商用车柴油机电子增压器数值模拟及试验研究

梁郑岳，何冠璋，杨 剑，康兴裕，朱 荣，陈中柱，班智博，张 松，林铁坚

(广西玉柴机器股份有限公司工程研究院 广西玉林537005)

0 引 言

废气涡轮增压批量应用于柴油机，强化了柴油机的工作过程，提高了扭矩和功率，推进了柴油机的小型化和低速化。随着节能减排法规的完善，客户对动力需求不断提高，废气涡轮增压器响应滞后问题尤为突出：低速性能和动力差、瞬态响应性差、难以满足应对排放需求较大比例EGR的要求等[1]。为此，国内外提出了多种解决方案，如降低废气涡轮增压器本身惯量，采用废气涡轮增压器与机械增压器的组合、可变截面增压器、两级增压串联、并联转换或者电辅助涡轮增压器等[2]，但这些方案不能很好地解决节能减排、动力性和商业化的矛盾。

电动增压器快速响应电机代替排气来推动涡轮，可以提供快速增压，弥补涡轮增压器在发动机低转或者加速时进气量的不足。增加的进气量不仅可提高加速和瞬态响应，同时可以维持正确的空燃比，以保证充分燃烧和良好排放[3]。法雷奥电子增压器应用于奥迪SQ7 TDI 4.0T 柴油发动机[4]，博格华纳、霍尼韦尔、马勒以及三菱也在开发电子增压器，预示着此类产品已得到普遍认可并步入一个高速发展的阶段。

本文以某直列4缸柴油机为研究对象，在现有的废气涡轮增压基础上，在空气滤清器和原机自带的废气涡轮增压器之间加装电子增压器，并配合可切换进气管路，对发动机进行数值模拟和试验研究。在数值模拟中研究了低速扭矩提升和定速加载潜力，在试验中研究并验证低速扭矩提升、定速加载响应加快和烟度降低的能力，以期为商用车节能减排研究提供参考与借鉴。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

本文以某4缸柴油发动机为研究对象，表1为发动机的主要技术指标。

图 1为带电子增压器的集成方案简图。研究采用的是在直列 4缸中冷涡轮增压器柴油机基础上增加电子增压器，布置在空气滤清器和原机自带的废气涡轮增压器之间，实现电动增压的功能，这种布置在一定程度上降低了电子增压器的热负荷。根据商用车的使用匹配要求，采用 24,V蓄电池为电子增压器的电源，电子增压器功率限制在5.4,kW。当废气能量太少、废气涡轮增压器不能提供足够增压压力的情况下，关闭单向阀同时启动电子增压器进行辅助增压。

图1 集成方案简图Fig.1 Diagram of integrated scheme

所用试验设备如表2所示：

表2 主要试验设备列表Tab.2 List of main test equipments

1.2 试验方法

首先针对研究柴油机进行电子增压效果模拟，利用Matlab的Simulink模块建立发动机均值模型，并拟合实际数据，据此模拟出加装电子增压器后的稳态、瞬态响应和低速扭矩提升的预测。然后基于集成控制策略，搭建试验台架进行试验验证，在瞬态工况响应时，快速启用电子增压，来填补涡轮未充分介入前的动力间隙，提供充分燃烧和改善排放；在其他低转速高负载工况下也启用电子增压；在高速或者恒定工况下，电动增压器停止工作，只用涡轮增压器提供增压压力。本研究着眼于电动增压器的瞬态效应、增压效果及对发动机的排放性能的影响。

2 数值模拟

2.1 数值建模

内燃机燃烧和进气是一个复杂的流动和燃烧化学反应过程，利用Matlab的Simulink模块对装载废气涡轮增压器的发动机进行建模建立发动机均值模型，其中发动机模型的输入包含目标空燃比、充气效率和热效率。通过实际台架数据校核建立模型，据此模拟出加装电子增压器后的稳态及瞬态响应，并对发动机的低扭提升预测。根据电子增压器结构参数，电子增压器功率限制在5.4,kW @24,V电压，叶轮转速限制在45,000,r/min。

