張澤，張晶，柴華，崔濤

(1.北京理工大學(xué)，北京 100089；2.中國人民解放軍32184部隊，北京 100072； 3.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

增壓技術(shù)是實現(xiàn)柴油機高強化的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]，然而廢氣渦輪增壓技術(shù)存在柴油機低速段進氣不足和過渡工況響應(yīng)滯后等問題。電動復(fù)合增壓技術(shù)具有快速響應(yīng)性，可以滿足柴油機全工況內(nèi)功率需求,解決廢氣渦輪增壓在低速段進氣不足的問題[3]，是改善柴油機低速段加速性能[4-6]、整機動力性能[7-8]、燃油經(jīng)濟性能[9-10]和排放性能[11]的有效措施。

在電動復(fù)合增壓系統(tǒng)模式切換過程中，電機和旁通閥的協(xié)同會影響整個進氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)電動復(fù)合增壓系統(tǒng)模式切換需要分別對電機和旁通閥進行控制。旁通閥開啟時刻不當容易造成氣體倒流，而旁通閥開啟過快容易造成廢氣渦輪增壓器喘振[12]。因此，國內(nèi)外學(xué)者開展了電動復(fù)合增壓系統(tǒng)模式切換過程的研究。文獻[13]對電輔助渦輪增壓柴油機氣路系統(tǒng)的建模和對應(yīng)的控制策略進行了研究。文獻[14]對電動增壓器切出過程進行了仿真，在柴油機進氣壓力與流量均為平滑過渡的基礎(chǔ)上，給出了電動增壓器對增壓柴油機的瞬態(tài)響應(yīng)。

本研究建立了某型廢氣渦輪增壓柴油機對象模型、電機模型、旁通閥模型和對應(yīng)的控制模型，通過GT-Power與Simulink聯(lián)合仿真，分析了電動復(fù)合增壓系統(tǒng)模式切換過程中，旁通閥開閉時刻、開閉速率對柴油機進氣系統(tǒng)的影響，并得到電動復(fù)合增壓系統(tǒng)在模式切換過程中的最優(yōu)切換時刻和切換速率，有效解決了電動復(fù)合增壓系統(tǒng)在模式切換過程中柴油機進氣壓力、流量波動較大的問題。

1 電動復(fù)合增壓系統(tǒng)仿真模型的建立

綜合考慮對瞬態(tài)工況扭矩的提升作用和渦輪壓氣機、電動壓氣機的熱負荷作用，選擇了將電動增壓器放在渦輪增壓器下游、中冷器上游的布置方式[15-16]。電動復(fù)合增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中圖1a為電動復(fù)合增壓模式，廢氣渦輪增壓器和電動增壓器串聯(lián)工作，圖1b為廢氣渦輪增壓模式，廢氣渦輪增壓器單獨工作。

圖1 電動復(fù)合增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

GT-Power仿真模型主要包括廢氣渦輪增壓器模型、電動增壓器模型、旁通閥模型、中冷器模型、廢氣渦輪模型、放氣閥模型、柴油機本體模型等。

通過對比在平原環(huán)境(0 m)標定工況下柴油機主要性能參數(shù)的仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)，對柴油機模型的仿真精度進行校核，以保證仿真結(jié)果的準確性。校核結(jié)果如圖2所示，扭矩和燃油消耗率的相對誤差均在5%以內(nèi)，進氣量和渦前溫度的相對誤差均在10%以內(nèi)，模型仿真精度在研究誤差允許范圍內(nèi)，可滿足電動復(fù)合增壓系統(tǒng)模式切換過程研究的要求[17-18]。

圖2 渦輪增壓柴油機仿真模型校核

Simulink仿真模型搭建結(jié)果如圖3所示，主要包括柴油機控制模型、復(fù)合增壓控制模型、直流無刷電機模型、電機控制模型、旁通閥模型、旁通閥控制模型等。

