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13600443583為了解決渦輪滯后效應(yīng)并提高靜音柴油發(fā)電機低速性能，在渦輪增壓靜音發(fā)電機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，設(shè)計了一套電輔助增壓低噪聲發(fā)電機裝置。利用GT-Power 建模，研討電輔助增壓系統(tǒng)與渦輪增壓系統(tǒng)對低噪聲柴油發(fā)電機性能的影響。探求表明：在中低速度時，電輔助增壓靜音柴油發(fā)電機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩獲得了大幅增加，在1200轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速下發(fā)電機組轉(zhuǎn)矩可由172N*m 增加至368N*m。幾乎在全速度下，壓氣機平均效率可獲得提升，在1200轉(zhuǎn)速 速度下由53%增漲至64%。當(dāng)發(fā)電機組速度超過2000轉(zhuǎn)速 時，受發(fā)電機最大額定功率限制，電輔助增壓裝置輸出轉(zhuǎn)矩略有下降。在2000轉(zhuǎn)速 速度下，電輔助增壓系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩由140N*m 增加至430N*m 所需的響應(yīng)時間降低了3.84s。在3000轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速下，對兩系統(tǒng)中壓氣機實施相同的壓比，在犧牲少量的輸出功率狀況下，電輔助增壓裝置的經(jīng)濟(jì)性得到大幅改善，最多可在增壓比為1.8 時實現(xiàn)發(fā)電機銷售凈容量11.3kW，此時高效燃油消耗率最多可由260g/kWh 下降至241g/kWh。
渦輪增壓技術(shù)能夠大幅改進(jìn)撬裝發(fā)電機性能，高效降低碳排放，幾乎成為每一輛靜音柴油發(fā)電機的標(biāo)配[1]。因為渦輪增壓存在滯遲效應(yīng)，電氣增壓技術(shù)不可預(yù)防的受到更多研發(fā)人員的關(guān)注[2-12]。為了提高裝置的低速性能，Stephane Tavernier 等提出了一種E-booster，通過將高速無刷直流發(fā)電機（BLDC）和壓氣機耦合，由發(fā)電機直接驅(qū)動壓氣機來給進(jìn)氣增壓，排除了渦輪滯后帶來的不利影響[11]。但此種策略無法銷售渦輪廢氣中的能量，致使裝置能量利用效率降低。Weilin Zhuge 等提出了一種電渦輪耦合裝置，基于傳統(tǒng)渦輪增壓器的基礎(chǔ)上，在渦輪端并聯(lián)一個發(fā)電用的渦輪，在滿足系統(tǒng)增壓需求的狀況下，銷售廢氣中的多余能量用來發(fā)電，供給康明斯電氣裝置使用[4，12]。但此種策略不能消除渦輪滯后效應(yīng)。Byeongil An 等提出了一種二級增壓系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)渦輪增壓器作為高壓級增壓，電機驅(qū)動壓氣機作為低壓級增壓，通過調(diào)控電機速度控制一級增壓比，增強低噪聲柴油發(fā)電機在低速下的瞬間響應(yīng)[1]。但此種策略電機功率損失嚴(yán)重，且會帶來安裝困難?；谀芰夸N售和提高裝置低速性能的要求，本文在原有渦輪增壓裝置的基本上進(jìn)行改良，設(shè)計了一套電輔助渦輪增壓系統(tǒng)。原型渦輪增壓器根據(jù)集裝箱發(fā)電機當(dāng)前速度和負(fù)荷調(diào)控渦輪旁通閥直徑調(diào)控渦輪增壓器速度，進(jìn)而控制增壓比，確保裝置能夠充分利用廢氣能量且不會發(fā)生過度增壓。電輔助渦輪增壓裝置通過調(diào)控發(fā)電機功率帶動壓氣機作業(yè)，撬裝發(fā)電機組控制壓氣機增壓比，壓氣機速度獨立于發(fā)電機組轉(zhuǎn)速。渦輪機在滿足經(jīng)濟(jì)性的狀況下銷售廢氣能量通過發(fā)電機發(fā)電儲存在電池中。同時電輔助增壓低噪聲發(fā)電機根據(jù)當(dāng)前速度和負(fù)荷調(diào)節(jié)渦輪廢氣閥直徑，確保排氣背壓不會偏高從而影響燃燒效率。通過建立GT-POWER 模型，研究論說電輔助增壓系統(tǒng)與原渦輪增壓系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速不同壓比下的性能表現(xiàn)。