2.2 模型校核

拟合结果由图2和图3显示，模型与实测数据较符合。此模型可以准确地展示出加装电子增压器后的性能提升情况。

图2 发动机扭矩和BSFC对比Fig.2 Engine torque and BSFC

图3 发动机进气量和排气管压力对比Fig.3 Engine air inflow and exhaust pressure

2.3 模拟结果

如图4所示，稳态模拟以匹配230,kPa的目标增压值，30%,的低速扭矩提升，扭距平台抬升至750,Nm。如图5所示，发动机在低转速区域瞬态效果更为显著，发动机转速高于1,400,r/min效果不明显，因为电子增压器功率限制(5.4,kW)和电子增压器转速限制(45,000,r/min)。

图4 稳态模拟结果Fig.4 Steady-state simulation results

图5 定速加载模拟结果Fig.5 Simulation results of constant speed loading

3 试验结果与分析

在现有的涡轮增压直列4缸柴油机基础上，电子增压器布置在空气滤清器和原机自带的废气涡轮增压器之间。由于原机没有爆压传感器，没有针对电子增压器优化标定轨压、提前角等性能参数，仅通过在原机 map基础上开关电子增压器测试，当发动机处于低转速(800～1,400,r/min转速区间)或者加速状态，快速启用电子增压器，来填补废气涡轮未充分介入前的动力间隙，提供充分燃烧和改善排放所需的新鲜空气，并在其他低转高负载工况下短时间也启用电子增压器。电动增压器的能量取自车载蓄电池，不依赖柴油机排出的废气能量，可以提供最大400,000,rpm/s 的加速度，带动叶片在 0.3,s内达到70,000,r/min 的峰值转速。

3.1 稳态测试

如图6所示，在800～1,600,r/min、原机基础上保守提升扭矩 5%～10%，比油耗改善 2.4%～10%，而NOx测试结果在 900～1,600,r/min没有恶化，在800,r/min NOx排放恶化，主要原因是低速高增压带来的氧气突增，相应的轨压、提前角等参数没有优化标定。从测试结果看，电子增压器有改善稳态低速扭矩和排放的潜力，但受限于电池容量、电机持续功率等因素，低速稳态升扭矩和节能减排时间不能过长。

图6 稳态试验测试结果Fig.6 Results of steady state test

3.2 定速加载测试

为了评价加速响应性，分别进行定速，加载了800,r/min、1,000,r/min、1,200,r/min、1,400,r/min和1,600,r/min，对比原机和电子增压器介入后的性能和排放。

研究发现，随着发动机转速升高，受限于电子增压器功率和转速限值，瞬态响应效果减弱，但电子增压器快速提供增压压力，供给优化燃烧所需的新鲜空气，扭矩峰值提前，废气烟度大幅降低。

4 结 论

在某一台 4缸直列废气涡轮增压器的商用车柴油机基础上，加装电子增压器进行了数值模拟和试验研究，得到如下结论：电动增压器为废气涡轮增压提供了1种补充方案，发动机在800～1,400,r/min低转速时快速提升增压压力，提供充足新鲜空气，实现峰值扭矩时间提前 44%,以上，改善了发动机的加速响应特性，降低瞬态排放烟度 89%,以上，同时可短时间提升低速扭矩和降低油耗的潜力。但受限于电池容量、电机持续功率等因素，低速稳态升扭矩和节能减排时间不能过长。▉

［1］ 奥井伸宜，新国哲也，河合英直. 采用新型混合动力系统改善中型载货车的燃油经济性[J]. 国外内燃机，2014(6)：39-44.

［2］ Balis C，Middlemass C，Shahed S M. Design and development of e-Turbo for SUV and light truck applications [C]. DEER-Conference，Newport，RI，2004.

［3］ 姚春德，韩伟强，徐广兰，等. 电动增压器对废气涡轮增压器影响的试验研究[J]. 机械工程学报，2012(4)：188-193.

［4］ Heiduk T，Weiβ U，Fröhlich A，等. Audi公司新型V8-TDI增压直喷式柴油机[J]. 国外内燃机，2014(6)：13-16.