电动增压器对柴油发动机低速稳态性能的影响

2021-11-01杨攀涛崔涛赵彦凯何文钦于聪聪

兵工学报 2021年9期

杨攀涛，崔涛，赵彦凯，何文钦，于聪聪

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

0 引言

内燃机涡轮增压技术可以提高发动机的动力性、经济性和紧凑性等[1]。但废气涡轮增压难以实现与发动机的全工况匹配，还存在由涡轮迟滞导致的发动机低速性能恶化、扭矩响应慢等问题[2]。随着发动机功率密度的提高，涡轮增压发动机低速动力性受进气滞后的影响更为明显[3]。虽然涡轮机械复合增压可以同时提高柴油发动机高速和低速时的扭矩，但是其增压性能与发动机转速相关，尤其是在低速大负荷时无法实现高增压比和全工况匹配[4]。电动复合增压技术使用电机驱动压气机，可以实现进气的快速响应，如美国博格华纳公司的电动增压器可在190 ms内加速至70 000 r/min的转速，为发动机快速建立高进气压比[5]。电动增压器与柴油发动机是电气连接，实现了进气增压与发动机转速的解耦控制，满足柴油发动机全工况范围内的进气需求[6]；同时，电动增压器与废气涡轮增压器共同组成电动复合增压系统，既可以解决传统废气涡轮增压发动机低速时增压能力不足的问题[7]，还可以在发动机突然加载中提高进气瞬态响应速度[8]。因此，采用电动复合增压技术可以有效改善发动机在低速段的加速性能[8]、动力性能[9]和燃油经济性能[10]。

电动增压器的加入对发动机气路系统会产生较大的影响，姚春德等[11]研究了电动增压器对废气涡轮增压器的影响，发现电动增压器可增大柴油发动机自由加速时废气涡轮增压器的角加速度，且电动增压器的质量流量越大，角加速度增大越明显，废气涡轮加速越快。Suzuki等[12]在不同发动机循环工况下研究了电辅助涡轮增压对提高燃油经济性的影响，发现电辅助涡轮增压能有效提高发动机经济性，但对发动机低速扭矩响应提升有限。Rode等[13]从电动增压器惯量、电动增压器最大输出功率和压气机效率等方面研究了电动增压器对废气涡轮增压发动机瞬态响应的影响，发现电动增压器最大输出功率越大，电动增压器惯量越小，压气机效率越高对发动机瞬态性能提升越明显。电动增压器惯量和压气机效率对发动机瞬态性能提升作用较小，但缺少电动增压器自身功耗对发动机经济性的影响研究。

本文研究电动增压器对发动机扭矩、空燃比和油耗的影响；通过综合电动增压器对发动机动力性、经济性的研究得到电动复合增压发动机最佳扭矩曲线；分析电动增压器对发动机性能提升的原因；将电动复合增压发动机与原废气涡轮增压发动机的性能进行仿真对比。

1 电动复合增压发动机仿真模型建立

对于涡轮增压器压比和效率的提升，电动增压器后置要优于电动增压器前置[14]，且后置更容易使电动压气机工作在高效率区域，远离喘振边界。故本文采用电动增压器与原废气涡轮增压器相串联的电动复合增压形式，选择如图1所示的电动增压器后置结构进行研究。

图1 电动复合增压发动机布置结构Fig.1 Layout of hybrid electric turbocharged engine

1.1 仿真模型建立

仿真采用已验证的某6缸废气涡轮增压柴油发动机GT-Power仿真模型作为研究对象[15]，其主要特征参数如表1所示。

表1 发动机主要特征参数

在6V柴油发动机模型基础上建立电动复合增压柴油发动机GT-Power仿真模型，如图2所示，主要包括进排气管路、废气涡轮增压器、旁通阀、电动增压器、中冷器、喷油器、气缸和曲轴箱等子模型。电机模型主要参数如表2所示。

图2 动复合增压柴油发动机仿真模型Fig.2 Simulation model of electric hybrid turbocharged diesel engine

表2 高速直流无刷电机主要参数

平原(海拔高度0 m)环境下标定工况的仿真结果与实验数据进行对比，对模型进行校核，结果如图3所示。本文主要研究发动机转速小于1 400 r/min时电动增压器对发动机油耗、扭矩的影响，在电动增压器主要工作区域，扭矩、油耗和进气量相对误差均在3%以内，涡前温度相对误差也在5%以内。仅在发动机转速为1 700 r/min时误差约为10%. 在本文研究范围内，模型仿真精度在工程研究误差允许范围内，可满足复合增压低速稳态性能影响研究[16-17]。

