匹配二級順序增壓系統(tǒng)的柴油機高原特性仿真

施新，李文祥

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081; 2.中國第一汽車集團公司技術(shù)中心，吉林 長春130011)

目前重型車動力普遍采用柴油機，在高原地區(qū)工作時，柴油機會出現(xiàn)功率下降、排溫升高、排放惡化等問題。我國高原地區(qū)面積廣闊，青藏高原地區(qū)的平均海拔超過4 000 m，柴油機高原功率恢復問題一直受到高度重視。從目前的研究現(xiàn)狀來看，高原功率恢復研究中通常采取的技術(shù)措施是換用高壓比、大流量的增壓器［1-3］。換裝大增壓器雖能提高發(fā)動機的海拔適應性，但由于平原和高原地區(qū)進氣密度的顯著差異，柴油機在平原地區(qū)工作時，發(fā)動機工作范圍將向壓氣機小流量區(qū)移動，偏離壓氣機高效區(qū)，同時增壓器轉(zhuǎn)子直徑增大將使發(fā)動機加速性變差。由于我國幅員遼闊的地理特征，運輸車輛動力必須兼顧平原和高原特性，如果在保持平原特性不變的同時兼顧高原功率恢復，目前重型車柴油機普遍采用的單級渦輪增壓系統(tǒng)將無法滿足如此寬廣的工作范圍要求。本文提出利用二級順序增壓系統(tǒng)解決柴油機高原功率恢復的問題，目標是在平原時保持原發(fā)動機特性不變，而海拔5 500 m 時輸出功率可恢復到平原狀態(tài)的80%.

1 方案分析

在不同海拔高度，柴油機若要發(fā)出相同的功率，在燃燒情況不變即指示熱效率保持不變的條件下，要求過量空氣系數(shù)保持不變。因此由(1)式可以得知，柴油機在不同海拔高度為了維持相同的功率輸出，必須保證相同的進氣流量。

式中:m 為質(zhì)量流量;Pe為有效功率; be為有效燃油消耗率;α 為過量空氣系數(shù); ηv為充氣系數(shù); ηs為掃氣系數(shù); VH為排量; ps為進氣壓力，Ts為進氣溫度。

由(1)式還可以得到，在假設充氣系數(shù)和掃氣系數(shù)不變的條件下，相同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機進氣流量取決于進氣壓力和溫度。雖然隨著海拔高度升高壓氣機壓比提高，會使壓氣機出口溫度有升高的趨勢，但是由于隨海拔高度升高環(huán)境溫度也即壓氣機進口溫度下降，因此為簡化分析，可以假設中冷器后溫度不變，這樣就可以得知進氣流量與增壓壓力成正比。由于壓氣機進口壓力隨海拔高度升高而下降，因此發(fā)動機若要維持相同功率輸出，必須靠提高壓氣機壓比來實現(xiàn)。

不同海拔高度下由于壓氣機進氣條件發(fā)生變化，根據(jù)相似理論，壓氣機特性需要用通用特性表示［4］。很顯然，隨海拔高度的增加進氣壓力大幅下降，若要保證一定的進氣流量，要求壓氣機折合流量增大。

由以上分析可知，隨海拔高度增加，發(fā)動機如果需要保持一定的功率輸出，要求壓氣機壓比和折合流量逐漸增大。因此在本文進行增壓系統(tǒng)參數(shù)計算時，只需計算得到海拔5 500 m 的壓氣機壓比和流量，即可得到由平原到海拔5 500 m 的壓氣機工作范圍。

本文計算研究的對象是一汽CA6DL2 柴油機，主要用于重型貨車和大型客車，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和平原性能參數(shù)如表1所示。

表1 CA6DL2 柴油機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of CA6DL2 diesel engine

由發(fā)動機的平原特性參數(shù)和海拔5 500 m 時功率恢復80%的目標，下面給出海拔5 500 m 增壓系統(tǒng)參數(shù)計算方法:

