（动力机械及工程专业论文）公交车用柴油机电动增压补气系统的设计及其试验研究.pdf

摘要 由于柴油机具有很高的燃油经济性，车用柴油机的数量也越来越多。但是柴油 机在起动和急加速时会产生严重的冒黑烟的现象，这种现象正随着公交车迅速柴油 化过渡而在城市里日渐突出。柴油机碳烟形成的根本原因是在加速或加载过程中， 进入气缸中的空气量跟不上加油量的变化速率，使瞬态过量空气系数以及混合气形 成质量下降，进而导致燃烧质量下降，柴油机排放烟度恶化。所以改善加速烟度必 须解决加速初期的供油量和供气量之间的矛盾。 为解决柴油机带来的加速冒烟问题，提出了采用电动增压补气系统在柴油机加 速时进行补气的技术路线。并设计一套在柴油机加速工况下能够快速响应的智能补 气系统。该系统主要由高速交流电动机驱动的增压器总成、逆变电源、变频器、电 控单元和油门位置传感器五部分组成，五个部分之间通过线束连接。车载2 4 v 蓄电 池作为整套系统的总电源。电动增压补气系统的具体连接方式如下：逆变电源将车 载2 4 v 蓄电池直流电转化为2 2 0 v 的高压交流电，为变频器供电。电控单元由车载 2 4 v 蓄电池直接供电，电控单元为油门位置传感器供电。通过对柴油机在加速时进 行快速补气，来降低柴油机的排放烟度。 为了研究电动增压补气系统对于柴油机加速补气减少碳烟排放这一方法的可行 性，将研制的电动增压补气系统应用到试验台架中去。在发动机试验台架装置研究 中，改造了发动机进气布置，并开发了补气系统的控制单元。控制单元通过发动机 工况识别系统来检测油门传感器输送的油门踏板变化速率信号，控制电动增压补气 系统快速实施补气。 通过道路试验，我们进一步验证了电动增压补气系统对消除公交车加速冒烟的 效果。使用电动增压补气系统后，公交车急加速时的黑烟不见了，很好的解决了柴 油机瞬态加速冒黑烟的问题。不仅如此，电动增压补气系统还可以增加瞬态扭矩， 改善发动机加速响应，具有节油的效果，并且工作可靠、稳定。 关键词：交流电动增压补气系统柴油机瞬态补气烟度排放 a b s t r a c t t h ed i e s e le n g i n ef o rv e h i c l e si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e ，b e c a u s eo fi t sh i g hf u e l e c o n o m y , b u tm o s tv e h i c l e sw i t hd i e s e le n g i n ew i l lf r e q u e n t l yp r o d u c eh e a v ys m o k e w h e ns t a r t i n gu po ra c c e l e r a t i n go nt h er o a d w i t hd i e s e l i z a t i o no fa u t o m o b i l e sw h i c h m a k et h en u m b e ro f d i e s e le n g i n e si n c r e a s e , t h i sp r o b l e mb e c o m e ss e r i o u si nc i t i e s t h ee s s e n t i a lr e a s o nw h yt h ed i e s e le n g i n ep r o d u c e ss m o k ei st h a tt h ea i r - f u e lr a t i o d e c l i n e sa tt h et r a n s i e n tp r o c e s sd u r i n gt h es h a r pa c c e l e r a t i o na n dl o a d c h a n g i n g o p e r a t i o n s ，i e t h em a s sr a t eo f t h ea i rf l o wi n t ot h ee n g i n ed o n tm a t c hw i t ht h ev a r i a t i o n o ff u e lf l o wr a t e ，w h i c hm a k e st h eq u a l i t yo fm i x t u r ep o o ra n dc o m b u s t i o ni n s u f f i c i e n t c o n s e q u e n t l y , t oa m e l i o r a t et h es m o k ee m i s s i o ni na c c e l e r a t i o n ，t h et r a n s i e n te x c e s sa i r c o e f f i c i e n tm u s tb eb o o s t e du pd u r i n gp e r i o do fa c c e l e r a t i o n t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h em e t h o dw a sp r e s e n t e dt oi n j e c ta i ri n t oe