基于电辅助涡轮增压器调控的柴油机能效优化研究

摘要

废气涡轮增压技术可以回收发动机的废气能量并提高进气增压压力，可显著提升整机性能。传统涡轮增压器的转速主要通过废气涡轮机的功率调节，由于增压器的机械惯性高、进排管容积大，因此增压压力和发动机扭矩的瞬态响应滞后，并影响了油耗和排放。电辅助涡轮增压（eTurbo,Electrically Assisted Turbocharger）技术是解决上述涡轮迟滞问题的一种有效技术手段。通过在传统增压器转轴上配备高速电机，在发动机加载/加速工况下可提供电辅助功率（电动机模式）加快空气系统响应，在发动机减速或高速大负荷工况下可通过增加发电功率（发电机模式）回收发动机废气能量，从而可以同时改善整机的瞬态响应速度和油耗。 本文针对一台配备eTurbo的6.7L柴油机系统，针对eTurbo对整机能效、进气氧浓度控制以及电能平衡的调节规律问题开展了系统的研究工作。 首先，搭建了eTurbo柴油机的台架试验平台，开展了发动机的基本性能标定，构建了其均值发动机模型并对模型进行了标定和验证。为进一步在复杂道路工况下研究eTurbo对发动机的调控规律，建立了eTurbo柴油机的GT-SUITE仿真模型并用台架试验数据对模型进行标定，模型核心指标的精度在96.7%以上。 其次，在开环控制模式下，基于GT-SUITE模型仿真研究了eTurbo电功率对涡轮机和压气机效率、发动机泵气损失、发动机油耗，废气再循环（EGR）流量，以及瞬态发动机性能的影响。结果表明：存在最佳的VGT喷嘴环开度，实现上述性能参数的最佳折衷。该最佳开度会随发动机工况的变化而改变，在低速小负荷工况下宜采用电辅助模式，以降低发动机泵气损失，等效热效率最大可改善8.01%；在大负荷工况下宜采用发电模式，回收过剩的废气能量，等效热效率最大可改善4.84%。 再次，采用基于模型的预测优化控制器，在GT-SUITE仿真平台上研究了eTurbo发动机在FTP-75和US06道路工况下的节油潜力、瞬态性能改善，以及进气氧浓度（EGR流量）的控制效果。结果表明：1）随电辅助能量的增加，发动机热效率提高（FTP-75和US06分别最大提高2.95%和1.82%）但回收的电能不断减小(FTP-75电能赤字最大为93.1%)。2）在FTP-75循环下，欲实现发动机节油，必须使用额外的发电手段，如回收整车刹车能量。3）较FTP-75循环，US06循环因发动机负荷更高故可回收更多的电能，电能可以实现自平衡，在相应电辅助水平下可节油0.48%。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.2 传统涡轮增压技术的必要性和局限性

1.2.1 废气旁通涡轮增压技术

1.2.2 两级涡轮增压技术

1.2.3 变截面涡轮增压技术

1.2.4 三种增压技术对比

1.3 电辅助涡轮增压技术的原理及优势

1.3.1 电辅助涡轮增压的基本原理

1.3.2 电辅助涡轮增压的优势

1.4.1 空气系统瞬态响应问题

1.4.2 稳态工况下发动机能效改善问题

1.4.3 eTurbo柴油机电能平衡问题

1.5 本课题的研究内容和意义

第二章 eTurbo柴油机试验及仿真平台

2.1.1 试验台架测控系统

2.1.2 试验台架硬件构成

2.2 面向预测控制的柴油机均值模型构建

2.2.1 发动机动态模型

2.2.2 高压EGR流量模型

2.2.3 发动机充气量模型

2.2.4 压气机流量模型

2.2.5 压气机功率模型

2.2.6 发动机功率模型

2.3 eTurbo柴油机基础控制策略

2.3.1 轨压控制

2.3.2 eTurbo电机功率控制和喷嘴环位置控制

2.4 eTurbo柴油机GT-SUITE仿真平台

2.4.1 eTurbo柴油机GT-SUITE仿真模型搭建

2.4.2 eTurbo柴油机GT-SUITE模型验证

2.5 本章小结

第三章 开环控制下eTurbo对柴油机性能的调控规律

3.1.1 发动机效率及eTurbo电辅助水平定义

3.1.2 高速大负荷下发电功率对系统总效率的影响

3.1.3 低速小负荷下电辅助功率对系统总效率的影响

3.1.4 全工况下的效率优化及最大节油潜力的评估

3.2 瞬态工况下电辅助功率对发动机性能的影响

3.2.1 加速过程瞬态工况下进排气压差对空气系统性能的影响

3.2.2 电能回收与发动机油耗的折中关系

3.3 本章小结

第四章 闭环控制下eturbo对柴油机热效率的调控规律

4.2 eTurbo对发动机瞬态性能的调控分析

4.3 eTurbo对发动机道路工况下的调控效果分析

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