圖3 Simulink電動復(fù)合增壓控制模型

2 電動增壓器切入過程研究

電動復(fù)合增壓系統(tǒng)由廢氣渦輪增壓模式切入復(fù)合增壓模式過程中，電動增壓器首先切入工作，隨后關(guān)閉旁通閥，實現(xiàn)由廢氣渦輪增壓模式向電動復(fù)合增壓模式的切換。電動增壓器的切入需要響應(yīng)時間，旁通閥的關(guān)閉時刻與關(guān)閉速率會影響進氣系統(tǒng)的氣體狀態(tài)。電動增壓器切入時，旁通閥關(guān)閉過早，會使柴油機進氣不足，工作性能短暫下降,廢氣渦輪增壓器傾向喘振邊界；旁通閥關(guān)閉過晚，柴油機進氣壓力提升變慢，電動增壓器所做無效功增加。為尋找電動增壓器切入的最佳工作點，本節(jié)分別開展旁通閥關(guān)閉時刻/速率對電動增壓器切入過程影響規(guī)律的研究。其中，旁通閥關(guān)閉時刻是指電動增壓器切入工作后，旁通閥初始關(guān)閉的時間點。

2.1 旁通閥關(guān)閉時刻對電動增壓器切入過程的影響

柴油機處于定負荷加速工況時，將旁通閥關(guān)閉速率設(shè)為1 000°/s，設(shè)計電動增壓器切入后不同時刻關(guān)閉旁通閥的試驗(試驗對照表如表1所示)，探究旁通閥關(guān)閉時刻對進氣系統(tǒng)壓力、流量的影響。電動增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖4所示，進氣系統(tǒng)壓力變化規(guī)律如圖5所示，進氣系統(tǒng)流量變化規(guī)律如圖6所示。

表1 旁通閥關(guān)閉時刻試驗對照表

圖4 旁通閥關(guān)閉時刻對電動增壓器轉(zhuǎn)速的影響

圖5 旁通閥關(guān)閉時刻對進氣系統(tǒng)壓力的影響

圖6 旁通閥關(guān)閉時刻對進氣系統(tǒng)流量的影響

由圖4可見，旁通閥關(guān)閉前，電動增壓器進出口壓力相等、負載相同。旁通閥關(guān)閉過早時(試驗A1，A2)，電動增壓器瞬時轉(zhuǎn)速變化率變大，并且越早關(guān)閉旁通閥，電動增壓器瞬時轉(zhuǎn)速變化率越大，電動增壓器更快速地到達目標轉(zhuǎn)速(60 000 r/min)；在關(guān)閉時刻0.075 s之后，旁通閥關(guān)閉對電動增壓器轉(zhuǎn)速上升無影響。

旁通閥關(guān)閉過早時(試驗A1，A2)，旁通閥關(guān)閉后，電動增壓器轉(zhuǎn)速較低，廢氣渦輪增壓器出口流量大于電動增壓器入口流量，廢氣渦輪增壓器推動電動增壓器工作，所以旁通閥關(guān)閉越早電動增壓器轉(zhuǎn)速在旁通閥關(guān)閉后上升越快。旁通閥關(guān)閉過晚時，電動增壓器轉(zhuǎn)速較高，受到電動增壓器后進氣阻力的限制，三組試驗(A3，A4，A5)負載基本一致，因此電動增壓器轉(zhuǎn)速變化率基本一致。

由圖5和圖6可見，旁通閥關(guān)閉過早時(如試驗A1，A2)，廢氣渦輪增壓器出口流量大于電動壓氣機入口流量，電動壓氣機的轉(zhuǎn)速低于氣流運動的速度，壓氣機起阻礙作用，部分氣體流經(jīng)旁通閥進入中冷器。關(guān)閉旁通閥后，流經(jīng)旁通閥的氣體被壓縮至電動增壓器入口處，引起電動壓氣機入口處氣體阻塞，出口處氣體減少，進而導(dǎo)致電動壓氣機前后壓差增大，發(fā)動機進氣壓力和流量明顯減小，流經(jīng)電動壓氣機的流量突然上升。隨著電動壓氣機轉(zhuǎn)速的上升，進氣管道的容積效應(yīng)造成電動增壓器后進氣流量的波動。越早關(guān)閉旁通閥，電動復(fù)合增壓系統(tǒng)的進氣流量波動越大。