n g i n ew h e n a c c e l e r a t i o nw i t ha ne l e c t r i cs u p e r c h a r g e r ( e s ) t h ee si sc o m p o s e do fap r o t o t y p eh i g h s p e e db r u s h l e s sa s y n c h r o n o u se l e c t r i cm o t o ra s s e m b l e dw i t hac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , a t r a n s d u c e r , al i n ec o m m u t a t e di n v e r t e r , a ne l e c t r i cc o n t r o l l e du n i t ( e c u la n dap e d a l p o s i t i o ns e n s o r a l lt h e s ef i v ep a r t sa r ew i r e dt o g e t h e rw i t ht h ec o n t r o l l e dl o g i c t h e p o w e rs o u r c eo ft h ee si st o w12 vs t o r a g eb a t t e r i e sf o rb u s t h ev e h i c l ei n v e r t e rw i l l t r a n s f o r md c 2 4 vi n t oa c 2 2 0 vw h i c hi st h ep o w e r s u p p l yo ft h et r a n s d u c e r e c u ，w h i c h s u p p l yp o w e rf o rt h ep e d a lp o s i t i o ns e n s o ra n dw i l lc o n t r o lt h eh i g hs p e e de l e c t r i cm o t o r t os t a r to rs t o pb yj u d g i n gs i g n a l sf r o mt h ep e d a lp o s i t i o ns e n s o r ，u s e s2 4 vs t o r a g e b a t t e r i e sa st h ep o w e rs o u r c e i nt h i sw a y , w ec a nr e d u c eh e a v ys m o k ew h e nt h ed i e s e l e n g i n ei ss t a r t i n gu po ra c c e l e r a t i n g t oi l l u s t r a t et h i sm e t h o df e a s i b i l i t yt or e d u c t i o nt h es m o k ee m i s s i o n ，t h ea i ri n j e c t i o n s y s t e md e v e l o p e dw a sa p p l i e dt ot h en a t u r a l l ya s p i r a t e de n g i n ee x p e r i m e n t a ls t a t i o n a t e s tb e n c hw a ss e tu pf o rv e r i f i c a t i o no ft h es y s t e mf e a s i b l e t h ea i ri n t a k ed u c tw a s m o d i f i e d ，a n da ne l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e du n i t ( e c u ) f o rt h ea i ri n j e c t i o ns y s t e mw a s d e v e l o p e d t h ee c uc o n t r o l st h ee st h r o u g hd e t e c t i n gc h a n g er a t eo ft h ea c c e l e r a t o r p e d a lp o s i t i o nw i t ha s e n s o ra ts a m et i m e t h r o u g ht h er o a dt e s t , w ep r o v e dt h a tt h ee sh a sah i g ha b i l i t yt or e d u c eh e a v y s m o k e a f t e ru s i n gt h ee s ，h e a v ys m o k eo ft h eb u sw h e ns t a r t i n gu po ra c c e l e r a t i n go n t h er o a dv a n i s h e d ，a n