本文探求對象為某直列四缸四沖程、3.1L 直噴低噪聲發(fā)電機[13]。原型機為一臺帶渦輪增壓器的低噪聲柴油發(fā)電機。改進(jìn)后為一臺帶電輔助增壓器的移動式靜音發(fā)電機，壓氣機由電機直接驅(qū)動，渦輪銷售能量由發(fā)電機銷售儲存在電池中，示意圖如圖1 所示。電輔助增壓裝置中采用的壓氣機、渦輪機均與原渦輪增壓系統(tǒng)相同。根據(jù)原裝置中壓氣機容量需求，電氣增壓系統(tǒng)中采用的發(fā)電機、發(fā)電機最大額定功率均為20kW。
本文利用GT-Power 建模仿真，對比闡釋兩裝置的性能差異。其中建立的電輔助增壓系統(tǒng)的模型如圖2 所示。
關(guān)于兩種不同裝置，采用不同的控制策略。傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)電機組采用渦輪旁通控制技術(shù)，根據(jù)發(fā)電機組當(dāng)前負(fù)載和當(dāng)前轉(zhuǎn)速調(diào)整渦輪廢氣閥直徑控制渦輪增壓器轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制增壓比的目的，其中廢氣閥直徑為唯一控制變量。當(dāng)發(fā)電機組處于低速度高負(fù)荷時，旁通閥全關(guān)以保證渦輪增壓器銷售利用全部廢氣能量；當(dāng)發(fā)電機組處于高速度低負(fù)載時，旁通閥全開放掉多余廢氣能量，環(huán)保發(fā)電機組確保渦輪增壓器不會發(fā)生過度增壓；當(dāng)發(fā)電機組作業(yè)于其它工況時，通過控制界面調(diào)節(jié)旁通閥開度，確保渦輪增壓能力滿足裝置需求。
電輔助增壓發(fā)電機組通過控制發(fā)電機功率的方式控制電機速度，從而帶動壓氣機轉(zhuǎn)動達(dá)到控制壓氣機增壓比的目的。同時，為了確保排氣背壓不至于過大，需要調(diào)整廢氣閥門直徑，確保渦輪機功率不超過20kW。發(fā)電機容量和廢氣閥直徑均為控制變量。其中，通過PID 控制屏以定轉(zhuǎn)矩或定壓比為目標(biāo)調(diào)控發(fā)電機功率控制增壓比。在發(fā)電機最大功率20kW 范圍內(nèi)，可依據(jù)發(fā)電機組當(dāng)前轉(zhuǎn)速與負(fù)荷自由調(diào)控增壓比。通過優(yōu)化算法以渦輪機功率為20kW 目標(biāo)值計算出廢氣閥直徑，當(dāng)渦輪機輸出無力20kW 時則廢氣閥開度為0。渦輪機銷售廢氣能量經(jīng)由發(fā)電機發(fā)電儲存在電池中，發(fā)電容量至多為20kW。渦輪機與壓氣機分別獨立作業(yè)。
發(fā)電機組輸出轉(zhuǎn)矩是衡量靜音發(fā)電機加載性能的一個重要指標(biāo)。原型渦輪增壓靜音發(fā)電機在低速到高速下的最大輸出轉(zhuǎn)矩如圖3 實線轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩輸出為435N*m。可以看出在低速下，發(fā)電機組的輸出轉(zhuǎn)矩很低，裝置加載性能差。此時渦輪增壓器中壓氣機的流量MAP 圖如圖4 所示。圖4 顯示，在中低轉(zhuǎn)速下，壓氣機的增壓能力并未得到完全利用，此時仍有繼續(xù)增壓的空間。但在渦輪增壓系統(tǒng)中，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速受發(fā)電機組當(dāng)前速度限制，并不能自由進(jìn)行增壓。為了最大限度的利用原壓氣機的增壓能力，可利用電機驅(qū)動壓氣機進(jìn)行增壓。