1)利用發(fā)動機平原負荷特性燃油消耗量試驗結(jié)果由油耗線法獲得平原時發(fā)動機機械效率ηm0［5］，由下式計算得到平原時發(fā)動機的機械損失功率

2)假定高原時發(fā)動機機械損失功率與平原時相同，可由下式計算得到海拔5 500 m 時發(fā)動機機械效率

3)由燃油消耗率和機械效率的關系可以得到海拔5 500 m 的發(fā)動機燃油消耗率為

4)由(1)式計算得到海拔5 500 m 時發(fā)動機進氣流量。

5)由于隨海拔高度變化發(fā)動機進氣流量與增壓壓力成正比，因此海拔5 500 m 時增壓壓力為

上述各式下標0 為平原狀態(tài)，下標5 為海拔5 500 m.

在計算得到增壓系統(tǒng)參數(shù)后，即可將其換算為折合參數(shù)。表2列出了代表性的外特性最大扭矩點和標定點2 個工作點的參數(shù)。將此表中的數(shù)據(jù)繪制在原機匹配的壓氣機特性圖上(圖1)，可明顯看出，發(fā)動機在海拔5 500 m 時標定點遠遠超出了壓氣機的工作范圍。如果要滿足高原時的功率恢復要求，必須選擇高壓比、大流量的壓氣機，這將損害發(fā)動機的平原特性。因此，單級渦輪增壓系統(tǒng)無法同時滿足發(fā)動機兼顧平原和高原特性的要求。

表2 平原和高原時增壓系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of turbocharging system on plain or plateau

圖1 發(fā)動機平原和海拔5 500 m 運行點Fig.1 Engine operation points on plain and up to 5 500 meter

2 二級順序增壓系統(tǒng)

本文所采用的二級順序增壓系統(tǒng)方案如圖2所示。高壓級增壓器選用原機匹配的增壓器，同時選用較大流量的增壓器作為低壓級增壓器。整個增壓系統(tǒng)通過壓氣機和渦輪端2 個特殊設計的三通閥門進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)單級增壓和二級增壓之間的轉(zhuǎn)換。當發(fā)動機在平原工作時，將2 個閥門切換到圖中的實線端，同時閥門的設計可以使虛線端關閉，此時只有高壓級增壓器工作，而低壓級增壓器不工作，柴油機原匹配的單級增壓器能夠保持平原性能不變。當發(fā)動機進入高原地區(qū)工作，將壓氣機側(cè)的閥門完全切換到相反方向，而渦輪端閥門根據(jù)海拔高度和工況可以逐漸反向調(diào)節(jié)開度，使低壓級增壓器逐步投入工作，以提高壓比，恢復高原功率。

二級順序增壓方案中高壓級增壓器保持不變，增壓系統(tǒng)設計的關鍵是確定低壓級增壓器。本文以海拔5 500 m 發(fā)動機最大扭矩點為設計點，對低壓級增壓器進行了計算和選型，具體計算過程為:

圖2 二級順序增壓原理圖Fig.2 Principle of two-stage sequential turbocharging

1)由于高壓級渦輪特性曲線已知，因此可以由設計點流量、壓比、排溫等參數(shù)，根據(jù)壓氣機和渦輪功率平衡計算得到高壓級壓氣機壓比，從而得到低壓級壓氣機壓比。計算結(jié)果為高低壓級壓比分配比例接近5∶5.對于標定點壓比分配比例，按照使發(fā)動機運行在2 個壓氣機合理工作范圍內(nèi)的原則初步確定為4∶6，準確值在循環(huán)模擬計算中可以根據(jù)高壓級增壓器放氣閥開啟情況通過調(diào)節(jié)渦輪端控制閥門來調(diào)節(jié)，實現(xiàn)預計的總壓比。