图3 涡轮增压柴油发动机仿真模型校核Fig.3 Simulation model check of turbocharged diesel engine

1.2 电动压气机

本文选用的电动压气机运行图(MAP)如图4所示。为了验证电动压气机与柴油发动机之间的匹配关系，对电动压气机运行工作点进行仿真研究，得出图4中的电动压气机运行线。从图4中可以看出，电动增压器的工作点在压气机MAP中处于低压比小流量区域内，这是因为电动增压器仅在发动机低速时工作，在此工作区域内电动增压器处于高效区，且离喘振线和堵塞区有一定距离。

图4 不同发动机转速下电动压气机MAPFig.4 MAP of electric supercharger

2 电动复合增压对发动机稳态性能影响

当废气涡轮增压发动机工作在低速高负荷时，受发动机流量特性限制，导致发动机进气流量不足，出现燃油燃烧不充分、后燃现象严重、排放温度较高、碳氢化合物和颗粒物的排放较高等问题。如图5所示，电动增压器与废气涡轮增压器组成的两级增压系统，可以明显提高发动机低速工况的进气量。

图5 电动增压与废气涡轮增压外特性进气流量变化Fig.5 Variation of intake air flow with external characteristics of electric turbocharging and exhaust gas turbocharging

进气量的提高可以在空燃比允许范围内提高发动机最大循环喷油量，如图6所示，本文以此为基础研究电动复合增压发动机性能优化方法。

图6 电动复合增压与废气涡轮增压外特性循环喷油量Fig.6 External characteristic cycle fuel injection quantity of hybrid electric turbocharging and exhaust gas turbocharging

2.1 电动复合增压器发动机性能优化方法

2.1.1 电动增压器对发动机扭矩、空燃比的影响

依据图6所示外特性循环喷油量，研究电动增压器转速对发动机扭矩、空燃比的影响。设置发动机转速1 000～1 400 r/min之间，固定循环喷油量，逐渐增加电动增压器转速，研究发动机扭矩和空燃比变化规律。

电动增压器转速对扭矩的影响如图7所示，发动机扭矩和空燃比随着电动增压器转速增加单调增加，而扭矩提升速率则逐渐下降。这是因为在相同循环喷油量条件下，电动增压器转速越高，进气量越大，空燃比逐渐增加，如图8所示。但随着电动增压器转速进一步提高，发动机空燃比已经较高，电动增压器转速的提高对发动机动力性能提升的影响程度明显减小。

图7 不同发动机转速下电动增压器转速对扭矩影响Fig.7 Influence of rotating speed of electric supercharger on torque

图8 不同发动机转速下电动增压器转速对空燃比的影响Fig.8 Influence of rotating speed of electric supercharger on air-fuel ratio

电动增压器耗功来自发动机蓄电池，电动增压器转速越高，所消耗的功率也就越大，从而影响发动机经济性。因此，考虑到经济性的限制，将发动机与电动增压系统作为一个系统研究，寻找电动增压器的最佳工作区域。

2.1.2 电动增压器对发动机经济性的影响

根据发电机效率、电池充放电效率和高速电机效率，将电动增压器功率换算成电动复合发动机的油耗，计算电动复合增压发动机油耗的公式如(1)式所示：

(1)

电动复合增压发动机油耗与电动增压器转速关系如图9所示。由图9可见：发动机转速在1 000～1 200 r/min时，随着电动增压器转速的提升，电动复合增压发动机油耗先减小后增加；发动机转速在1 300 r/min时，电动复合增压发动机油耗呈现先增加再减小再增加的现象；发动机转速在1 400 r/min时，电动复合增压发动机油耗增加，不存在极值点。

图9 不同发动机转速下电动增压器转速对油耗影响Fig.9 Influence of rotating speed of electric supercharger on fuel consumption

综合上述分析可知，发动机扭矩随电动增压器转速增加而提升，但发动机油耗会先减小、后增加。由此可见以折算油耗最小为原则，可以得出外特性工况下电动增压器的最佳工作点。

2.2 电动增压器提升发动机性能的途径。

2.2.1 电动增压对发动机指示功率影响分析

发动机指示功率由循环动力功和泵气过程功组成。电动增压器主要影响发动机进气系统，当循环喷油量一定时，电动增压器主要影响燃烧效率和泵气损失。设ΔPi为电动复合增压相对于废气涡轮增压指示功率的增量(kW)，定义λΔPi/Pec为发动机指示功率增量与电动增压器输入功率的比值，用来表示表示电动增压器对提高燃烧效率贡献程度，其计算公式如(2)式所示：