改善后裝置的最大轉(zhuǎn)矩如圖3 虛線所示，發(fā)電機組最大轉(zhuǎn)矩幾乎保持不變，在中速下的轉(zhuǎn)矩得到大幅度增強，在1600轉(zhuǎn)速 速度下轉(zhuǎn)矩由321N*m 提高至427N*m，相當(dāng)于擴(kuò)寬了最大轉(zhuǎn)矩范圍。在1200轉(zhuǎn)速 速度下，輸出轉(zhuǎn)矩由172N*m 最大增強至368N*m，低速轉(zhuǎn)矩也獲得大幅提高。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于2000轉(zhuǎn)速 后，受電機最大容量20kW 限制，電氣增壓裝置壓氣機增壓能力下降，引起裝置輸出轉(zhuǎn)矩比原渦輪增壓裝置略低，在3000轉(zhuǎn)速 時由338N*m 下降至320N*m。不同速度下壓氣機容量圖如圖5 所示。圖6 為不同速度下的壓氣機平均效率。由圖可以看出，除了在1600轉(zhuǎn)速 時，電氣增壓系統(tǒng)中壓氣機平均效率在其他轉(zhuǎn)速下均可獲得不同程度增強，在1200轉(zhuǎn)速 速度下壓氣機平均效率可由53%增強至64%。圖7 所示為不同速度下渦輪端進(jìn)氣溫度，可以看出兩裝置的排煙溫度差距很小，排氣溫度變化趨勢與壓氣機功率變化幾乎一致。當(dāng)速度低于2000轉(zhuǎn)速 時，渦輪增壓系統(tǒng)的排煙溫度略高，超過2000轉(zhuǎn)速 時，電輔助增壓系統(tǒng)的排氣溫度略高。
電氣增壓技術(shù)的另一個詳細(xì)長處是處理了渦輪滯后效應(yīng)，具有比渦輪增壓系統(tǒng)更快速的瞬間性能。本文通過比較在2000轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速下，渦輪增壓裝置和電輔助增壓系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩從140N*m 增至430N*m 的響應(yīng)時間來評價系統(tǒng)的瞬間性能。其中140N*m 為發(fā)電機組在壓氣機增壓比為1 時的輸出轉(zhuǎn)矩，430N*m 為發(fā)電機組的最大輸出轉(zhuǎn)矩。圖8 所示為發(fā)電機組轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系。轉(zhuǎn)矩在1s 時開始增加，渦輪增壓系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩在7.4s 后達(dá)到最大值430N*m，電輔助增壓裝置輸出轉(zhuǎn)矩在3.56s 后達(dá)到最大值430N*m。同樣由140N*m 增至430N*m，電氣增壓裝置所需的響應(yīng)時間比渦輪增壓裝置少3.84s。
電氣增壓裝置相較渦輪增壓系統(tǒng)的一大特點是當(dāng)發(fā)電機組運行在高速時，發(fā)電機能夠銷售廢氣能量儲存在電源中，增強裝置經(jīng)濟(jì)性。本文以3000轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速為討論工況，對比發(fā)電機組系統(tǒng)在不同增壓比下發(fā)電機、發(fā)電機的容量，計算裝置的凈功率銷售狀況。發(fā)電機、發(fā)電機在增壓比為1.2、1.5、1.8、2.1、2.4 下的容量示意圖如圖9 所示。從圖中可以看出，隨著增壓比的上升，發(fā)電機消耗容量一直上漲，在增壓比為2.4 時發(fā)電機消耗容量為18.3kW。而受發(fā)電機最大功率限制，發(fā)電機功率隨增壓比上升最多增至20kW，此后當(dāng)增壓比繼續(xù)升高時，多余的廢氣能量只能通過廢氣閥門放掉。發(fā)電機容量減去發(fā)電機容量即為系統(tǒng)凈銷售容量。如圖9 所示，在增壓比為1.8 時，凈銷售容量達(dá)到最大值11.3kW。當(dāng)增壓比繼續(xù)增加時，凈銷售容量反而下降。這是因為渦輪功率過大會顯著影響排煙背壓，從而減少裝置燃燒效率。因而當(dāng)渦輪容量達(dá)到20kW 時，集裝箱發(fā)電機組渦輪廢氣閥開啟，放掉多余廢氣能量使排氣背壓不至于過大。兩系統(tǒng)的渦輪廢氣閥直徑如圖10 所示。