2)根據(jù)計算出的低壓級壓氣機參數(shù)，初步選定J112 型增壓器為低壓級增壓器。

3)能否實現(xiàn)設計點低壓級壓氣機壓比，主要取決于渦輪能否發(fā)出需要的功率，即渦輪的流通特性能否滿足設計要求。渦輪箱0-0 截面A/R 值對于渦輪流通特性具有重要的作用，增壓器制造中經(jīng)常利用一系列不同流通截面的渦輪箱來匹配同一葉輪，獲得不同的渦輪流量特性，實現(xiàn)與不同發(fā)動機的匹配［6］。本文根據(jù)文獻［6］中的方法，在保持J112 增壓器渦輪葉輪不變的基礎上進行了渦輪箱的重新設計，其0-0 截面A/R 值為47 mm.利用徑流葉輪機械設計和分析軟件RITAL，對重新設計的低壓渦輪進行了特性仿真，圖3為計算得到的流量特性曲線，并將其用于發(fā)動機循環(huán)模擬計算。

圖4為根據(jù)上述計算結(jié)果繪制的發(fā)動機標定點和最大扭矩點2 種典型工況的耗氣特性，可以看出，對于高、低壓級壓氣機，高原時發(fā)動機均運行在合理的工作范圍內(nèi)。

3 柴油機高原特性循環(huán)模擬計算

3.1 原機模型校驗

仿真計算采用的是GT-Power 軟件，建模中壓氣機和渦輪的模型是輸入其性能曲線得到，由于軟件中沒有膜片式放氣閥的模型，因此建模中采用了一個PID 控制模型來代替。

首先進行了匹配單級增壓系統(tǒng)的發(fā)動機原機平原特性循環(huán)模擬計算，并與原機平原試驗數(shù)據(jù)進行了校驗，圖5為功率和比油耗的校驗結(jié)果。由圖可以看出，除800 r/min 工況比油耗偏差稍大外，仿真值與試驗結(jié)果吻合較好。

圖3 J112 渦輪流量特性仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of flow characteristic for J112 turbine

圖4 發(fā)動機運行點在高、低壓壓氣機特性圖上的位置Fig.4 Engine operation points on compressor’s map

圖5 原機仿真與試驗結(jié)果比較Fig.5 Comparison between simulation and experiment results for original engine

3.2 高原特性計算

建立了匹配二級順序增壓系統(tǒng)的柴油機計算模型，進行了不同海拔高度的循環(huán)模擬計算，高原環(huán)境條件參照我國大氣數(shù)據(jù)［7］。

為了簡化計算，功率恢復的目標設定為: 海拔2 000 m(包含2 000 m)以下功率恢復到平原水平，海拔5 500 m 時功率恢復至平原的80%，2 000～5 500 m區(qū)間隨海拔高度升高功率近似線性遞減。按照上述功率恢復目標，在GT-Power 中按如下原則調(diào)整模型中的參數(shù)，以達到功率恢復的目標:

1)根據(jù)海拔高度不同，改變模型中環(huán)境狀態(tài)參數(shù)。

2)以發(fā)動機空燃比基本保持與平原時相同為基本的調(diào)整策略，調(diào)節(jié)發(fā)動機模型中循環(huán)噴油量。

3)隨海拔高度升高，首先只將原機增壓器即高壓級增壓器投入工作，考察功率恢復情況，若能滿足功率目標且增壓器運行參數(shù)合理，則低壓級增壓器不投入工作;若隨海拔高度升高，功率恢復不能達到目標，調(diào)節(jié)壓氣機端控制閥門和渦輪端控制閥門，使低壓級增壓器逐漸投入工作，以增大進氣量，使發(fā)動機在其他參數(shù)不惡化的前提下功率恢復到要求值，同時考察高、低壓級增壓器的工作參數(shù)是否合理，以確定最終的閥門開度。

圖6為不同海拔高度下發(fā)動機外特性計算結(jié)果，圖中同時繪出了平原時的外特性數(shù)據(jù)。由圖可以看出，在海拔2 000 m 以下，發(fā)動機功率保持與原機相當; 在海拔2 000 m 以上，發(fā)動機功率逐漸下降，基本符合預期的功率恢復要求。這主要是由于采用了二級增壓系統(tǒng)后，隨海拔高度升高時增壓系統(tǒng)壓比升高，保證了足夠的進氣量。比油耗除低速時上升較多外，其余工況下比油耗較平原狀態(tài)僅略有上升。