da l s ot h ee sw h i c hh a sah i g hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yc a nr e d u c e t h ec o n s u m p t i o no ft h ed i e s e l k e y w o r d s ：a l t e r n a t i n gc u r r e n t ，e l e c t r i cs u p e r c h a r g e r , d i e s e le n g i n e ，r a p i d a c c e l e r a t i o n ，a i ri n j e c t i o n ，s m o k ee m i s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅态鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：幸移f 和噘 签字日期： p 夕年f 月舻e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毫印专嘲 导师签名： 签字日期： d 9 年月舻日 撕期：罗年月矿日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 11 0 多年来，柴油机技术得到了迅速发展，并被广泛应用于船舶动力、发电、 灌溉、车辆动力等各种领域。尤其在车用动力方面的优势最为明显，由于柴油机 与汽油机相比，具有更高的热效率( 高出汽油机2 0 ) ，且适应性好，输出功率 大，同时燃油消耗率低，因此，全球车用动力“柴油化”趋势业已经形成b - 2 。虽 然近年来由于石油资源储量以及环境污染等方面的问题，使代用燃料，如植物油， 天然气，醇类燃料，以及混合动力，电动车等研究开始兴起，但据汽车工业界和 学术界有代表性的专家预测，在今后2 0 年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界 f 3 1 车用动力的主流。 然而，柴油机与汽油机相比，柴油机的n o x 、p m ( 颗粒物) 的排放十分严重。 1 4 1 特别是颗粒物的排量远高于汽油机一。而空气中若颗粒物的含量过高，不仅会对 人类生存的环境造成严重的影响，更会危害人类的身体健康。根据美国环保局对 柴油机排放调查数据显示，柴油机所排放的污染物占美国空气污染致癌物总量的 7 0 。柴油机排放是细颗粒物的主要来源，细颗粒物是造成心脏病，哮喘和其他 f s 石1 肺功能病导致早死的原因之一，它也会影响儿童肺部的发育j 。2 0 0 6 年7 月1 1 日， 美国环保局和美国环保协会( e n v i r o n m e n t a ld e f e n s e ) 在法庭监督下达成协议， 在美国的政府公报联邦纪事( f e d e r a lr e g i s t e r ) 上发布了首个固定源柴油发动 r 7 1 机致癌物排放标准。另外，对于环境而言，过多的颗粒物排入大气，还会导致 f 8 9 1 城市大气能见度降低。 因此，世界各国制订了严格的柴油机排放标准，来限制柴油机排入大气中的 有害物质。并形成了以美国、日本、和欧洲为代表的三大排放法体系。排放法规 随着对环境保护的逐渐重视而越加严格。因我国地形的复杂性，其道路状况与欧 洲的相似，所以我国采用欧洲排放法体系。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 1 欧洲联盟重型车用柴油机排放限值 g ( k w h ) n n l 表1 1 为欧洲联盟重型车用柴油机的排放限值。从表中可以看出，各国政府 对柴油机的颗粒物排放以及瞬态烟度的排放日益严格。这也就要求我们要发展出 新的技术路线，来不断满足日益严格的排放法规。 废气涡轮增压技术不仅是提高柴油机功率密度的主要手段，也是保证低排放 的必不可少的技术。利用涡轮增压技术来提高增压比，不仅可以提高发动机的升 1 1 1 功率，更使得稳态排放烟度大幅度下降一。但废气涡轮增压器由于自身有一定 惯性，同时也是利用排气驱动的，因此存在响应慢问题。在突然加大柴油机油门 的瞬间，发动机排出的废气温度升高需要时间，以进入废气涡轮使其带动压气机 工作，但由于涡轮与压气机两者连成一体等速旋转，因惯性的原因，转速不会立 即提高，因此压气机不可能迅速提供与供油量相适应的足量空气，因而，不仅无 法解决瞬态烟度排放严重的问题，还使得输出扭矩响应滞后。因此，废气涡轮增 压技术无法解决柴油机急加速时产生的黑烟。 以柴油机作为主要动力的公交车，是城市交通运输的主要工具，其数量在城 市机动车中占有很大比重。据报道，环保部门近期对公交车进行尾气污染检测发 现，急加速时产生冒黑烟现象的车辆明显偏多，公交车尾气排放的不合格率要远 高于其他类型车辆。而且根据统计，在起步、换挡加速时出现冒黑烟情况的公交 车数量，占公交车总量的9 0 以上。在人口密集程度较高的城市里，公交车正成 为车辆碳烟污染最严重的车型，如图1 1 所示。这无疑对居民的健康和工作环境 构成了严重的威胁。因此，公交车加速冒烟问题，应该引起充分的重视。