旁通閥關(guān)閉過晚時(試驗A4，A5)，廢氣渦輪增壓器出口流量小于電動增壓器入口流量，電動壓氣機出口的壓力高于入口，部分氣體經(jīng)旁通閥倒流，電動增壓器功耗增加。同時，由于旁通閥關(guān)閉過晚，電動壓氣機已經(jīng)開始發(fā)揮作用，旁通閥關(guān)閉后發(fā)動機進氣流量和壓力平穩(wěn)上升，沒有產(chǎn)生進氣流量的波動。越晚關(guān)閉旁通閥，旁通閥中的倒流流量越大，電動增壓器做的無用功越多。

由圖7可見，旁通閥關(guān)閉過早時(試驗A1)，廢氣渦輪增壓器工作點先向小流量方向移動，后向大流量方向移動，廢氣渦輪增壓器的出口氣體堵塞，壓比瞬間提升，廢氣渦輪增壓器工作點向喘振方向移動；旁通閥關(guān)閉過晚時(試驗A3，A5)，廢氣渦輪增壓器工作點直接向大流量方向移動。

圖7 不同旁通閥關(guān)閉時刻下廢氣渦輪增壓器工作點的變化

仿真結(jié)果表明，在電動增壓器激活后0.075 s關(guān)閉旁通閥(試驗A3)，廢氣渦輪增壓器出口流量等于電動增壓器入口流量，因此不會產(chǎn)生進氣系統(tǒng)流量波動，過渡最平滑，且旁通閥氣體倒流現(xiàn)象不明顯。

2.2 旁通閥關(guān)閉速率對電動增壓器切入過程的影響

為了研究旁通閥關(guān)閉速率對電動增壓器切入過程的影響，固定旁通閥關(guān)閉時刻為0.025 s，設(shè)計電動增壓器切入后以不同的速率關(guān)閉旁通閥的試驗(試驗對照表如表2所示)，探究旁通閥關(guān)閉速率對進氣系統(tǒng)壓力、流量的影響。電動增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖8所示，進氣系統(tǒng)壓力變化規(guī)律如圖9所示，進氣系統(tǒng)流量變化規(guī)律如圖10所示。

表2 旁通閥關(guān)閉速率試驗對照表

圖8 旁通閥關(guān)閉速率對電動增壓器轉(zhuǎn)速的影響

圖9 旁通閥關(guān)閉速率對進氣系統(tǒng)壓力的影響

圖10 旁通閥關(guān)閉速率對進氣系統(tǒng)流量的影響

由圖8可見，旁通閥關(guān)閉速率越大，電動增壓器到達最大轉(zhuǎn)速的時間越短。旁通閥未完全關(guān)閉時，由于旁通閥的短路作用，電動增壓器進出口壓力基本相等，電動增壓器主要受慣性負載力矩影響，電機轉(zhuǎn)速變化基本一致。旁通閥接近關(guān)閉時，節(jié)流作用明顯，電動增壓器前后壓差變大，其負載轉(zhuǎn)矩也變大，電動增壓器到達最高轉(zhuǎn)速時間變長。

由圖9和圖10可見，隨著旁通閥關(guān)閉速率變小，旁通閥前后壓差與發(fā)動機進氣壓力變化趨勢基本相同，壓力建立起始時間變長，壓力建立速率加快，其中旁通閥關(guān)閉速率為1 440°/s時，有負壓波動產(chǎn)生。同時，當旁通閥關(guān)閉速率較大時，電動增壓器對發(fā)動機進氣起阻礙作用，因此旁通閥前后壓差會產(chǎn)生負壓，發(fā)動機進氣流量先減小后增大，旁通閥流量直接減小至0。當旁通閥關(guān)閉速率較小時，電動增壓器對發(fā)動機進氣不再起阻礙作用，因此不會產(chǎn)生負壓，旁通閥完全關(guān)閉后增壓器開始起到增壓作用，電動增壓器轉(zhuǎn)速越高壓力建立也越快。此時，發(fā)動機進氣流量上升，產(chǎn)生波動后趨于平穩(wěn)，旁通閥關(guān)閉速率越小，進氣流量提升的時間越晚，旁通閥流量先減小后增大并產(chǎn)生負向峰值流量，峰值大小和持續(xù)時間隨旁通閥關(guān)閉速率減小而增加。電動增壓器流量有正向流量峰值產(chǎn)生，峰值大小和持續(xù)時間隨旁通閥關(guān)閉速率減小而增加。

