重型车用柴油机废气发电复合涡轮行驶工况的适应性

谢 辉，李苏苏(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

重型车用柴油机废气发电复合涡轮行驶工况的适应性

谢 辉，李苏苏
(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

针对发电复合涡轮形式对发动机余热回收效果的影响，建立了详细的某重型柴油机废气涡轮回收整车仿真平台，构建了电辅助复合涡轮、并联复合涡轮、纯电动复合涡轮和串联复合涡轮4种形式废气能量回收方案，对比分析了这4种典型的复合涡轮结构在发动机外特性、瞬态工况和道路运行工况下的废气能量转换效率及节油效果．研究结果表明，不同的驾驶工况应选用不同的复合涡轮形式；采用基于涡前压力动态优化控制，是实现发动机功率与涡轮发电功率合理分配、达到发动机总体效率优化的关键．研究结果对于复合涡轮结构选型以及发电复合涡轮与发动机的匹配与集成具有指导价值．

柴油机；余热能利用；复合涡轮；运行工况

内燃机作为主要的动力输出装置，每年消耗的石油约占全国石油消耗总量的60%，同时也产生了大量的排放污染物．节能减排是内燃机工业发展面临的重大挑战．目前，常规汽油机和柴油机的热效率分别在30%和40%左右．利用各种先进的燃烧方式或采用余热回收等技术提高内燃机热效率一直是行业研究领域中的热点问题．研究表明，燃油在发动机中燃烧产生的能量约有33%以尾气的形式排放到大气中，还有29%的能量以摩擦和冷却水散热等方式损失[1]．美国能源部支持下的GM、BMW、Cummins以及ORNL、RTI等国家实验室已开展发动机余热能回收利用技术的研究，该技术具有使柴油机热效率在未来10～15年的时间内提升至60%的潜力．可见发动机余热能量的有效利用，对于降低燃油消耗，提高发动机的能量利用率具有重要意义．

朗肯循环、复合涡轮、热电转换是实现发动机余热能回收的主要方式[2]．其中，复合涡轮技术的实现和布置结构相对简单，对原机改动较小，控制手段灵活，近年来得到了迅速发展，国内外著名的研发机构在相关方面开展了积极的研究工作．Caterpillar公司开发了使用电辅助涡轮回收发动机排气能量的ETC(electrical turbo-compound)系统，研究表明ETC系统具有很大的节油潜力，在标定功率点可减少10%的燃油消耗，考虑到不同路况的影响，综合燃油消耗也可实现5%左右的降低[3]．CPT公司研发了一种TIGERS(turbogenerator integrated gas energy recovery system)，该系统通过废气直接驱动电涡轮回收能量，在4缸2,L的自然吸气式发动机上得到了应用[4]．Bowman公司提出了ETC复合涡轮技术，系统通过二级增压器和一个涡轮发电机组合进行能量回收，在柴油机常用的中高负荷工况下，燃油消耗平均降低10%[5]．

复合涡轮应用于发动机余热能回收具有极大的节油潜力，但发电涡轮与发动机的组合形式并非单一．发电复合涡轮的组合形式主要有电辅助复合涡轮、串联复合涡轮、并联复合涡轮和纯电动复合涡轮．不同的复合涡轮形式会对余热利用效率及发动机本机效率产生不同的影响，且回收效果受工况的影响较大．清华大学开展了汽油机与不同复合涡轮搭配下的性能分析[6-7]，主要在US06和FTP75驾驶循环工况下比较不同形式复合涡轮油耗改善效果．意大利都灵理工大学的Millo等[8]对电辅助复合涡轮应用于重型柴油机对排气能量的回收利用潜力进行了研究，结果表明在不同的驾驶循环下，油耗可实现1%～6%的改善，其中在HWFET驾驶循环下可实现最佳5.4%的油耗改善，而在CBD驾驶循环下只能实现3.2%的节油效果．

