安 強，姜夢煒，葉 敏

(1.中國人民解放軍32339部隊， 拉薩 850000; 2.長安大學(xué) 公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室， 西安 710064)

1 引言

軍用車輛經(jīng)常工作在各種海拔高度。海拔越高，氣壓越低，對軍用車輛發(fā)動機的性能影響越大，進而影響車輛的行駛性能及載重能力。而軍用車輛由于戰(zhàn)備需要對其載重能力要求極其苛刻，不允許降低。當(dāng)海拔高度為4 500 m時，大氣壓力只有57.6 kPa，與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相比，大氣壓力降低了43%，空氣密度減小了37%。高海拔工況對發(fā)動機的進氧量、燃燒狀態(tài)和渦輪增壓器性能等都產(chǎn)生了影響，降低了發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。20世紀(jì)90年代早期，有專家學(xué)者提出在柴油機上采用富氧進氣的方式可提升其熱效率和功率[1]。之后相關(guān)研究也表明提高柴油機進氣中氧氣含量是一種降低排放和改善缸內(nèi)氣體燃燒狀態(tài)的有效方法[2-5]。90年代后期，氣體膜分離技術(shù)開始應(yīng)用于發(fā)動機以提高其性能。Poola等[6]開發(fā)了高滲透性的系列富氧膜，隨后一些學(xué)者對富氧發(fā)動機也進行了相關(guān)研究[7-10]。前期膜法富氧發(fā)動機大多采用簡單的PID控制策略，僅適于單一海拔工況，不適宜高海拔工況?；趩我缓０喂r標(biāo)定或?qū)?yōu)獲得的膜法富氧發(fā)動機參數(shù)無法保證軍用車輛經(jīng)常行駛于不同海拔高度。因此提出一種適合高海拔工況的車載式膜法富氧裝置，通過動態(tài)優(yōu)化的方法使發(fā)動機實時工作于高效狀態(tài)，從而解決增強發(fā)動機在高原工況下的適應(yīng)性。

2 車載式膜法富氧發(fā)動機實驗平臺

膜法富氧裝置通常由過濾器、鼓風(fēng)機、富氧膜組件、真空泵、汽水分離器等部分組成[11-12]。鼓風(fēng)機用于提高發(fā)動機的進氣量；過濾器用于去除空氣中的灰塵；膜組件用于產(chǎn)生富氧氣體；真空泵將富氧氣體送至管道；汽水分離器用于脫去氣體中的水分。試驗中使用的車載式膜法富氧裝置實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載式膜法富氧裝置實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Experimental platform for vehicle membrane oxygen enrichment device

為方便研究，試驗中采用氣瓶供氧配氣的方法為發(fā)動機提供富氧氣體。通過控制閥控制氧氣瓶中純氧的流出量，從而配置不同比例的富氧空氣，流入發(fā)動機入口管道內(nèi)的富氧空氣通過安裝在混合罐出口端的氧傳感器HT1640A測量其氧濃度，過剩氣體通過輸出管道直接排入大氣中，廢氣濃度由排氣分析儀FGA- 4100測量，由AVL 439 Opacimeter消光煙度計測量廢氣煙度，缸內(nèi)壓力由缸壓傳感器Kistler6125A和電荷放大器Kistler5015測量。發(fā)動機啟動前打開排放實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計算機通過串口讀取分析儀測量結(jié)果并存儲。排氣分析儀在開始測量數(shù)據(jù)前需進行標(biāo)定以減小測量誤差[13-14]。

3 基于動態(tài)優(yōu)化的膜法富氧裝置控制策略

由于發(fā)動機在工作時負荷變化范圍大，車輛傳動系統(tǒng)的動力性和經(jīng)濟性在動態(tài)工況和靜態(tài)工況下完全不一致，因此需要針對作業(yè)時的動態(tài)負荷建立發(fā)動機的動力學(xué)模型。發(fā)動機的動力學(xué)方程為：

(1)

(2)

式中：Tbrk為車輛制動時的摩擦力矩；id為主減速比；v為車速；M為整車質(zhì)量；Rw為車輪半徑；ρair、Af、Cd和f分別為空氣密度、迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)和摩擦因數(shù)；g為重力加速度。

