基于動態優化的膜法富氧發動機高原工況節能特性研究

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 公路養護裝備國家工程實驗室， 西安 710064)

1 引言

軍用車輛經常工作在各種海拔高度。海拔越高，氣壓越低，對軍用車輛發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。而軍用車輛由于戰備需要對其載重能力要求極其苛刻，不允許降低。當海拔高度為4 500 m時，大氣壓力只有57.6 kPa，與標準大氣壓相比，大氣壓力降低了43%，空氣密度減小了37%。高海拔工況對發動機的進氧量、燃燒狀態和渦輪增壓器性能等都產生了影響，降低了發動機的動力性、經濟性和可靠性。20世紀90年代早期，有專家學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氣體燃燒狀態的有效方法[2-5]。90年代后期，氣體膜分離技術開始應用于發動機以提高其性能。Poola等[6]開發了高滲透性的系列富氧膜，隨后一些學者對富氧發動機也進行了相關研究[7-10]。前期膜法富氧發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。基于單一海拔工況標定或尋優獲得的膜法富氧發動機參數無法保證軍用車輛經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，通過動態優化的方法使發動機實時工作于高效狀態，從而解決增強發動機在高原工況下的適應性。

2 車載式膜法富氧發動機實驗平臺

膜法富氧裝置通常由過濾器、鼓風機、富氧膜組件、真空泵、汽水分離器等部分組成[11-12]。鼓風機用于提高發動機的進氣量；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構如圖1所示。

圖1 車載式膜法富氧裝置實驗平臺結構示意圖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，流入發動機入口管道內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，缸內壓力由缸壓傳感器Kistler6125A和電荷放大器Kistler5015測量。發動機啟動前打開排放實時數據采集系統，計算機通過串口讀取分析儀測量結果并存儲。排氣分析儀在開始測量數據前需進行標定以減小測量誤差[13-14]。

3 基于動態優化的膜法富氧裝置控制策略

由于發動機在工作時負荷變化范圍大，車輛傳動系統的動力性和經濟性在動態工況和靜態工況下完全不一致，因此需要針對作業時的動態負荷建立發動機的動力學模型。發動機的動力學方程為：

(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為整車質量；Rw為車輪半徑；ρair、Af、Cd和f分別為空氣密度、迎風面積、空氣阻力系數和摩擦因數；g為重力加速度。

在發動機輸出特性中，由于發動機在單作業循環內所輸出的功率相同，但負載扭矩Tout實際是上下波動的，不是定值。而發動機的油門開度與轉速之間并非線性關系，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態誤差，導致發動機輸出扭矩與負載扭矩不匹配，尤其在高原缺氧環境中，氧氣量不足加劇了發動機功率下降、排氣溫度上升、冒黑煙等問題。因此通過調整不同油門位置下發動機的燃油供給量，對其進行動態優化，完成油門開度的標定與控制，使發動機輸出扭矩和功率與負載動態匹配。根據實際負載工況的情況來調節發動機工作轉速，采用動態優化方法對發動機車載式膜法富氧裝置進行匹配計算，使發動機在滿足所需功率的前提下工作在高效范圍內。動態優化的基本模型有逆序算法、順序算法和雙向混合算法。針對高原發動機進氧量隨海拔規律性變化，根據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；uk為狀態xk+1的決策變量。

狀態轉移方程為xk+1=Tk(xk,uk)，k階段的允許決策集合記為Dk=(xk)，vk(xk,uk)為指標函數，即邊界條件。在實際的工程應用領域中，采用動態優化算法來求最優解，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，逐階段求出最優決策和過程的最優解，逆推至f(x1)，就可以得到問題的最優解。

以軍用車輛工況循環為依據對發動機的速度調節過程劃分階段，即第k個階段的狀態xk為匹配調節過程中發動機的速度值，此值的最終調節是由油門信號來控制，進而控制所需轉速的輸出。所劃分的階段k值由指標函數確定，通常情況下，速度的調節值是逐漸減少的，這時狀態變量xk+1為xk的等差數列。指標函數為速度的函數，其邊界條件最終由燃油消耗率來確定。要求指標函數的值為最小值，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是狀態變量，決策變量DecisFun(k,x)是由階段k和狀態變量x決定的函數；SubObjFun(k,x,u)是由變量k、x、u決定的指標函數；TransFun(k,x,u)是狀態轉移函數；ObjFun(v,f)是k階段至最后階段的指標函數，當ObjFun(v,f)=v+f時，ObjFun可省略。據此，Onori等將等效因子的自適應策略描述為：