本文为了研究复合涡轮形式对发动机余热回收效率的影响，建立了详细的某重型柴油机废气涡轮回收的整车仿真平台，构建了电辅助复合涡轮、并联复合涡轮、纯电动复合涡轮和串联复合涡轮4种形式废气能量收回方案，研究了4种典型的废气发电复合涡轮在稳态工况、瞬态工况和实际道路运行工况等典型运行条件下废气能量转换效率及节油效果，并提出了基于涡前压力动态优化控制的复合涡轮匹配思想，以实现发动机功率与涡轮电功率的合理分配，达到发动机热效率最大化的目的．

1 发动机及整车建模

笔者以一款11.6,L大排量增压柴油机为参考建立发动机模型，同时以某重型卡车为参考建立了整车模型以满足驾驶循环仿真分析的需要．柴油机原机及整车参数见表1．基于一维发动机仿真软件GTPower搭建的原机柴油机模型如图1所示．柴油机模型主要包括进气系统、排气系统、中冷系统、气缸和曲轴箱、涡轮机和压气机等；此外，通过增加发电机、电动机、电池及发电涡轮等模块来构建不同形式的复合涡轮．该仿真模型可实现对发动机常规工作特性和复合涡轮回收排气余热能的模拟．同时，基于实验数据的燃烧模型构建和缸内工质状态描述也能够反映出运行工况和空燃比对发动机燃烧的影响．将该发动机模型与车辆模型、动力总成、驾驶员模型以及道路模型等子模型集成为GT-SUITE中的整车模型，如图2所示．该整车模型可根据循环驾驶工况的要求，通过驾驶员模型调节加速踏板和制动踏板开度来跟踪目标车速，实现整车按照指定驾驶工况运行．

通过配置非结构性参数使模型尽可能接近参考机型．图3是外特性下模型计算得到的扭矩、功率和油耗数据与原机实验数据对比，偏差在5%以内．

图1 利用GT-Power搭建的详细发动机平台Fig.1Detailed engine simulation platform built with GTPower software

表1 柴油机及整车配置参数Tab.1 Parameters of diesel engine and vehicle

图2 增压柴油机模型耦合整车仿真模型Fig.2 Schematic simulation model of turbo-charged diesel engine coupled with vehicle

图3 柴油机模型外特性与参考机型的对比Fig.3 Comparison of engine performance between simulation and experiment under full-load operating conditions

2 不同形式的复合涡轮工况适应性

2.1 废气发电复合涡轮的结构

本文主要对比分析如下4种形式的废气发电复合涡轮方案，如图4所示．①图4(a)为电辅助涡轮方案：发电机/电动机集成安装在增压器转动轴上，当废气能量超过增压器所需能量时回收多余能量，而进气量不足时，电机则驱动增压器辅助增压．本方案的控制对象是发电机/电动机的发电功率，控制目标是增压压力．②图4(b)是并联复合涡轮方案：排气能量分为两部分，一部分废气由发动机排出直接经过旁通阀进入动力涡轮发电，另一部分用于废气涡轮增压满足发动机进气需求．本方案的控制对象是节流阀，控制目标是增压压力．③图4(c)为纯电动复合涡轮方案：涡轮机和压气机之间无机械连接，可独立工作．涡轮机与发电机连接将废气用于发电回收到电池，同时电动机使用电池能量驱动压气机正常工作，即以电机驱动电功率为进气系统控制对象，以增压压力为控制目标；在排气侧，控制对象是发电机发电功率，控制目标是排气背压．④图4(d)为串联复合涡轮方案：采用二级涡轮发电，排气经过二次膨胀做功发电．一级增压通过增压器放气阀门控制增压压力．

图4 不同形式的复合涡轮增压系统Fig.4 Different electric turbo-compound systems

2.2 复合涡轮发动机外特性对比

本文将原机以及4种不同形式的复合涡轮系统在外特性工况下的性能进行了详细的对比．如图5所示，4种形式的复合涡轮方案均须满足与原机相同的增压压力控制MAP，该MAP数据通过原发动机台架标定获得．