在發(fā)動機輸出特性中，由于發(fā)動機在單作業(yè)循環(huán)內(nèi)所輸出的功率相同，但負載扭矩Tout實際是上下波動的，不是定值。而發(fā)動機的油門開度與轉(zhuǎn)速之間并非線性關(guān)系，如果簡單地按照等距劃分，則在之后的控制過程中會存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差，導(dǎo)致發(fā)動機輸出扭矩與負載扭矩不匹配，尤其在高原缺氧環(huán)境中，氧氣量不足加劇了發(fā)動機功率下降、排氣溫度上升、冒黑煙等問題。因此通過調(diào)整不同油門位置下發(fā)動機的燃油供給量，對其進行動態(tài)優(yōu)化，完成油門開度的標(biāo)定與控制，使發(fā)動機輸出扭矩和功率與負載動態(tài)匹配。根據(jù)實際負載工況的情況來調(diào)節(jié)發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速，采用動態(tài)優(yōu)化方法對發(fā)動機車載式膜法富氧裝置進行匹配計算，使發(fā)動機在滿足所需功率的前提下工作在高效范圍內(nèi)。動態(tài)優(yōu)化的基本模型有逆序算法、順序算法和雙向混合算法。針對高原發(fā)動機進氧量隨海拔規(guī)律性變化，根據(jù)控制原理和控制過程，采用逆序算法。

逆序形式算法的控制基本方程為：

(3)

其中邊界條件為：

fn+1(xn+1)=0 或fn(xn)=vn(xn,un)

(4)

其中：xk為第k階段狀態(tài)；uk為狀態(tài)xk+1的決策變量。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為xk+1=Tk(xk,uk)，k階段的允許決策集合記為Dk=(xk)，vk(xk,uk)為指標(biāo)函數(shù)，即邊界條件。在實際的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，采用動態(tài)優(yōu)化算法來求最優(yōu)解，通常不是從第1階段開始順序求解，而是從k=n開始，由后向前逆推計算，逐階段求出最優(yōu)決策和過程的最優(yōu)解，逆推至f(x1)，就可以得到問題的最優(yōu)解。

以軍用車輛工況循環(huán)為依據(jù)對發(fā)動機的速度調(diào)節(jié)過程劃分階段，即第k個階段的狀態(tài)xk為匹配調(diào)節(jié)過程中發(fā)動機的速度值，此值的最終調(diào)節(jié)是由油門信號來控制，進而控制所需轉(zhuǎn)速的輸出。所劃分的階段k值由指標(biāo)函數(shù)確定，通常情況下，速度的調(diào)節(jié)值是逐漸減少的，這時狀態(tài)變量xk+1為xk的等差數(shù)列。指標(biāo)函數(shù)為速度的函數(shù)，其邊界條件最終由燃油消耗率來確定。要求指標(biāo)函數(shù)的值為最小值，采用的最小值逆序算法遞歸計算程序為：

function[p_opt,fcal]= dynprog (x,DecisFun,

SubObjFun,TransFun,ObjFun)

(5)

其中：x是狀態(tài)變量，決策變量DecisFun(k,x)是由階段k和狀態(tài)變量x決定的函數(shù)；SubObjFun(k,x,u)是由變量k、x、u決定的指標(biāo)函數(shù)；TransFun(k,x,u)是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；ObjFun(v,f)是k階段至最后階段的指標(biāo)函數(shù)，當(dāng)ObjFun(v,f)=v+f時，ObjFun可省略。據(jù)此，Onori等將等效因子的自適應(yīng)策略描述為：

Teq(k)=Teq(k-1)+K·Teq(k)=

Teq(k-1)+Kp(vref-v(t))

(6)

式中：Teq(k-1)和Teq(k)分別為前一時段和當(dāng)前時段內(nèi)的負載扭矩等效因子；vref為工程車輛參考扭矩；v(t)為當(dāng)前轉(zhuǎn)速真實值；Kp為轉(zhuǎn)速參考值與真實值偏差的比例增益。該逆序算法流程如圖2所示。

為保證控制策略的可靠性，以某型軍用車輛為研究對象，該車發(fā)動機型號為6V150，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。6V150發(fā)動機是V型6缸水冷廢氣渦輪增壓發(fā)動機，額定功率300 kW，額定轉(zhuǎn)速是2 200 r/min。

以發(fā)動機200 kW@2 200 r/min為基點進行高原海拔4 500 m三種狀態(tài)試驗，即發(fā)動機原始狀態(tài)、增加富氧裝置狀態(tài)和動態(tài)優(yōu)化狀態(tài)。試驗中保證發(fā)動機的轉(zhuǎn)速恒定不變，測量發(fā)動機的輸出特性。試驗步驟：① 首先進行發(fā)動機原始工況實驗，簡稱“原機”狀態(tài)，發(fā)動機在正常狀態(tài)進行性能調(diào)整試驗，將各點性能調(diào)整到最優(yōu)，記錄供油齒桿位置；② 之后進行富氧裝置狀態(tài)試驗，記錄發(fā)動機性能參數(shù)，簡稱“富氧裝置”；③ 最后進行動態(tài)優(yōu)化狀態(tài)實驗，觀察功率變化情況并記錄扭矩及功率的變化情況，簡稱“動態(tài)優(yōu)化”。不同狀態(tài)發(fā)動機的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 車載式膜法富氧裝置動態(tài)優(yōu)化控制策略 逆序算法流程框圖Fig.2 Dynamic optimal control strategy of vehicle mounted membrane oxygen enrichment device