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 圉卜1 公交车起步加速时冒烟状况 12 柴油机加速冒烟的机理与影响因素 12 1 柴油机碳烟生成机理 关于柴油机燃侥过程中的碳烟形成机理，目前大多数人比较认可的是“乙炔 脱氢聚合学说”。该学说是由卡克拉波提( bbc h a k r a b o 啊) 和朗格( i l l o n g ) 提出的。碳烟形成过程机理为一：燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分 氢化和热裂解，生成各种不饱和烃类，它们不断的脱氢、聚合生成了一种很不活 泼，难于氧化的具有多个f _ c 三c 一】团的聚缩乙炔化合构，由于它有大量的三链 而易于聚合生成黑色的在所有的溶剂中都不溶解的聚合物。高温和氢的缺乏进一 步导致了聚合物的脱氢和环化，形成了几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性 碳烟成分。这种碳络合物构成了具有六方晶格碳烟晶核，直径约2 r i m 左右。聚缩 乙炔不仅倾向于聚合，在较低的温度下( 小于1 0 0 0 x 2 ) ，如果提供相应的氢，经 氢化和环他而产生溶于聚仿的多环芳香族碳氢化合物。气相的烃和其他物质在这 个碳烟核心表面的凝聚，以及碳粒核心相互碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大，成 为直径2 0 3 0 n m 的碳烟单元。最后碳烟基元经过聚集作用堆积成直径l ! a n 以t 的 1 球团状或链状聚集物一。柴油机中燃料的高温裂解反应是不可避免的，特别在 空间混合燃烧的柴油机中，高温的气体包围着液态的油滴，造成了进行裂解反应 最有利的条件。对燃烧过程的高速摄影已证实，在燃烧初期上止点附近( 燃料着 火后5 0 1 0 。c a ) 都会出现大量黑烟。但是在一般情况下，含碳燃气与空气混合时 又在燃烧过程后期完全燃烧，而使捧气无烟。如果气缸中空气不足，混合不佳或 天津大学硕士学位论文第一章绪论 由于燃气膨胀而使气缸内局部温度下降到碳反应温度以下，则碳不能进一步燃烧 而保持其固体状态排出气缸外。因此研究指出：废气中是否出现碳烟，取决于膨 胀期间温度过分下降以前燃料是否能足够快速与空气混合和燃烧。 1 2 2 影响柴油机加速冒烟大小的主要因素 4 1 7 1 根据碳烟生成机理，影响柴油机加速冒烟大小的主要因素有很多。，主要 包括：燃油蒸发性的影响、过量空气系数的影响、燃油雾化质量的影响、混合气 形成与燃烧速度的影响、喷油时刻的影响、气门重叠角的影响、以及燃烧效率的 影响。 柴油机加速冒烟的主要影响因素是瞬态过量空气系数的大小。在高温条件下 缺氧则烃裂解脱氢而生成碳烟，得氧则形成的碳粒也可以被氧化消失。由于柴油 机在急加速时油气匹配不当，形成油多气少的浓混合气，因此会生成大量的碳烟。 既污染了环境，又浪费了燃料。 加速冒烟问题在增压柴油机上表现更为突出。虽然增压技术提高了发动机整 机性能和经济性，而且改善了排放，但是它同样带来了新的问题。使得增压柴油 机部分负荷性能和瞬态性能出现了恶化。主要是增压器和柴油机之间存在着气动 关联，在加速和加载过程中，进入气缸的空气量跟不上加油量的变化速率，有时 会导致燃烧过量空气系数低于极限值，烟度急剧恶化，因此，涡轮增压柴油机瞬 态响应差的决定因素是供气量滞后于供油量的变化。 1 3 改善柴油机加速冒烟的主要措施 为了改善加速冒烟问题，提高发动机的瞬态响应特性，最早提出的技术措施 是增大气缸排量，以使发动机具有较大的功率储备，从而使发动机在初始的稳定 工况时就有较高的空燃比，达到提高加速时瞬态空燃比较少烟度排放的目的，但 这将大幅度增加发动机的制造成本。所以国内外学者开始从两个方面进行的研 究。一方面是改变燃油系统，限制加速燃油喷油量，使空燃比趋于合理。如在柴 油机上装有供油限制器，它是由增压压力来控制的，它限制过量的柴油喷入气缸， 一直到涡轮增压器响应后并产生一定的增压压力，供油量才逐步增大。这是一个 在加速或加载时很有效的限止排烟的措施。这一装置在大部分新的涡轮增压器上 均被采用，但它的最大缺点是严重地限制了发动机的响应速度，特别是对高增压 发动机。另一方面就是改变进气系统，增加瞬态进气量，改善柴油机的瞬态特性。 17 1 改善进气响应性能的技术措施主要集中在以下几个方面一。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 ) 增加辅助能源装置，如向气缸内或进气管道内直接喷气，向增压器涡轮 18 - 2 0 1 转子喷射高压油或高压空气1 ； 2 ) 采用新型材料减少涡轮增压器转子的转动惯量； 3 ) 减少进气管或排气管的容积； r 2 1 2 6 1 4 ) 改变增压器结构，使涡轮或压气机的流通面积具有可变性 。； 2 7 - 2 8 1 5 ) 采用谐振进气系统； 6 ) 采用复合增压系统。 1 4 改善柴油机加速冒烟研究的发展现状 涡轮增压器对于柴油机突然加速的响应滞后，进入气缸中的空气量跟不上加 油量的变化速率，造成烟度排放增加，从而严重污染城市环境，进而限制了柴油 机在频繁启动，频繁加速的应用场合。针对这一问题，国内外提出多种解决方案。 1 ) 向增压器涡轮转子喷射高压空气 1 9 7 3 年，曼彻斯特理工学的j d l e d e r 和b e n s o n 等人提出了加速时将高压空 1 2 9 - 3 0 1 气补充入压气机等方法来改善涡轮增压柴油机的瞬态响应1 。