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前時段內的負載扭矩等效因子；vref為工程車輛參考扭矩；v(t)為當前轉速真實值；Kp為轉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，該車發動機型號為6V150，其主要技術參數如表1所示。6V150發動機是V型6缸水冷廢氣渦輪增壓發動機，額定功率300 kW，額定轉速是2 200 r/min。

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

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

表1 6V150發動機主要技術參數Table 1 Main performance parameters of 6V150 diesel engine

表2 發動機試驗數據

由表2可知：富氧裝置在一定程度上改善了發動機的燃燒情況，燃油消耗率下降，而爆發壓力和排氣溫度這類限制指標相較于“原機”狀態并沒有劇烈惡化，說明富氧裝置方案可行；動態優化狀態下，發動機的功率進一步上升，比油耗進一步降低，爆發壓力和排氣溫度小幅度上升，證明動態優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 發動機富氧裝置對比試驗

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

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

經過試驗測試被測發動機的峰值功率為288 kW，與發動機出廠設置最大功率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%。首先進行發動機特性試驗(原機功率)；在此基礎上，保持發動機狀態不變，在進氣總管內摻入不同比例的富氧空氣，測試不同富氧空氣含量對發動機的運行狀態的影響，并與初始狀態進行對比，以此分析發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)；之后觀察發動機性能參數在動態優化控制策略下發動機性能輸出變化情況(動態優化功率提升)。試驗結果見表3，由表3可知：富氧裝置和動態優化控制策略，使發動機的功率持續上升。

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

表3 發動機主要試驗數據

圖4 發動機高原特性試驗Fig.4 Engine plateau characteristic test

圖5為不同工況下發動機燃油消耗率和排氣溫度曲線。由圖5可知：發動機的油耗消耗率和排氣溫度隨轉速的增加而降低，后趨于平穩，但它們下降的幅度不同，“原機”狀態的下降幅度較大，“富氧裝置”次之，“動態優化”最慢。例如：圖5(a)中，轉速為1 200 r/min和2 200 r/min下，“動態優化”、“富氧裝置”和“原機”3種狀態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%。不同發動機轉速下，動態優化控制策略下的燃油消耗率均優于發動機原始狀態。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優化控制策略，可優化發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為氣缸內壓力變化曲線。不同工況下，發動機爆發壓力有較小變化，最大差值為0.2 MPa，并得到：① 發動機在原機狀態下，發動機進氣量小，過量空氣系數小，且缸內溫度低，滯燃期長，導致缸內爆發壓力較低，放熱中心后移，做功能力下降從而導致功率下降，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，發動機氣缸內參與燃燒的氧氣量得以增多，氣缸內爆發壓力有所提高，放熱重心前移，在一定程度上恢復了功率，優化了比油耗及排氣溫度；③ 進一步采用動態優化控制策略后，發動機的熱效率進一步提高。由發動機響應結果可以看出：基于動態優化控制策略下發動機具有更低的發動機油耗，因而具有更優越的整車等效燃油經濟性。

4.2 高原工況工程車輛車載式膜法富氧裝置試驗

將裝有動態優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，即可驗證基于動態優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，人工檢測未出現排氣溫度上升、冒黑煙現象。實驗結果表明：裝有動態優化控制策略的車載式膜法富氧裝置，可實現車輛對發動機輸出轉速和轉矩的需求，不同工況下輸出量均在額定范圍內，滿足軍用車輛在高海拔地區使用要求。

5 結論

1) 室內實驗表明膜法富氧裝置和動態優化控制策略切實可行，可有效提高發動機的熱值，改善發動機性能。

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

3) 通過實車試驗得出：裝有動態優化控制策略的車載式膜法富氧裝置，在青藏高原滿載運輸的情況下，未出現排氣溫度上升、冒黑煙現象，能夠滿足不同工況下軍用工程車輛在高海拔地區的使用要求。