表1 6V150發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main performance parameters of 6V150 diesel engine

表2 發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)

由表2可知：富氧裝置在一定程度上改善了發(fā)動機的燃燒情況，燃油消耗率下降，而爆發(fā)壓力和排氣溫度這類限制指標(biāo)相較于“原機”狀態(tài)并沒有劇烈惡化，說明富氧裝置方案可行；動態(tài)優(yōu)化狀態(tài)下，發(fā)動機的功率進一步上升，比油耗進一步降低，爆發(fā)壓力和排氣溫度小幅度上升，證明動態(tài)優(yōu)化控制策略切實可行。

4 膜法富氧裝置對車用柴油機性能影響的實驗研究

4.1 發(fā)動機富氧裝置對比試驗

在初步驗證了發(fā)動機富氧裝置和動態(tài)優(yōu)化控制策略效果后，進行室內(nèi)實驗研究富氧空氣燃燒對發(fā)動機的性能影響[15-16]。在某研究所高原模擬試驗室進行發(fā)動機高原性能試驗，發(fā)動機萬有特性如圖3所示。

圖3 6V150發(fā)動機6個工作點萬有特性圖Fig.3 Selection of six working points of 6V150 engine

經(jīng)過試驗測試被測發(fā)動機的峰值功率為288 kW，與發(fā)動機出廠設(shè)置最大功率300 kW稍有不同。選取A、B、C、D、E和F六點作為工況點，進行工況實驗研究。試驗環(huán)境條件：大氣壓57.6 kPa(海拔高度4 500 m)，進氣溫度15 ℃，空氣濕度30%。首先進行發(fā)動機特性試驗(原機功率)；在此基礎(chǔ)上，保持發(fā)動機狀態(tài)不變，在進氣總管內(nèi)摻入不同比例的富氧空氣，測試不同富氧空氣含量對發(fā)動機的運行狀態(tài)的影響，并與初始狀態(tài)進行對比，以此分析發(fā)動機摻入富氧空氣后對燃燒過程的影響以及柴油機的性能變化情況(富氧裝置功率提升)；之后觀察發(fā)動機性能參數(shù)在動態(tài)優(yōu)化控制策略下發(fā)動機性能輸出變化情況(動態(tài)優(yōu)化功率提升)。試驗結(jié)果見表3，由表3可知：富氧裝置和動態(tài)優(yōu)化控制策略，使發(fā)動機的功率持續(xù)上升。

在4 500 m海拔下，以發(fā)動機平原200kW等功率曲線工況控制條件為基礎(chǔ)，發(fā)動機在“原機”、“富氧裝置”和“動態(tài)優(yōu)化”3種狀態(tài)下的性能指標(biāo)變化情況如圖4所示。圖4(a)和圖4(b)中橫坐標(biāo)的數(shù)值分別對應(yīng)6個工況點，即代表發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200～2 200 r/min的不同工況。由圖4(a)可知：在工況點A，3種狀態(tài)下發(fā)動機功率分別是184.7 kW、194 kW、200 kW，富氧裝置相比于原機提高了5.0%，而動態(tài)優(yōu)化進一步提高了7.6%。此時優(yōu)化提升率達到了最大值，由此可見動態(tài)優(yōu)化在低速是提升效果顯著；在工況點F，3種狀態(tài)下發(fā)動機功率分別是136.9 kW、145.7 kW、180 kW，富氧裝置相比于原機提高了6.4%，而動態(tài)優(yōu)化進一步提高了23.9 %。富氧提升率達到最大值，但與其他工況下的提升率基本持平。由圖4(b)可知：采用車載式膜法富氧裝置后，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率都有上升，比例在5.0%～6.4%。采用動態(tài)優(yōu)化控制策略后，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率進一步上升，比例在7.6%～23.9%。因此發(fā)動機處于“原機”狀態(tài)下，在進氣總管內(nèi)加入適量富氧空氣并采用動態(tài)優(yōu)化控制策略，可大幅提升發(fā)動機的功率，特別是在中低轉(zhuǎn)速下，提升效果顯著。

表3 發(fā)動機主要試驗數(shù)據(jù)