圖6 不同海拔高度柴油機外特性計算結(jié)果Fig.6 Engine simulation results at different altitudes

為了達到不同海拔高度發(fā)動機功率恢復的目標，在不同海拔處增壓系統(tǒng)的運行也有所不同。在海拔1 000 m 處，由于空氣密度下降不是很多，加上渦輪的補償作用，此時只需高壓級增壓器工作即可達到功率恢復的要求。從平原和海拔1 000 m 壓氣機與發(fā)動機的聯(lián)合工作曲線可看到(圖8(a))，1 000 m處壓比較平原要稍微高些，同一轉(zhuǎn)速下的流量也大些。正是由于這樣的增壓補償作用，才能保持在空燃比基本不變的情況下發(fā)動機恢復到平原功率。同時，發(fā)動機外特性工作線具有足夠的喘振裕度，依然工作于壓氣機效率較高的區(qū)域。

在海拔2 000 m 以上，僅靠原機的單級增壓系統(tǒng)無法達到所需的功率恢復目標，因此，按照前述二級增壓系統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)方法，使高低壓級增壓器都投入工作，通過調(diào)節(jié)渦輪控制閥門的開度以控制低壓級增壓器的投入工作程度，從而達到所需要的總壓比。圖7為不同海拔高度標定點和最大扭矩點渦輪控制閥的開度變化(用旁通直接流入排氣管的流量與發(fā)動機排氣總流量的比值表示)，由圖可以看出，外特性最大扭矩點和標定點時渦輪控制閥的開度變化規(guī)律基本一致，即隨海拔高度增加，通過渦輪控制閥門的調(diào)節(jié)逐漸減小旁通流量，使流過低壓級渦輪的流量逐漸增加，即低壓級增壓器投入工作逐漸增多，維持足夠的總壓比以保證高原時的進氣量。

圖7 不同海拔渦輪端控制閥門的開度Fig.7 Turbine valve opening at different altitudes

隨著渦輪控制閥門開度的變化，柴油機與高低壓級增壓器的匹配也發(fā)生變化，圖8為不同海拔高度柴油機與高低壓級壓氣機的聯(lián)合運行線。由圖中可以看出，海拔2 000 m 時，由于低壓級增壓器壓比較低，高壓級壓氣機壓比略有上升，但幅度不大，保證了發(fā)動機運行線不致穿過喘振線，保證了高壓級壓氣機的正常工作。當海拔高度繼續(xù)增加，低壓級壓氣機壓比逐漸增加，發(fā)動機運行線逐漸進入低壓級壓氣機的高效區(qū)，而隨著低壓級增壓器壓比的逐漸升高，高壓級增壓器壓比在發(fā)動機低速區(qū)域基本與平原時持平，而高速時壓比較平原時低，發(fā)動機運行線處于壓氣機的高效區(qū)，這表明，在高原時二級增壓系統(tǒng)壓比分配比較合理，在維持足夠的壓比以保證進氣量的同時，高低壓級壓氣機均工作于各自比較理想的區(qū)域，發(fā)動機與增壓系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的匹配。

4 結(jié)論

1)計算分析表明，在海拔0～5 500 m 內(nèi)，單級渦輪增壓系統(tǒng)無法滿足發(fā)動機兼顧平原特性和高原功率恢復的要求，采用二級順序增壓系統(tǒng)是一種有效的技術(shù)措施。

2)發(fā)動機工作于不同海拔高度時，需要調(diào)節(jié)二級順序增壓系統(tǒng)控制閥門，使高低壓級增壓器均工作于合理的范圍內(nèi)，以保證發(fā)動機的高原特性。

圖8 不同海拔發(fā)動機與高低壓級壓氣機聯(lián)合運行線Fig.8 Engine operation lines on compressor’s map at different altitudes

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