旁通閥關(guān)閉速率主要影響的是旁通閥完全關(guān)閉時刻。旁通閥關(guān)閉速率小，旁通閥未完全關(guān)閉時，電動增壓器前后壓力基本相等，增壓器流量隨增壓器轉(zhuǎn)速升高而增加。當增壓器流量大于發(fā)動機進氣流量時，造成旁通閥氣體倒流，因此造成電動增壓器建立壓力時間變長。當電動增壓器達到最大轉(zhuǎn)速時，此時旁通閥仍未關(guān)閉，電動增壓器所做的功將全部轉(zhuǎn)換為氣體的動能，導(dǎo)致關(guān)閉后發(fā)動機進氣流量產(chǎn)生較大的波動。因此，為了減小旁通閥關(guān)閉對發(fā)動機進氣系統(tǒng)的影響，應(yīng)該使旁通閥關(guān)閉速率較大。

由圖11可見，旁通閥關(guān)閉速率較大時，造成廢氣渦輪增壓器阻塞，廢氣渦輪增壓器工作點先向小流量方向移動，后向大流量方向移動，廢氣渦輪增壓器的出口氣體堵塞，壓比瞬間提升，廢氣渦輪增壓器工作點向喘振方向移動。

圖11 不同旁通閥關(guān)閉速率下廢氣渦輪增壓器工作點的變化

仿真結(jié)果表明，旁通閥關(guān)閉的后半程對進氣系統(tǒng)影響較明顯，旁通閥關(guān)閉速率較大時，可以避免旁通閥出現(xiàn)倒流現(xiàn)象并縮短模式切換時間。旁通閥關(guān)閉所用時間小于電動增壓器響應(yīng)時間(電動增壓器從10%轉(zhuǎn)速到90%額定轉(zhuǎn)速時間)的1/3時，電動增壓器切入過程基本不受旁通閥關(guān)閉速率影響。

3 電動增壓器切出過程研究

電動復(fù)合增壓系統(tǒng)切出復(fù)合增壓模式時，關(guān)閉電機，電動增壓器切出，隨后打開旁通閥，實現(xiàn)電動復(fù)合增壓模式的切出。由于電動壓氣機慣性的影響，電動壓氣機的切出需要一定時間，旁通閥的開啟時刻與開啟速率將影響進氣系統(tǒng)的氣體狀態(tài)。電動增壓器切出時，旁通閥開啟過早，柴油機壓力波動變大，工作性能短暫下降，增加廢氣渦輪增壓器喘振風險，且容易造成電動復(fù)合增壓系統(tǒng)模式頻繁切換；電動增壓器切出過晚，柴油機進氣阻力增加，不利于柴油機進氣。為尋找電動增壓器切出的最佳工作點，開展旁通閥開啟時刻/速率對電動增壓器切出過程影響規(guī)律的研究。其中，旁通閥開啟時刻是指電動增壓器切出工作后，旁通閥初始開啟的時間點。

3.1 旁通閥開啟時刻對電動增壓器切出過程的影響

在柴油機處于定負荷減速工況時，將旁通閥關(guān)閉速率設(shè)為1 000°/s，設(shè)計電動增壓器切出后不同時刻打開旁通閥的試驗(試驗對照表如表3所示)，探究旁通閥開啟時刻對進氣系統(tǒng)壓力、流量的影響。電動增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖12所示，進氣系統(tǒng)壓力變化規(guī)律如圖13所示，進氣系統(tǒng)流量變化規(guī)律如圖14所示。