(2)

设ΔPp为电动复合增压相对于废气涡轮增压泵气过程功的增量(kW)；ΔPcir为电动复合增压相对于废气涡轮增压动力循环功的增量(kW)，定义λΔPp/ΔPcir为泵气过程功增量与循环动力功增量的比值，用来表示在指示功率增加的功率中，泵气过程功增量与循环动力功增量比值，其计算公式如(3)式所示：

(3)

λΔPi/Pec和λΔPp/ΔPcir与电动增压器功率之间的变化关系如图10、图11所示。由图10可见：λΔPi/Pec随着电动增压器功率增加先增加后减小，其最大值随着发动机转速增加逐渐减小。结果表明在发动机低速阶段，电动增压器对发动机指示功率提升更明显；在电动增压器对发动机指示功率提升的过程中，存在提升效率极大值点，当发动机转速超过1 400 r/min时λΔPi/Pec始终小于1，表明电动增压器输入功率始终大于发动机指示功率增量，此时发动机处于负功率收益状态。

图10 不同发动机转速下电动增压器功率对λΔPi/Pec影响Fig.10 Influence of electric supercharger power on λΔPi/Pec

图11 不同发动机转速下电动增压器功率对λΔPp/ΔPcir影响Fig.11 Influence of electric supercharger power on λΔPp/ΔPcir

由图11可见：λΔPp/ΔPcir随着电动增压器功率的增加始终增加，随着发动机转速增加先增加后减小；λΔPp/ΔPcir始终小于1，表明电动增压器提升发动机指示功率主要是通过提高发动机燃烧效率、提升发动机循环动力功来实现的；随着电动增压器功率的增加，λΔPp/ΔPcir增加，表明泵气过程功增量在所提升功率中的比重在增加。

2.2.2 电动增压对发动机进气增压功率影响分析

进一步研究在进气增压功率增加的功率中，电动增压功率增量和废气涡轮增压功率增量的比例。设ηec表示电动压气机效率；ηtc为废气涡轮和压气机效率的乘积；Ptc为废气涡轮的焓降功率(kW)，用ηecPec+ηtcPtc表示压气机功率和涡轮增压器功率之和，即进气增压功率。定义λΔP/Pec为发动机进气增压功率增量与电动增压器输入功率的比值，用来表示通过加入电动增压功率使进气增压功率增加量，表征电动增压器对进气增压的影响程度，其计算公式如(4)式所示：

(4)

定义λΔ(ηtcPtc)/Δ(ηecPec)为废气涡轮增压功率增量与电动增压功率增量的比值，用来表示电动增压器对涡轮增压器的影响程度，其计算公式如(5)式所示：

(5)

电动增压器功率对λΔP/Pec和λΔ(ηtcPtc)/Δ(ηecPec)的影响仿真结果如图12、图13所示。

图12 不同发动机转速下电动增压器功率对λΔP/Pec影响Fig.12 Influence of electric supercharger power on λΔP/Pec

图13 不同发动机转速下电动增压器功率对λΔ(ηtcPtc)/Δ(ηecPec)影响Fig.13 Influence of electric supercharger power on λΔ(ηtcPtc)/Δ(ηecPec)

由图12可见，随着电动增压器的功率增加，λΔP/Pec始终大于1，但单调递减。表明进气增压功率提升大于电动增压器功率，但电动增压器功率所占比例越来越高。

由图13可见：随着电动增压器的功率增加，λΔ(ηtcPtc)/Δ(ηecPec)先增加后减小且变化逐渐趋缓，表明在电动增压器功率较小时，其使废气涡轮增压器功率增加较快；随着电动增压器输入功率变大，废气涡轮增压器做功能力增加，其对废气涡轮增压器影响逐渐减小，电动增压器功率所占比例越来越高；随着发动机转速增加，λΔ(ηtcPtc)/Δ(ηecPec)的曲线整体向下平移，但λΔ(ηtcPtc)/Δ(ηecPec)始终大于1，表明发动机进气增压功率提升主要源自废气涡轮增压器的增压功率提升。

2.2.3 电动增压对废气涡轮增压器影响分析

为了研究电动增压器介入工作后对涡轮增压器工作的影响，还需要进一步研究涡轮增压器效率和吸收功率的变化规律。废气涡轮增压功率提升率计算公式如(6)式所示：

(6)