图5 目标增压压力MAPFig.5 Target intake pressure MAP

值得注意的是发动机在大转速高负荷情况下，排气背压过高会影响发动机进气量，因此，4种形式的复合涡轮压气机和涡轮机的MAP都在原机的基础上进行了一定的调整．图6为进气量及空燃比对比，原机与4种形式的复合涡轮系统的进气量相当，偏差不超过5%，同时由于不同复合涡轮方案下的喷油量设定保持不变，因而缸内的空燃比基本保持不变．可见上述4种形式的复合涡轮系统在回收排气余热能的同时均能够较好地满足外特性下的扭矩输出要求，且与原机相同的缸内空燃比控制也使得后续的方案比较和分析具有可对比性．

图6 外特性下不同复合涡轮系统空燃比和进气量对比Fig.6 Comparison of AFR and intake mass flow among different turbo-compound systems under full-load operating conditions

图7 为外特性下各种形式复合涡轮的回收电功率曲线．可以看出，在600～1,000,r/min的低转速下，排气能量不足，几乎无电能回收．而在中高负荷工况下，随着排气能量不断提高，4种形式的复合涡轮发电功率也逐渐增加，其中串联复合涡轮全部排气经过回收电涡轮进行二次膨胀做功，回收的排气能量最高，最大回收电功率可达35,kW；其次是电辅助复合涡轮，最大回收电功率为20,kW．电辅助涡轮采用了发电/电动集成式的电机，电机与压气机同轴转速较高，涡轮基本工作在高效区域，因而回收能量高，优势较为明显，但受膨胀比限制，其回收能量低于串联复合涡轮．

图7 外特性下不同复合涡轮回收电功率比较Fig.7 Comparison of electricity generation between among turbo-compound systems under full-load operating conditions

复合涡轮的应用对发动机本机效率的影响主要是通过排气背压产生的[9-10]．各发电复合涡轮形式对发动机排气背压的影响如图8所示．可以看出串联涡轮对排气背压的影响最大，如2,000,r/min时排气背压为0.40,MPa，远高于原机排气背压0.28,MPa．相比于串联涡轮，并联涡轮通过节流阀将剩余的排气流量分配给涡轮发电机，也会产生一定的节流损失从而导致排气背压的升高，影响发动机的本机效率．纯电动复合涡轮对排气压力的影响最小，发动机泵气损失最小．

图8 外特性下发动机排气背压的比较Fig.8Comparison of exhaust pressure among different turbo-compound systems under full-load operating conditions

不同的复合涡轮节能潜力比较主要包括发动机有效输出功和涡轮回收能量两部分．本研究中是以并联混合动力方案为出发点进行考虑的，所回收的电能均是通过ISG电机输出到曲轴上，电能转化效率不受复合涡轮方案差异的影响．本文将回收的电能用作曲轴功输出，暂不考虑发动机和电机复杂的耦合影响，避免增加本文研究分析的难度．综合考虑ISG电机的车用工况效率，选取转化效率为85%[11]．

综合曲轴输出功率及电功率转化后的辅助功率，4种复合涡轮的柴油机总燃油消耗率(BSFC)见图9．结果表明，串联复合涡轮回收系统总燃油消耗率最低，节能潜力最大，在1,900,r/min全负荷工况下油耗降低11.6%．电辅助复合涡轮形式同样在1,900,r/ min、全负荷时达到最佳的燃油改善，油耗下降7.0%．纯电动及并联形式节能效果比较有限．这些结果与综合涡轮回收电功率以及排气背压对发动机本机影响规律得到了相互验证．

图9 外特性下发动机油耗的比较Fig.9Comparison of fuel consumption amongdifferent turbo-compound systems under full-load operating conditions

2.3 复合涡轮瞬态工况特性的对比

在实际过程中，发动机大部分时间都运行在瞬态工况下，因而针对复合涡轮应用于发动机瞬态的性能分析则更为重要．本研究将复合涡轮分为两类，一类为配有电增压的电辅助涡轮和纯电动涡轮，另一类为仅有废气涡轮增压的并联涡轮和串联涡轮．以下主要通过电辅助涡轮和并联复合涡轮的瞬态工况仿真来分析和对比这两类涡轮形式的不同瞬态工作特性.