研究表明这种涡 轮增压器改动方案对其性能影响很小，效果却很好。近些年来上海交通大学又开 f 1 1 1 始针对城市公交车进行这项研究一，利用高压喷射气体向增压器压气机端喷气， 降低公交车柴油机加速烟度。最近吉林大学韩永强等利用高压气体向涡轮端喷 3 2 1 气，提高废气涡轮增压器加速响应一，降低柴油机加速烟度。这种方法有效的 提高了柴油机的响应特性，降低了排放烟度，但气源是个问题，所以限制了它的 使用。 2 ) 变几何涡轮增压系统 ( 1 ) 可变喷嘴截面涡轮增压系统【3 3 - 3 5 】 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图卜2 可变喷嘴截面涡轮增压嚣 可变喷嘴截面涡轮增压系统是遥过电控的方式对喷嘴环叶片的出口角进行 控制的。具体原理为：电控单元f e c u l 通过采集发动机转速传感器信号、油门位 置传感器信号以及进气温度信号，根据e c u 的控制算法，得出目标增压压力。再 根据当前的增压压力得到喷嘴环开度调整的方向和幅度大小由此对步进电机发 出驱动信号使其达到目标位置。如图1 - 2 所示。 使用可变喷嘴截面涡轮增压系统后，发动机低速运行时，通过减小涡轮流通 截面积，使增压压力增高，从而改善发动机低速扭矩，并解决了加速冒烟的问题； 发动机高速运行对喷嘴环逐渐打开，涡轮流通截面积增大，使增压压力比普通 漏轮增压器增压压力小，因此。解决了高速增压过量的问题，从而可提高发动机 的经济性。采用该系统可在不损害高工况经济性的同时，低速扭矩增大约1 6 ， 并可扩大低油耗率运行区，提高柴油机的加速性。但可变喷嘴截面涡轮增压系统 的结构较为复杂。制作材料酎高温要求较高。 t 3 6 1 ( 2 ) 轴向移动变截面系统 如图l 3 所示，沿轴向移动嚷嘴侧扳改变喷嘴环进气截面积。从而改变气流 速度的大小。在发动机高速运转时，喷畴侧板向左移动喷嘴环打开，此时像固 定截面的增压器一样工作。在发动机低速时，控制气体使压力阀下降，推动喷嘴 侧板向右移动，喷嘴环截面积减小，增压压力增高，从而改善发动机低速特性。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ! 椠蘩 图卜3 轴向移动变截而增压嚣 ( 3 ) 可变涡轮喉口截面增压器( 舌型挡板变截面增压系统) i “ 翻卜4 轴向移动娈截面增压器 如图1 _ 4 所示，可变涡轮喉口截面增压器是在废气量不变的情况下改变进入 涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮 的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击力增加( 此时涡轮效率将有所降低) ，空 气增压压力增加，从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷 时可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于最大位置，排气背压最小t 涡轮效率晟大。可变喉口截面控制板可以由电动阀进行无级调整。 3 ) 复合增压系统 ( 1 ) 涡轮增压器和谐振系统组成的复台增系统 1 4 1 1 1 9 7 0 年克塞尔( gc s e r ) 提出的涡轮增压器和谐振系统组成的复合增压器 。 发动机各气缸周期性的吸气过程对进气系统产生激振，当这一激振的某一阶谐波 与谐振系统的固有频率相致时，便产生共振谐振室的压力振幅达到最大值 天津大学硕士学位论文第一章绪论 从而实现惯性增压。 优点：结构简单，不要专门的控制系统；发动机的扭矩可获得明显的改善： 发动机的加速性能也可得到改善。因为进气系统的容积较大，空气储备充足，在 加速时进气动力效应又无惰性，故可缩短响应时间。 缺点：进气管系尺寸较大，在发动机上不易布置。两个气缸一个谐振系统的 效果较差，而三缸一个谐振系统的效果明显，这种增压方式较适于在3 或6 缸发动 机上采用。 ( 2 ) 机械增压和涡轮增压组成的复合增压系统 机械增压器与废气涡轮增压器复合增压技术在19 8 5 年的蓝奇亚s 4 赛车被采 用，并获得了巨大的成功。这种复合式增压器也就是把机械增压器与废气涡轮增 压器联合起来工作的增压装置。发动机曲轴带动的压气机和涡轮增压机组成串联 f 1 7 1 系统或并联系统。 串联安装方案有两种：1 涡轮增压器为第一级，机械增压器为第二级；2 机 械增压器为第一级，涡轮增压器为第二级。在满负荷时涡轮增压器可以提供总增 压比的大部分甚至全部，这时机械传动压气机的作用很小甚至不起作用，防止消 耗发动机功率；在部分负荷时，涡轮增压器的效率下降，机械传动压气机提供压 比增加，在起动时，则全靠机械传动压气机提供给发动机所需的空气量。并联式 复合增压系统：由机械增压器和涡轮增压器同时向发动机供给增压后的空气。在 低速范围内主要靠机械增压，而在高转速范围内主要靠涡轮增压。 这种增压系统使发动机低转速转矩特性得到改善。但这种技术仅限于不计 成本的赛车，由于其工艺极其复杂，成本非常高，很难运用到量产车型上。2 0 0 5 1 4 2 1 年，大众开始将这一套技术装配量产的民用车型上。高尔夫1 4 t s i 车型，就装 配了这套系统被称作“双增压”的系统，如图1 5 所示。