在渦輪增壓系統(tǒng)中，由渦輪廢氣閥直徑調(diào)控渦輪增壓器速度，進(jìn)而控制增壓比，閥門直徑越小，排出廢氣能量占比越少。在電輔助增壓裝置中，僅當(dāng)渦輪機容量超過20kW 時才打開廢氣閥門，放掉多余廢氣能量保證排煙背壓不至于過大。圖11 所示為渦輪增壓裝置、電氣增壓系統(tǒng)輸出功率對比圖。在壓氣機定壓比的情況下，渦輪增壓裝置的輸出功率要略高于電氣增壓系統(tǒng)，隨著增壓比的降低，容量差值逐漸減小。這是因為在低壓比因素下，渦輪增壓裝置的廢氣能量大部分都通過廢氣閥門放掉，而電氣增壓裝置的廢氣能量通過發(fā)電機全部銷售，致使電氣增壓裝置的排煙背壓高于渦輪增壓系統(tǒng)，減小了裝置的動力性能，因而電輔助增壓裝置的輸出功率要略低于渦輪增壓裝置。隨著增壓比上升，渦輪增壓裝置中廢氣閥直徑降低，電氣增壓系統(tǒng)中廢氣閥直徑逐漸增大，兩系統(tǒng)的排煙背壓趨于相等，系統(tǒng)輸出功率也大致相同。兩裝置的排煙背壓如圖12 所示。
發(fā)電機組的有效燃油消耗率（BSFC）是衡量系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的詳細(xì)數(shù)據(jù)。渦輪增壓系統(tǒng)和電輔助增壓系統(tǒng)在定壓比下的BSFC 如圖13 所示。同樣受排煙背壓的影響，當(dāng)系統(tǒng)處于低增壓比時，裝置燃燒效率低下，電氣增壓裝置的BSFC要高于渦輪增壓裝置。隨著增壓比上升，兩裝置的排氣背壓趨于相等，電氣增壓系統(tǒng)的BSFC 才逐漸與渦輪增壓系統(tǒng)持平?？紤]到發(fā)電機銷售的廢氣能量，引入eBSFC 代替BSFC 作為電氣增壓系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性衡量標(biāo)準(zhǔn)。eBSFC=BSFC*發(fā)電機組輸出容量/（發(fā)電機容量-發(fā)電機容量+發(fā)電機組輸出功率）。對比圖12 中eBSFC 和渦輪增壓裝置BSFC 可以看出，在全增壓比下，裝置的eBSFC 要比渦輪增壓系統(tǒng)低，在增壓比為1.8 時，eBSFC 最小值為241g/kWh，較渦輪增壓裝置降低了19g/kWh。綜合考慮電機凈銷售能量后，電輔助增壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性實際上是要高于渦輪增壓系統(tǒng)的，此時僅僅犧牲了少量的輸出功率。
本篇論文的目的是為了探索一種新型增壓技術(shù)，能夠解決傳統(tǒng)渦輪增壓系統(tǒng)的渦輪滯后效應(yīng)，改進(jìn)集裝箱發(fā)電機在低速轉(zhuǎn)矩不足的特征，并且提升裝置的經(jīng)濟(jì)性。本文設(shè)計了一種電輔助增壓系統(tǒng)，通過電機直接驅(qū)動壓氣機給發(fā)電機組裝置增壓，并利用發(fā)電機銷售廢氣能量。通過對比原渦輪增壓系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的性能表現(xiàn)，可以得到如下結(jié)論：
②由電機直接驅(qū)動的壓氣機平均效率幾乎在全速度下高于傳統(tǒng)渦輪驅(qū)動壓氣機平均效率，在1200轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速下，壓氣機平均效率可由53%增強至64%；
③在2000轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩由140N*m 增漲至430N*m 時，電輔助增壓系統(tǒng)所需的響應(yīng)時間較渦輪增壓系統(tǒng)少3.84s，電輔助增壓裝置的瞬態(tài)響應(yīng)性更好；
?、芸紤]發(fā)電機組在3000轉(zhuǎn)速 速度不同增壓比時的能量銷售，壓氣機壓比為1.8 時銷售凈容量最大，最大容量為11.3kW。引入電機銷售能量作為裝置經(jīng)濟(jì)性考量時，電輔助增壓裝置的eBSFC 都要比渦輪增壓裝置的BSFC 要低，在增壓比為1.8 時BSFC 由260g/kWh 下降至241g/kWh。