求，促使采用增压技术，增压器向高增压比的方向发展，但由于涡轮增压器和柴油机工作特性不同，串联运行存在着变工况匹配问题，普通的涡轮增压系统很难兼顾柴油机的高、低工况性能的要求.目前逐渐被船舶柴油机广泛应用的相继增压系统(sequential turbocharging，STC)，可以在较宽广的转速范围内与柴油机匹配，是改善高增压柴油机部分负荷性能的一个有效技术途径［1］.

虽然相继增压系统在稳定工况运行时，可以有效提高柴油机功率、降低燃油消耗率以及减少排放，但是在增压器的切换过程中，不合理的喷油量控制策略，会导致切换过程增压器喘振，并伴随着转速波动、排放恶化.因此，切换过程中柴油机转速、增压器运行不够稳定，可能产生振动、噪声、排放恶化等现象.

本文通过采用多目标优化方法，对柴油机燃油喷射系统喷油参数进行调节，来探究合理的相继增压柴油机切换过程喷油策略，进而达到改善切换过程中柴油机转速波动变化等不稳定现象的目的.

1 柴油机相继增压仿真模型的建立

由于相继增压系统对切换阀门等关键零部件的性能及其测控系统精度等要求较高，使得当前针对相继增压系统的研究主要以仿真计算手段为主，尤其是对相继增压系统瞬态过程的研究［2］.

本文采用发动机性能仿真软件GT-Power建立TBD234V12相继增压柴油机仿真模型.其中，缸内燃烧模型采用准维模型，因其考虑了缸内的非均匀性，故可以准确地模拟燃烧过程并计算燃烧过程中产生有害排放物的生成率.

1.1 相继增压柴油机仿真模型的建立

本文所研究的对象是MWM公司的TBD234 V12柴油机，其主要结构和性能参数如表1所示.TBD234V12柴油机采用脉冲增压方式，其A列与B列增压器均为同一型号的J100径流式涡轮增压器，且采取了进气中冷措施以提高进气密度，该机的结构示意如图1所示.

表1 柴油机的主要结构参数和性能参数Table 1 The main structural parameters and performance parameters of the diesel engine

图1 TBD234V12柴油机相继增压示意Fig.1 Schematic diagram of TBD234V12 sequential turbocharging engine

采用模块化的方法建模［3］.对涡轮增压柴油机进行系统建模，以柴油机质量流动为顺序，依次建立进气管、涡轮增压器、中冷器、气缸、曲轴箱、排气管等模型模块.从图2可以看出，柴油机在标定工况下，缸内压力变化曲线的计算结果与实测示功图形状基本吻合，仿真计算结果较为准确.

图2 标定工况下柴油机缸内压力计算与实测曲线的对比Fig.2 Comparison of the engine cylinder pressure curves by calculating and measuring in calibration conditions

对TBD234V12常规脉冲增压模型按照标准螺旋桨特性运行进行了计算，选取25%、50%、75%、90%、100%负荷，与之对应的转速分别是1 134、1 429、1 636、1 739、1 800 r/min.图3为柴油机有效功率、有效油耗、进气压力、涡轮出口排气温度的计算值与实验值的对比，从图中可以看出，不同工况下各性能参数变化趋势基本吻合，说明柴油机模型边界条件设置合理，进一步说明了模型的正确性.

图3 柴油机性能参数计算值与实验值的对比曲线Fig.3 Comparison of the performance parameter curves at the turbine outlet by calculating and measuring

1.2 相继增压系统切换条件的确定

在柴油机按照标准螺旋桨特性运行时，基于有效油耗最低化的原则，为柴油机相继增压系统选择状态切换点［4］.柴油机各运行状态下的燃油消耗率如图4所示.本文选择柴油机切换转速为1 429 r/min.

图4 STC柴油机各运行状态下的有效油耗Fig.4 Effective fuel consumption of sequential turbocharging diesel in each operation condition

2 STC瞬态过程的仿真计算

在所建立的柴油机稳态性能仿真模型的基础上建立了相继增压瞬态仿真模型，并通过添加调速器模型来控制柴油机的瞬时喷油量.

2.1 瞬态计算数学模型

2.1.1 调速器控制模型

PID控制器是由比例作用、积分作用、微分作用组合而成［5］.一般的工程应用中，往往只进行PI控制，不需进行D控制［6］.本文柴油机调速器采用PI控制模型，其控制方程为

式中:u(t)表示调节器输入函数，即齿条位移量，e(t)表示调节器输出函数，即转速偏差量，Kp表示比例系数，Ti表示积分时间常数.

PI控制的基本过程如图5所示，控制器在受到干扰的情况下，通过调节喷油量来控制柴油机转速，以满足调速特性需要.PID控制的关键是根据发动机运转状况确定最佳喷油量，以与进气量相匹配，使空燃比最佳.

图5 PI控制的基本过程Fig.5 Process diagram of PI＇s control

2.1.2 曲轴动力学模型

根据刚体动力学原理［7］，在瞬态过程计算中，内燃机的转速变化率可表示为

式中:Je表示柴油机的转动惯量，JVB表示负载的当量转动惯量，Me表示柴油机有效输出扭矩，MVB表示负载扭矩.