此发动机在双增压器的作 用下最大输出功率为1 2 5 k w ，最大扭矩为2 4 0 n m 。从停止状态加速至1 0 0k m h 需7 9 秒，相当于一台2 3 升自然吸气发动机的功率，但油耗却降低了2 0 。优点 是适合全部工况。缺点是结构复杂在高转速区域的动力表现并不突出。 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜5 高尔夫1 4t s i “取增压”的系统示意图 4 ) - - 级增压系统 1 近些年来美国增压器公司推出二级涡轮增压系统来改善瞬春特性 1 。如 图l 。6 。二级增压系统在加速或加载过程中主要起作用的是高压级涡轮增压器， 而通常高压级涡轮增压器可以比低压级增压器叶轮要小，转动惯量也小。 5 1 电动增压补气系统 圈卜6 = 级增压系原理图 天津大学硕士学位论文第一章绪论 随着增压程度的提高，柴油机的瞬态响应性能问题表现的更为突出，以往的 改善措施已不能满足日益严格的排放要求。自2 0 世纪9 0 年代末，国外的博格华纳 ( b o r g w a m e r ) ，盖瑞特公司( g a r r e t t ) ，透平达公司( t u b o r d y n e ) 等多家增压 器公司开始致力于电动增压器的研究，利用电能来提高涡轮增压器转子的加速 性，从而提高柴油机的加速响应。 电动增压器的结构是多种多样，按照电机的工作方式分为两种：电辅助增压 系统和电动增压系统。 1 4 5 4 8 1 ( 1 ) 电辅助增压器( e l e c t r i c a l l y a s s i s t e dt u r b o c h a r g e r ) 。 电辅助增压器是将电机和废气涡轮增压器进行一体化设计，将直流异步电机 安装在涡轮增压器内部主轴上。电机很薄，厚度只有2 0 m m ，可以减少电动增压 器的尺寸。如图1 7 所示。 图1 - 7 电辅助增压系统工作原理 在发动机低速时或加速时，涡轮增压器不能满足增压发动机性能要求时，电 动机加速工作，带动压气机旋转。当发动机转速非常高时，电动机转换成发电机， 将动能转化成电能储存起来，因而有助于降低涡轮增压器转子的转速。 这种在涡轮轴上直接安装一个电动机可明显改善涡轮增压器的动态响应性 能，提高瞬态特性的潜力在于可用的电功率的大小。但是它很难改善其稳态特性， 而且它的控制复杂，成本很高。 ( 2 ) 由电动机直接驱动的电动增压器 1 4 9 s 1 1 由电动机直接驱动的电动增压器的工作原理为1 ：在涡轮增压器工作的 同时，独立的压气机再为涡轮增压器提供压缩的空气，来补偿和增加发动机的进 气压力和进气量，从而提高发动机功率和瞬间响应能力，特别是在低速时，效果 明显。 这种电动增压器是由电动机和压气机组成。压气机由电机驱动，所以独立于 l o 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 废气涡轮增压嚣以及废气排放的热能。因此，可以更好的改善柴油机瞬态烟度排 放。 因此为提高增压器的加速响应性，降低瞬态烟度排放，改善柴油机加速性 能，电动增压器具有重大潜力。但目前研制出的电动增压器还存在着许多问题， 还处在试验室研究阶段。 如上海柴油机股份有限公司早在1 9 9 8 年曾利用美国透平达公司的电动增压 器做过自由加速试验。如图1 8 为直流电动机的实物图。试验结果表明装上电动 增压器后柴油机的自由加速烟度比原机降低了约5 0 。但在进行道路实验时发 现，由于美国透平达公司的电动增压器使用的是直流电机对增压器进行直接驱 动因此，每次电机启动都会产生很大的工作电流。致使车载蓄电池超载工作， 导致蓄电池在工作了一天之后就报废了。 针对国内城市公交车柴油机加速冒烟这一问题，目前还没有一个切实可行的 有效的具体解决方法。每种方法都存在着没有解决的问题，然而，由于柴油机的 捧放法规日益严格，研制出可行的方法和技术，来提高柴油机的加速响应，增大 急加速时的进气量，从而降低急加速的烟度排放，提高加速扭矩已成为当务之急。 图卜8 直流电动机剖视实物图 f 3 1 高速交流电机驱动的电动增压器 由天津大学姚春德等人”研制的电动压气机的原理图如下图l 一9 所示。该电 动压气机采用高速交流电机作为驱动电机。具体工作特点为：电动压气机能够独 立工作加速时进气不受原进气的影响，在两个并联支路上分别安装一个电动蝶 阀，在进气管a 处的蝶阀处于常开状态，而在电动压气机出口处的电动蝶阀处 于常闭状态。在发动机稳定工况下，进气从过滤器经过常开蝶阔直接进入发动机a 而在加速工况下关闭原进气管a 上的常闭蝶阀，打开进气管b 上电动压气机出 口的常闭阀门由电动压气机单独向发动机燃烧室供气。以上功能通过电控单元 实现。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 9 动压气机的原理图 该电动压气机具有工作电流小，补气流量大，灭烟效果好的特点。在恒扭矩 加速和恒转速加载工况工作模式下，利用该套系统都可以在l o s 内大幅度提高瞬 态进气充气系数，增加进气量对供油量比例，改善混合气质量，从而提高燃烧质 量，可以将瞬态烟度值降低幅度达到2 0 。