在瞬态过渡过程中，由于涡轮存在转速的迟滞效应，原机增压压力的变化总是滞后于需求的目标压力，造成燃烧时实际空燃比与理论最优空燃比之间存在较大的偏差，因而燃烧恶化，燃油经济性变差．而电辅助系统则可以利用蓄电池提供附加能量驱动增压器工作，提高进气量，改善增压系统的瞬态响应性能．较快的压力跟随可尽快实现期望的较高缸内空燃比，从而获得较高的发动机效率．图10为电辅助涡轮和并联复合涡轮回收形式下进气压力的变化情况，可以看出与原机相比，电辅助涡轮可以更好地实现进气压力与目标压力的跟随，而并联复合涡轮虽然相比原机实现了较好的进气压力跟随，但与电辅助涡轮相比仍有一定的差距．为了定量比较由这两类复合涡轮方案中不同增压压力跟随效果对发动机效率的影响，计算了各个方案的平均发动机效率，原机、电辅助方案和并联方案的发动机效率分别为35.89%、39.90%和38.80%．由此可见，改善增压压力的跟随情况，可以有效提升发动机本机效率．

发动机工作于瞬态工况时，并联复合涡轮排气能量瞬时不足，难以驱动压气机迅速建立增压．串联复合涡轮也因没有辅助增压系统，在瞬态过程中存在涡轮迟滞效应，因而发动机经济性改善略低于电辅助涡轮和纯电动涡轮．

图10 复合涡轮瞬态增压压力跟随情况对比Fig.10 Comparison of intake pressure following performance among different turbo-compound systems

在能量回收方面，电辅助涡轮发电转子为增压器轴，转速较为稳定，发电效率高．并联的发电涡轮在加、减速工况下，由于排气流量不稳定，使得发电涡轮存在频繁加速和减速过程且常处于低速运行状态，如图11所示．瞬态和低速过程使得发电涡轮效率降低，因此，并联复合涡轮在发动机瞬态过渡时，受到变转速及低转速下较低的瞬态涡轮效率的限制，使得油耗改善程度均低于电辅助涡轮形式．

图11 变工况下的复合涡轮的涡轮转速变化Fig.11Comparison of turbo speed among different turbocompound systems under transient operating conditions

2.4 复合涡轮典型运行工况的适应性

本文参考实际采集到的天津泰达公交工况和HWFET驾驶循环两种典型的运行工况进行了不同复合涡轮节油效果对比，具体的工况速度曲线如图12所示．由司机模型通过踏板PID控制器实现整车车速需求．整车仿真过程中，排气驱动复合涡轮系统发电，产生的电能存入蓄电池，将所有回收的电能折合为燃油量，计算得到车辆的总燃油消耗[12]如图13和图14所示．总体而言，在复合涡轮发电系统的辅助下，不同形式的复合涡轮相比原机油耗均有所降低．与稳态工况仿真结果略有不同的是在公交运行工况下，电辅助复合涡轮形式对排气能量的综合利用率最高，实现了6.8%的油耗改善．在公交工况下，电辅助复合涡轮的形式以其较稳定的转速和较佳的压力跟随，提高了发动机的瞬态燃烧性能，油耗得到了显著的改善；高速公路工况下，采用串联复合涡轮方案的百公里油耗最低，可降低油耗5.1%．由此可见，不同运行工况应采用不同形式的复合涡轮来达到最佳的节油效果，其中电辅助涡轮适合瞬态工况比例高的运行工况，串联涡轮适合车速高、运转负荷大的运行工况．

2.5 基于涡前压力的发动机功率与涡轮发电功率折中特性

前述研究表明，复合涡轮在柴油机上的应用会影响发动机涡前排气压力(即排气背压)，而涡前压力的增大则会使得发动机泵气损失增大，油耗恶化，可见排气背压是实现复合涡轮优化的关键．因此，笔者通过采用可变截面涡轮搭配电辅助复合增压，在同一个发动机工况和相同进气量下，通过调整涡轮截面来研究排气背压对排气能量回收和本机功率的影响.