曲轴的输出扭矩为

式中:gf表示燃油消耗率，Hu表示燃油低热值，ηe表示机械效率.

2.2 相继增压瞬态仿真模型的建立与计算

对TBD234V12STC柴油机瞬态模型按照标准螺旋桨特性Ne=Cn3运行进行了计算，以时间作为阀门的控制信号，在12 s时受控增压器燃气阀开(exhaust valve opening，EVO)，切换延迟时间为1 s，阀门开启响应时间为0.000 1 s，在13 s时受控增压器空气阀开(air valve opening，AVO)［8-9］.仿真计算得出的柴油机主要参数变化曲线如图6所示.

图61 TC到2TC切换1s延迟柴油机性能参数变化曲线Fig.6 Switching from 1TC to 2TC，the amount curve of performance parameter in 1 s

由图6可以看出，受控增压器切入，燃气阀开启后，由于部分排气用于驱动受控涡轮，气缸排气背压减少，燃烧充分，柴油机转速急剧上升.此时，调速器通过其转速感应元件和执行机构，根据转速的增加自动减少相对齿条位移，即随着转速的增加而减少喷油量，但由于空气阀门仍处于关闭状态，使进入气缸的空气量跟不上喷油量变化速率，缸内过量空气系数急剧下降，燃烧不完全，柴油机转速增加到1 446 r/min后便开始下降，但由于调速器的调节始终滞后转速变化，相对齿条位移继续下降，直到转速继续降低Δt后，相对齿条位移才开始增加，即供油量增加，直到转速降低到最低点1 412 r/min，相对齿条位移仍继续上升.空气阀开启后，由于增压压力增加，柴油机转速开始上升，相对齿条位移延迟Δt'后开始下降，最后柴油机转速在2TC状态稳定.

由此可以看出，调速器的调速过程只是根据转速的波动变化来被动进行调节的，并不能实现主动控制并从根本上限制相继增压切换时柴油机转速的波动变化.

3 瞬态过程喷油规律的多目标优化设计

切换过程的喷油量控制策略是通过对喷油量的调整和优化，最终反应到整个切换过程的稳定性上.本文基于多目标优化算法对喷油量控制策略进行优化，从而实现控制转速波动和碳烟、NOx排放生成的目的.

对于传统直列泵燃油系统，为寻求比PID控制更为合理的STC切换过程喷油策略，设计并模拟了瞬态调速装置.由于变量较多，以及反复调用GTPower计算，人工操作的工作量较大.为了提高计算效率，采用多目标优化软件mode FRONTIER与GTPower软件耦合的方法，来对喷油量控制策略进行优化.

STC瞬态切换喷油规律的优化数学模型为

式中:fNOx表示NOx排放量，fSOOT表示SOOT排放量，fn表示转速波动量，J(k)表示循环喷油量，p表示最高燃烧压力，plim表示最高燃烧压力限值，dp/dφ表示缸内压力升高率，Mlim表示缸内压力升高率限值，ge表示燃油消耗率，gelim表示燃油消耗率限值，T表示尾气温度，Tlim表示尾气温度限值.

首先进行DOE正交试验设计，利用较少的试验量得到各参数的影响情况，确定参数的主次顺序，同时在DOE的基础上采用具有较好搜索能力的二代多目标遗传算法(multi-objective genetic algorithmⅡ，MOGAⅡ)进行多目标优化计算［10-12］.

计算得出的相关性矩阵图显示输入、输出变量之间的相关系数和分布情况如图7所示.颜色越深的区域，变量之间相关性系数(－1.0～1.0)越大，变量相互影响越大.由图7可以看出，在切换过程中某时刻的碳烟及NOx生成量不仅与该时刻的循环喷油量紧密相关，而且受上一时刻循环喷油量的影响更加显著，EVO至AVO期间内循环喷油量的变化值对碳烟的生成量的影响最大.

图7 排放物与循环喷油量的相关性系数矩阵图Fig.7 Matrix of correlation coefficient between emission and the fuel injection quantity per cycle per cylinder

由于优化目标点数目较多，故利用并行折线图，再通过多准则决策找到合适的优化值.优化结果如图8所示，对碳烟、NOx生成和转速波动的优化进行折中处理，寻求最优切换过程喷油规律，即在空气阀开启前0.2s开始降低喷油量，使切换延迟期内的转速波动及碳烟量最高点分别降低87%和80%，燃气阀开启前0.1 s降低喷油量，保持碳烟量满足排放指标范围内，使转速波动和NOx量最高点分别降低16.7%和15.6%.

图8 多目标优化前后的性能及排放参数Fig.8 Performance and emission parameters before and after multi-objective optimization

4 结束语

建立了TBD234V12相继增压柴油机稳态及瞬态仿真模型，并验证了计算模型的正确性.通过燃油经济性最优的原则确定相继增压系统的切换边界.

将多目标遗传优化算法应用到相继增压柴油机切换过程的喷油量控制策略研究中，从而可在较大范围内搜索解空间，并能以较快的收敛速度提供解空间内符合优化条件的最优解集.

获得了对相继增压柴油机切换过程喷油规律的主动控制，实现了对碳烟、NOx生成量和转速波动的多目标优化.

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