因此，该方法是有效降低公交车柴油 机加速烟度排放非常可行的技术途径： 1 5 课题研究的意义以及主要研究内容 1 5 1 本课题的研究意义 柴油车的起步和加速冒烟问题由来已久，随着汽车柴油化的进程的加快，柴 油机的数量越来越多，在我国由于柴油机技术水平落后，使得加速冒烟问题更为 突出。尤其是市内公交汽车频繁的起动、加速产生的冒烟使这一问题更是日益严 重。加速冒烟问题已经对环境构成了严重威胁，并对人类的健康有着严重影响。 因此消除柴油机急加速时尾气中的黑烟，对于人类健康与环境保护具有重大的实 际意义。 1 5 2 主要研究内容 对目前国内外解决柴油机加速冒黑烟的技术路线与方法的研究，电动增压的 方式具有以下优点： ( 1 )电动增压方式由电机独立驱动压气机，能量供应具有独立性，并且独立于 废气涡轮增压器以及废气排放的热能。 ( 2 ) 利用电动的方式，补气的响应非常快。通过大量的数据统计表明，公交车 1 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在站台出站加速以及在红绿灯交通路口起步加速，需要的时间大约是 l o s 1 5 s ，在此阶段发动机的冒烟最为严重。利用该方式，可以及时满足 柴油机急加速时瞬间供应不足的气量。这是影响消除柴油机急加速冒黑烟 效果的重要因素。 前期的工作【5 3 】告诉我们，利用电动增压器方法是可以及时消除柴油公交车 加速冒烟的，为使其真正实用，还需要做大量工作。因此我们选择继续采用电动 增压的方式来解决柴油机加速冒黑烟的问题。具体的实施方案为：研制出一套在 柴油机加速工况下能够快速响应的智能补气系统，电动增压补气系统，适时对柴 油机进行快速补气，来降低柴油机急加速时的烟度排放。 研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 )确定电动增压补气系统的机械部分与电器部分的组成与结构，并对其进行 优化。 ( 2 ) 确定电动增压补气系统的控制策略，来实现控制电动增压补气系统对柴油 机进行快速实时的补气的功能。 ( 3 ) 搭建实验台架，对电动增压补气系统的压气机工作特性以及电动增压补气 系统对柴油机稳态工况与瞬态工况时的烟度排放、进气流量、扭矩与排放 物质量含量的影响进行实验研究。 ( 4 ) 对电动增压补气系统进行道路试验，考察其灭烟效果，以及其工作的稳定 性，耐久性与可靠性。 天津大学硕士学位论文第二章电动增压补气系统的结构设计 第二章电动增压补气系统的结构设计 2 1 电动增压补气系统的基本原理 根据电动增压补气系统的功能及工作特点，我们可以将该系统分为三部分来 进行设计与研究。 、 电动增压补气系统主要包括以下三部分： ( 1 ) 感知柴油机工况变化信号的传感机构 ( 2 )接受指令对柴油机进行加速补气的执行机构 ( 3 ) 采集传感机构的感知信号，并通过分析计算控制执行机构对柴油机 进行加速补气的电子控制部分 通过分析，我们确定了以油门位置传感器为传感机构，以电机与压气机为执 行机构，以自我开发的2 4 v 直流供电的电控单元为电子控制部分的电动增压补 气系统的结构。其具体的工作方式为：电控单元通过不断采集油门位置传感器的 信号，通过计算分析，得出柴油机是否处于急加速状态，一旦检测到柴油机处在 急加速状态，电控单元就会迅速发出启动电机向柴油机补气的信号，从而消除柴 油机急加速冒烟的问题。 2 2 电动增压补气系统各子部件的选择 2 2 1 压气机的选择 压气机有三种类型：轴流式、径流式以及混流式压气机。 轴流式压气机主要适用于大流量的增压场合。如应用在船舶、飞机等。轴流 式压气机的增压原理为：气体从进口流入压气机，经收缩器时流速得到初步提高， 进口导向叶片使气流改为轴向，同时还起扩压管的作用，使压力有所提高。转子 在外力作用下作高速转动，固装在转子上的动叶片推动气流，使气流获得很高的 流速。高速气流进入导叶，气流动能降低而压力升高，相邻导叶叶片间的通道相 当于一个扩压管。气体流经每级连续进行类似的过程，使气体压力逐渐升高。 混流式压气机主要适用的流量范围介于轴流式压气机与径流式压气机之间。 径流式压气机适用于流量不大的增压场合。对气体的增压程度高，效率高。 1 4 天津大学硕士学位论文第二章电动增压补气系统的结构设计 其叶轮一般是铝合金材质，质量转动惯量小。为公交车柴油机进行加速补气时， 所需补气流量不是很大。但要求增压器具有较宽流量范围，瞬态响应速度快等特 点，在极短时间内提高气体的压力。通过分析，选择由电机驱动径流式压气机更 容易得到较理想的效果。 、f 二二i 丁一 u k 更k o 历勿黝 冀 2 i i 厂 目 口0 1 r 图2 - 1 径流式压气机纵剖图 图中标号为： d o 工作轮进口的轮毂直径； d 1 工作轮进口外径； d l m 工作轮进口平均外径； d 2 工作轮出口直径； d 3 无叶片扩压器出口直径； br 一工作轮进口叶片宽度( 在直径d 1 处) ； b r 工作轮出口叶片宽度( 在直径d 2 处) ； br 无叶扩压气出口宽度( 在直径d 3 处) ； o 一0 表示压气机进口截面； l l 表示进气道和工作轮进口的交界面； 2 2 表示工作轮出口和无叶扩压器进口的交界面； 3 - - 3 表示无叶扩压器和涡壳进口交界面； 4 4 表示涡壳出口( 即压气机出口) 的截面； 图2 1 是径流式压气机主要结构尺寸和特征截面，从图上可以看出压气机主 天津大学硕士学位论文第二章电动增压补气系统的结构设计 要由进气道( 丛0 0 截面到1 1 截面) ，工作轮( 丛1 1 截面到2 2 截面) ，扩压器 ( 丛2 2 截面到3 3 截面) ，涡壳( 丛3 3 截面到4 4 截面) 等组成。