表3 旁通閥開啟時刻試驗對照表

圖12 旁通閥開啟時刻對電動增壓器轉(zhuǎn)速的影響

圖13 旁通閥開啟時刻對進氣系統(tǒng)壓力的影響

圖14 旁通閥開啟時刻對進氣系統(tǒng)流量的影響

由圖12可見，電動增壓器切出時，首先電機停止工作，電動增壓器轉(zhuǎn)速迅速下降，旁通閥打開后，轉(zhuǎn)速下降變緩。旁通閥打開前，電動增壓器葉片轉(zhuǎn)速大于氣體流速，增壓器對氣體做功，隨著電動增壓器轉(zhuǎn)速降低，其葉片轉(zhuǎn)速小于氣體流速，氣流對增壓器做功，使其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在18 000 r/min。旁通閥打開后，電動增壓器前后壓力迅速平衡，電動增壓器受進氣作用的負載力矩變小，電動增壓器轉(zhuǎn)速緩慢下降。

由圖13和圖14可見，過早打開旁通閥時(如試驗C1，C2)，旁通閥前后壓差大于0，電動增壓器轉(zhuǎn)速較高，電動增壓器葉片轉(zhuǎn)速高于進氣氣流流速，電動增壓器仍然對進氣進行壓縮做功。打開旁通閥，電動增壓器前后的壓差大于0，導(dǎo)致旁通閥內(nèi)出現(xiàn)倒流，電動增壓器出口壓力迅速降低，喪失增壓能力，發(fā)動機進氣流量突然減小。特別地，在電動增壓器切出后0.1 s打開旁通閥，發(fā)動機進氣流量出現(xiàn)突減突增的擾動后，穩(wěn)定在118 kPa，旁通閥中倒流的現(xiàn)象持續(xù)2.5 s。

過晚打開旁通閥時(如試驗C4，C5)，旁通閥前后壓差小于0，打開旁通閥，電動壓氣機轉(zhuǎn)速小于進氣氣流流速，此時電動增壓器阻礙氣體流動，旁通閥前后壓差出現(xiàn)負值，發(fā)動機進氣流量緩慢下降。打開旁通閥，旁通閥前后壓差迅速變?yōu)?，發(fā)動機進氣壓力、流量突增，進氣壓力穩(wěn)定在118 kPa,進氣流量穩(wěn)定在0.35 kg/s。旁通閥內(nèi)產(chǎn)生正向的氣流波動，引起發(fā)動機進氣流量的微小波動。

在旁通閥前后壓差等于0時，打開旁通閥(如試驗C3)，電動壓氣機轉(zhuǎn)速等于進氣氣流流速，打開旁通閥，整個進氣系統(tǒng)沒有壓力的波動，旁通閥流量緩慢提升，電動增壓器流量緩慢下降，發(fā)動機進氣流量保持穩(wěn)定。

由圖15可見，旁通閥在電動增壓器關(guān)閉后0.3 s之前打開時(如C1)，廢氣渦輪增壓器的壓比突增，其工作點會突然向小流量方向移動，增加喘振風險，廢氣渦輪增壓器出口壓力穩(wěn)定后，其工作點向大流量方向移動；旁通閥在電動增壓器關(guān)閉0.3 s之后打開時(如C5)，廢氣渦輪增壓器工作點會逐漸向小流量方向移動，而后向大流量方向移動。

圖15 不同旁通閥開啟時刻下廢氣渦輪增壓器工作點的變化

仿真結(jié)果表明，旁通閥開啟過早，旁通閥內(nèi)會出現(xiàn)明顯的倒流現(xiàn)象，引起發(fā)動機進氣流量和壓力的波動，增加廢氣渦輪增壓器的喘振風險；旁通閥開啟過晚，旁通閥內(nèi)產(chǎn)生氣體波動，引起柴油機進氣氣體波動。旁通閥在電動增壓器切出后，旁通閥前后壓力近似相等時，開啟旁通閥對柴油機進氣系統(tǒng)影響最小。

3.2 旁通閥開啟速率對電動增壓器切出過程的影響

在柴油機處于定負荷減速工況時，保持旁通閥開啟時刻一定，設(shè)計電動增壓器切出后分別以不同的開啟速率打開旁通閥的試驗(試驗對照表如表4所示)，探究旁通閥開啟速率對進氣系統(tǒng)壓力、流量的影響。電動增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖16所示，進氣系統(tǒng)壓力變化規(guī)律如圖17所示，進氣系統(tǒng)流量變化規(guī)律如圖18所示。