式中：Δηtc为电动复合增压发动机涡轮增压器效率相比于原机涡轮增压器效率变化量；ΔPtc为电动复合增压发动机废气涡轮焓降相比于原机废气涡轮焓降变化量(kW)。

定义λΔηtc/ηtc为废气涡轮增压效率提升率，表示电动增压器对废气涡轮增压器效率提升率的影响程度，其计算公式如(7)式所示：

(7)

定义λΔPtc/Ptc为废气涡轮焓降功率提升率，表示电动增压器对废气涡轮焓降提升率的影响程度，其计算公式如(8)式所示：

(8)

由(6)式可以看出，影响废气涡轮增压功率提升率的影响因素为废气涡轮增压器效率提升率λΔηtc/ηtc、废气涡轮焓降功率提升率λΔPtc/Ptc.λΔPtc/Ptc和λΔPtc/Ptc随电动增压器功率变化的曲线如图14、图15所示，从中可见随着电动增压器功率提升，相同功率条件下λΔηtc/ηtc仅为λΔPtc/Ptc的20%，表明废气涡轮焓降功率提升是废气涡轮增压功率提升的主因。

图14 不同发动机转速下涡轮增压器效率随电动增压器功率的变化Fig.14 Change of turbocharger efficiency with electric supercharger power

图15 不同发动机转速下废气涡轮焓降功率随电动增压器功率的变化Fig.15 Change of enthalpy drop power of exhaust gas turbine with electric supercharger power

废气涡轮焓降功率来源有废气涡轮压气机焓增功率、电动压气机焓增功率、燃烧焓增功率三部分。对原机和电动复合增压发动机分别进行仿真研究，分析废气涡轮焓降功率随这三部分变化关系。通过改变电动增压器功率及发动机转速，得到3种成分相比原机的增量，研究废气涡轮焓降功率及3种焓增功率随发动机转速和电动增压器功率的变化关系，结果如图16所示，图16中Pf表示燃烧焓增功率。由图16可见：电动压气机焓增功率增量占比先减小后增加，当发动机转速在1 400 r/min时，电动增压器的焓值功率增量占比较大，超过了废气涡轮压气机功率增量占比；当发动机转速为1 100 r/min时，废气涡轮焓降功率占比最大，此时发动机转速较低，加入电动增压器后废气涡轮工作能力提升较大，废气涡轮焓降功率随发动机转速先增大后减小；原机废气涡轮增压器工作能力随着发动机转速的增加逐渐增加，加入电动增压器对废气涡轮影响随着发动机转速的增加逐渐减小。

图16 废气涡轮焓降功率增量成分Fig.16 Incremental composition of enthalpy reduction power of exhaust gas turbine

2.3 电动复合增压与原发动机稳态性能对比

2.1节仿真的电动复合增压发动机稳态性能与原废气涡轮增压发动机稳态性能的外特性进行对比分析，结果如图17、图18所示。由图17、图18可见：与原废气涡轮增压发动机相比，电动复合增压发动机极大地提升了发动机低速扭矩性能；低速时，电动复合增压发动机空燃比曲线较高，有利于改善发动机低速时的燃烧效率。

图17 外特性扭矩对比Fig.17 Comparison of external characteristic torques

图18 外特性空燃比对比Fig.18 Comparison of external characteristic air-fuel ratios

对原废气涡轮增压与电动复合增压发动机进行全工况下仿真，对比分析发动机空燃比、扭矩和实际油耗分布趋势情况，仿真结果如图19、图20所示。

图19 原机与电动复合增压发动机空燃比MAP对比 (图中数据为空燃比)Fig.19 Comparison of air-fuel ratio MAPs of original engine and electric supercharger engine (data in Fig.19 is air-fuel ratio)

图20 原机与电动复合增压发动机万有特性图对比 (图中数据为油耗，单位：g/(kW·h))Fig.20 Comparison of universal characteristics of original engine and hybrid electric supercharged engine (data in Fig.20 is fuel comsumption, unit: g/(kW·h)

对比图19中的空燃比MAP可知，在发动机低速大负荷区域，电动复合增压与废气涡轮增压相比，空燃比明显得到改善，基本保持在25以上。对比图20中的万有特性图可知，使用电动增压器后，发动机低速大扭矩区域增加了约18%，油耗在220 g/(kW·h)以下区域增加了约16.7%，在转速1 300 r/min以下的低速区域油耗改善更明显。综合分析可知，相比原机，电动复合增压发动机在低速大负荷区域的综合性能提升明显。