其工作原理为： 当压气机在外力的驱动下高速旋转时，气体从进气道进入工作轮，压气机吸收旋 转机械功，在离心力的作用下，机械功转变成气流的位能和势能，使气体的压力 和速度都显著增加，相应地温度也显著增加。气流进入扩压器和涡壳，后由于流 通截面积增大气流的动能部分地转变为压力能，因而气流速度降低，压力升高， 相应的气流温度也升高。 径流式压气机的主要参数为：增压比死，质量流量i n c ，效率1 1 。它们之间是 相互关系的： m c = f l ( n c ，) q c = f 2 ( r l 。，) ( 2 1 ) 由这两组关系式可以绘制流量特性关系图。 压气机出e l 温度t c 疋= 瓦 - + 去 万 竿3 一 ) c 2 2 ， 压气机消耗的扭拒m 。 炉等：石1 西k 3 0 叫书一- ( 2 - 3 ) 勿哩 ，7 ，庀一l 翮li 式中r 为气体常数，k 是气体绝热指数。 图2 - 2 压气机部分剖面图 径流式压气机的部分剖面图如图2 2 所示。为了使得加速补气达到较好的效 果，我们采用了型号为d d 7 0 0 1 0 0 增压器。即压气机叶轮直径仅为7 0 r a m 。该压 1 6 天津大学硕士学位论文 第二章电动增压补气系统的结构设计 气机流量大，流量范围宽，转动惯量小，启动迅速，即具有高的瞬态响应速度。 其结构特点为：在进气口采用导风轮旁通再循环结构，可以在阻塞发生时，从叶 轮盖板上的环槽补充进来，加大阻塞流量；同时也能在发生喘振时，从环槽流出 气体，并重新从进气口将气体吸入叶轮，推迟喘振，增大流量范围。另外，叶轮 部分采用含分流叶片的半开式后弯叶轮，长短叶片可以减小叶轮进口处阻塞，增 大叶轮进口处喉口面积，后弯叶轮可以减少喘振流量。 2 2 2 压气机驱动电机的对比与选择 众所周之，车载蓄电池为两个1 2 v 的直流蓄电池。因此，可以采用额定电 压为2 4 v 的直流电机作为电动增压补气系统的工作电机。 2 2 2 1 直流电机的工作原理 励磁绕组 座 图2 - 3 直流电机的磁极与磁路图2 - 4 直流电机的工作原理图 如图2 3 与图2 4 所示，为直流电机磁极与磁路以及直流电机的工作原理图。 从图中我们可以看出，直流电机主要是有极心、极掌、励磁绕组、电枢组成的。 直流电机工作时，将直流电源接在两电刷以及励磁绕组之间而使电流分别通入电 枢线圈与励磁绕组中。此时电枢线圈中产生的电流在励磁绕组所产生的磁场中受 到了电磁转矩t 的作用而转动。电枢线圈受到的电磁转矩的大小如式( 2 - 4 ) ，当 直流电机启动后，电枢线圈还会因切割励磁绕组所产生的磁场而在其中产生一个 与转速有关的反电动势e 。因此电流i a 可写成下式( 2 5 ) 的形式。另有直流电 机的功率损耗p 公式( 2 6 ) 。 t = k 中厶 ( 2 - 4 ) 天津大学硕士学位论文 第二章电动增压补气系统的结构设计 i a ：u - e( 2 5 ) r a p = 2 凡 ( 2 6 ) 在直流电机启动时，反电动势e 瞬间为零，因此尽管直流电机的启动转矩 很大，但其启动电流也很大。则由式( 2 6 ) 可知，此时直流电机的功率损耗p 很大。电能的很大一部分都转化为电枢内阻的热能浪费掉了。随着转速的升高， 电枢线圈中反电动势增加，则电流i 。减小，功率损耗p 也慢慢减小。直流电机 到达稳定工况时，及转速恒定时，功率损耗p 最小。因此，直流电机不适合工作 在频繁启动情况。而城市公交车的运行特点恰恰时频繁的起步加速，因此直流电 机不能作为电动增压补气系统的工作电机。另外，由于电动增压补气系统对电机 的要求是高转速，必须能够达到几万转的转速，而且启动时间短，启动扭矩大。 所以有刷换向的直流电机不能满足要求，因为碳刷在电机转动时会产生火花、碳 粉，造成组件损坏。因此，必须采用电子换向电机来满足适应这一要求，如直流 无刷电机与交流异步电机等。 2 2 2 2 直流无刷电机的工作原理 直流无刷电动机的结构原理如图i 所示。它主要由电动饥本体、位置传感器 和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没 有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ， 转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。图1 中的电动机本体为三相 两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图2 5 中a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v 1 、v 2 、v 3 相接。位置传感器的 跟踪转子与电动机转轴相联接。 b ，乒全c t 乇乃 、c 一 f k 羚j 、i j ，、 、7 - 、 ，、， 一 i一一) ，、 成 引哦 。一 速工况? 通过输入输出i o 输出控制 信号，启动压气机 软件延时一定时间 通过输入输出i o 输出控制 信号，停止压气机 图2 1 l 智能识别控制系统软件流程原理图 2 3 电动增压补气系统的工作原理 经过电机与压气机的选择，逆变电源、变频器的确定，以及电控单元硬件与