表4 旁通閥開啟速率試驗對照表

圖16 旁通閥開啟速率對電動增壓器轉(zhuǎn)速的影響

圖17 旁通閥開啟速率對進氣系統(tǒng)壓力的影響

圖18 旁通閥開啟速率對進氣系統(tǒng)流量的影響

由圖16可見，旁通閥在電動增壓器切出后以不同的速率開啟，電動增壓器轉(zhuǎn)速下降曲線基本重合。旁通閥開啟后，電動增壓器被短路，旁通閥前后壓力逐漸平衡，電動增壓器負載力矩很小，因此旁通閥開啟后，電動增壓器轉(zhuǎn)速受柴油機進氣影響不明顯。

由圖17可見，旁通閥前后壓差與發(fā)動機進氣壓力變化趨勢基本相同，均隨著旁通閥開啟速率減小，壓力波動逐漸變小。旁通閥快速打開時，旁通閥節(jié)流作用小，電動增壓器前后壓力將迅速變?yōu)橄嗟?，?dǎo)致發(fā)動機進氣壓力下降；旁通閥慢速打開時，旁通閥節(jié)流作用明顯，電動增壓器前后壓差逐漸減小，進而使發(fā)動機進氣壓力也逐漸減小。

由圖18可見，在電動增壓器失活之后，電動增壓器流量下降，同時發(fā)動機進氣流量減小。旁通閥在電動增壓器關(guān)閉0.2 s之后開啟時，隨著旁通閥開啟速率變小，發(fā)動機進氣流量、旁通閥流量和電動增壓器流量波動均會變小。開啟旁通閥前，旁通閥出口壓力大于旁通閥入口壓力，開啟的瞬間，旁通閥內(nèi)會產(chǎn)生倒流；隨著開啟速度變慢，旁通閥在開度較小時節(jié)流效果明顯，旁通閥阻力較大，抑制倒流效應(yīng)，所以發(fā)動機進氣流量波動減小。因此，為了減小旁通閥關(guān)閉對發(fā)動機進氣系統(tǒng)的影響，應(yīng)該使旁通閥開啟速率較小。

由圖19可見，旁通閥開啟速率對廢氣渦輪增壓器工作點移動影響較小，旁通閥開啟速率較小時，廢氣渦輪增壓器工作點波動距離較??；相反，旁通閥開啟速率較大時，廢氣渦輪增壓器工作點波動距離較大。

圖19 不同旁通閥開啟速率下廢氣渦輪增壓器工作點的變化

仿真結(jié)果表明，旁通閥開啟的前半程(旁通閥節(jié)流作用明顯的階段)其對進氣系統(tǒng)影響較大，旁通閥開啟速率較小時其對柴油機進氣影響較小。旁通閥開啟所用時間大于1 s 時，電動增壓器切出過程基本不受旁通閥開啟速率影響。

4 結(jié)論

a) 切入電動復(fù)合增壓模式過程中，廢氣渦輪增壓器出口流量與電動壓氣機入口流量相等時，關(guān)閉旁通閥對柴油機進氣系統(tǒng)影響最小；切出電動復(fù)合增壓模式過程中，旁通閥前后壓力差為0時，打開旁通閥對柴油機進氣系統(tǒng)影響最小；

b) 切入電動復(fù)合增壓模式過程中，旁通閥關(guān)閉所用時間應(yīng)小于電動增壓器響應(yīng)時間的1/3;切出電動復(fù)合增壓模式過程中，旁通閥開啟所用時間應(yīng)大于1 s，此時對進氣系統(tǒng)的流量、壓力影響最小;

c) 電動復(fù)合增壓器的模式切換控制過程中，需要保證壓力、流量的穩(wěn)定；在電動增壓器、旁通閥響應(yīng)性一定的前提下，選擇合適的電動增壓器作用時刻、旁通閥開閉時刻，在控制策略設(shè)計中尤為重要。