圖4 發(fā)動機高原特性試驗Fig.4 Engine plateau characteristic test

圖5為不同工況下發(fā)動機燃油消耗率和排氣溫度曲線。由圖5可知：發(fā)動機的油耗消耗率和排氣溫度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，后趨于平穩(wěn)，但它們下降的幅度不同，“原機”狀態(tài)的下降幅度較大，“富氧裝置”次之，“動態(tài)優(yōu)化”最慢。例如：圖5(a)中，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min和2 200 r/min下，“動態(tài)優(yōu)化”、“富氧裝置”和“原機”3種狀態(tài)下的燃油消耗率分別為260.5～231.7 g/(kW·h)、271.4～240.9 g/(kW·h)和316.6～251.6 g/(kW·h)，下降百分比分別為12.4%、12.7%和25.8%。不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，動態(tài)優(yōu)化控制策略下的燃油消耗率均優(yōu)于發(fā)動機原始狀態(tài)。由此可得：在4 500 m高原條件下，加入一定量的富氧空氣和采用動態(tài)優(yōu)化控制策略，可優(yōu)化發(fā)動機的燃油消耗率及排氣溫度。

圖5 不同工況下油耗及排氣溫度的變化曲線Fig.5 Changes of fuel consumption and exhaust temperature under different working conditions

圖6為氣缸內(nèi)壓力變化曲線。不同工況下，發(fā)動機爆發(fā)壓力有較小變化，最大差值為0.2 MPa，并得到：① 發(fā)動機在原機狀態(tài)下，發(fā)動機進氣量小，過量空氣系數(shù)小，且缸內(nèi)溫度低，滯燃期長，導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力較低，放熱中心后移，做功能力下降從而導(dǎo)致功率下降，爆壓下降，燃油消耗率惡化以及渦后排氣溫度提高；② 采用膜法富氧裝置后，發(fā)動機氣缸內(nèi)參與燃燒的氧氣量得以增多，氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力有所提高，放熱重心前移，在一定程度上恢復(fù)了功率，優(yōu)化了比油耗及排氣溫度；③ 進一步采用動態(tài)優(yōu)化控制策略后，發(fā)動機的熱效率進一步提高。由發(fā)動機響應(yīng)結(jié)果可以看出：基于動態(tài)優(yōu)化控制策略下發(fā)動機具有更低的發(fā)動機油耗，因而具有更優(yōu)越的整車等效燃油經(jīng)濟性。

4.2 高原工況工程車輛車載式膜法富氧裝置試驗

將裝有動態(tài)優(yōu)化控制策略的車載式膜法富氧裝置安裝于軍用車輛上進行高原實車試驗。實車試驗分為兩段，分別是運輸車輛經(jīng)常行走的2個方向路段，第一段為拉薩-日喀則-帕里-亞東，第二段為拉薩-日喀則-拉孜-桑桑-薩嘎。拉薩至亞東路段海拔高度從3 650 m上升至4 573 m，而后降低為2 800 m，如圖7(a)所示。第二段拉薩至薩嘎路段海拔高度從3 650 m上升至4 560 m，途中海拔最高點為5 130 m，如圖7(b)所示。

圖6 氣缸內(nèi)壓力變化曲線Fig.6 The curves of pressure change in the cylinder

圖7 不同海拔高度工程車輛實驗曲線Fig.7 Test of engineering vehicles at different altitudes

兩次實驗去程車輛滿載12 t貨物，回程車輛為空載，若車輛在滿載工況能滿足車輛行駛性能要求，即可驗證基于動態(tài)優(yōu)化的車載式膜法富氧裝置的有效性和可行性。兩段路累計行駛里程2 620 km，平均海拔高度大于4 200 m，平均氣溫為8 ℃，平均氣壓為100.5 kPa。經(jīng)過實驗，在不同海拔高度和不同坡度道路條件下，車輛滿載和空載均能正常行駛，人工檢測未出現(xiàn)排氣溫度上升、冒黑煙現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明：裝有動態(tài)優(yōu)化控制策略的車載式膜法富氧裝置，可實現(xiàn)車輛對發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的需求，不同工況下輸出量均在額定范圍內(nèi)，滿足軍用車輛在高海拔地區(qū)使用要求。

5 結(jié)論

1) 室內(nèi)實驗表明膜法富氧裝置和動態(tài)優(yōu)化控制策略切實可行，可有效提高發(fā)動機的熱值，改善發(fā)動機性能。

2) 在4 500 m的高原條件下，加入一定量的富氧空氣，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率上升比例在3.0%～19.1%，采用動態(tài)優(yōu)化控制策略后發(fā)動機功率進一步上升7.6%～23.9%，發(fā)動機在動態(tài)優(yōu)化控制策略下，具有較好的節(jié)能效果，可降低排氣溫度。

3) 通過實車試驗得出：裝有動態(tài)優(yōu)化控制策略的車載式膜法富氧裝置，在青藏高原滿載運輸?shù)那闆r下，未出現(xiàn)排氣溫度上升、冒黑煙現(xiàn)象，能夠滿足不同工況下軍用工程車輛在高海拔地區(qū)的使用要求。