可变截面电辅助复合涡轮在1,900,r/min、1,600,r/ min和1,300,r/min全负荷工况下，涡前压力对发动机功率及涡轮发电功率的影响如图15所示．从仿真结果可以看出，随着涡前压力的增加，发动机本机功率降低，涡轮发电功率增加．发动机本机功率的降低和涡轮发电功率的上升使得发动机总功率先增大后减小，故发动机每一个工况点存在一个最佳的涡前压力，使得发动机总功率输出最高．

图12 两种典型运行工况速度曲线Fig.12 Speed curves of bus driving condition and highway condition

图13 公交运行工况百公里油耗比较Fig.13 Comparison of fuel consumption among different turbo-compound systems under bus driving condition

图14 高速运行工况百公里油耗比较Fig.14 Comparison of fuel consumption among different turbo-compound systems under highway condition

图15 涡前压力对发电功率和发动机功率的影响Fig.15Effects of exhaust pressure on electricity generation and engine power

因此，基于以上研究结果，通过涡前压力实时优化控制，构建复合涡轮发电功率与发动机功率分配控制器．该控制思想是实时计算出最佳的涡前压力，使得该时刻发动机输出功率及电涡轮输出功率总和最大．通过对VGT导流叶片位置的PID控制达到该目标值，实现整个系统实时总能效率的最大化．

基于该方法运行与泰达公交工况匹配的变截面电辅助复合涡轮整车模型．图16为优化算法计算得到的涡前压力目标值与涡前压力实际值的变化曲线．采用涡前压力控制后的油耗与不进行控制的油耗对比结果见表2．结果表明，对电辅助复合涡轮涡前压力进行实时控制，通过规划发动机输出功率和涡轮发电功率，相比于无涡前压力控制，可使整车百公里油耗进一步改善1.4%．

图16 优化后的涡前压力瞬态跟随效果Fig.16 Following performance of intake pressure with optimized exhaust pressure control strategy

表2 有无涡前压力控制的油耗对比Tab.2 Comparison of fuel consumption with and withoutexhaust pressure optimization

3 结 论

(1) 不同运行工况应采用不同形式的复合涡轮来达到最佳的节油效果．稳态工况下，串联复合涡轮对排气能量的回收最大，适合于高转速大负荷且稳态运转的运行工况．

(2) 电辅助涡轮的瞬态响应性好，通过余热回收的方式获得电辅助增压的动力来源，提高了增压器的瞬态目标压力跟随响应性能，改善了发动机本机效率，因而适合瞬态运行比例高的运行工况．

(3) 复合发电涡轮余热能回收效果与发动机本机效率存在耦合特性，涡前压力是两者相互耦合作用的主要影响因素．

(4) 基于涡前压力的优化控制策略，可合理规划发动机曲轴输出功率与涡轮发电功率分配，实现复合涡轮与发动机本机的总效率最佳．在实际道路公交工况下的验证结果表明，将该策略应用于电辅助复合涡轮可使整车的百公里油耗得到进一步改善．

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(责任编辑：金顺爱)

Adaptive on Driving Cycles of Waste Energy Recovery Turbo-Compound Systems on a Heavy Duty Diesel Engine

Xie Hui，Li Susu
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to study the influence of turbo-compound form on engine waste energy recovery，a detailed heavy duty engine simulation platform is implemented in this research，which can be equipped with four different electric turbo-compound systems，such as electrically assisted turbocharger，power turbine in series with the turbocharger power turbine in parallel with the turbocharger and electrically split turbocharger. The performance of four turbocompound systems is compared and analyzed under steady operating conditions，transient operating conditions and vehicle driving cycles，respectively. It is indicated that different turbo-compound systems are suitable for different driving conditions. The optimization of exhaust pressure based on reasonable distribution between engine brake power and turbo generated power is the key to improving the overall efficiency. This research provides a great value for guiding the turbo-compound selection and integration between engines and turbo-compound systems.

diesel engine；waste energy recovery；turbo-compound system；driving cycle

TK421

A

0493-2137(2014)06-0558-07

10.11784/tdxbz201209075

2012-09-26；

2012-11-30.

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目资助(2011CB707206).

谢 辉（1970— ），男，博士，教授.

谢 辉，xiehui@tju.edu.cn.