柴油機高原可調(diào)增壓技術

林春城，劉瑞林，董素榮，張眾杰，周廣猛，張文建

(1.軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161;3.軍事交通學院學員旅，天津300161)

我國高原具有海拔高、面積廣的特點，號稱“世界屋脊”的青藏高原平均海拔超過4 000 m，面積達230萬 km2，占我國陸地總面積的 24%［1］。與平原相比，高原地區(qū)大氣壓力下降幅度大，柴油機在高原地區(qū)運行時進氣量減少，導致空燃比降低、燃燒不充分、后燃期延長，造成柴油機動力性和經(jīng)濟性下降、碳煙排放增加、排溫升高等問題，直接影響車輛在高原地區(qū)運行的整車性能［2］。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施以及西部地區(qū)日趨嚴峻的周邊環(huán)境，柴油機高原性能提升方面研究的開展對我國具有十分重要的意義［3］。

早在20世紀80年代，朱振夏等［4］就通過青藏鐵路機車柴油機試驗提出了“供氣是柴油機高海拔動力恢復的關鍵”的 結(jié)論。高原環(huán)境條件下，自然吸氣柴油機性能惡化明顯，海拔每升高1km，柴油機功率下降9% ～13%、油耗增加6%左右、排溫升高10%以上［5］，無法滿足高原柴油機的運行要求。目前，國內(nèi)外圍繞提高柴油機高原環(huán)境適應性開展的研究工作中，增壓技術是最重要的技術手段之一。當前，車用柴油機應用最多的是廢氣旁通式渦輪增壓技術［6－7］。文獻［8］研究表明，匹配普通廢氣旁通渦輪增壓器柴油機在海拔2 000 m時的最大轉(zhuǎn)矩和標定功率分別降至平原相同工況的91.8%和89.1%，已經(jīng)嚴重影響柴油機性能的發(fā)揮。文獻［9］研究表明:海拔5 500 m最大轉(zhuǎn)矩和標定功率分別降至平原相同工況的74.5%和68.7%，雖然壓氣機壓比升高，但與平原相比進氣流量分別下降了30%和28.6%，不能滿足更高海拔范圍內(nèi)柴油機的性能要求;普通的廢氣渦輪增壓器與柴油機的匹配均是針對固定海拔、固定工況，偏離匹配的海拔和工況增壓器效率下降明顯，無法滿足全工況范圍內(nèi)與柴油機的良好匹配［9］?？烧{(diào)增壓技術的發(fā)展在一定程度上緩解了這種矛盾，能通過調(diào)節(jié)機構(gòu)實時控制增壓壓力，使增壓系統(tǒng)與柴油機的匹配特性大大改善，逐漸成為近年來研究的熱點。

1 可調(diào)增壓技術研究進展

適用于車用柴油機的可調(diào)增壓技術主要有可變截面渦輪增壓技術、相繼增壓技術、復合增壓技術、多級渦輪增壓技術等。

1.1 可變截面渦輪增壓技術

可變截面渦輪增壓技術(variable geometry turbocharging，VGT)相當于為柴油機匹配了一系列固定截面的渦輪增壓器，可以通過調(diào)節(jié)導流葉片角度改變渦輪流通面積，從而實現(xiàn)增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力的連續(xù)可控調(diào)節(jié)，提高柴油機變海拔、變工況適應性［10］。其工作原理:柴油機低速時，通過減小VGT葉片開度減小渦輪流通面積，實現(xiàn)增壓壓力的快速建立，提高低速性能和瞬態(tài)加速特性;高轉(zhuǎn)速時，通過加大VGT葉片開度從而增大渦輪流通面積，控制增壓器不超速并降低排氣背壓，提高高速工況經(jīng)濟性［11］。文獻［12］通過仿真研究了VGT柴油機變海拔性能，結(jié)果表明，柴油機匹配VGT降低了因海拔上升引起的柴油機性能下降程度。與原機相比，VGT柴油機海拔5 000 m標定功率提高了1.28%，最大轉(zhuǎn)矩提高了2.91%。但與原機平原相同工況相比，VGT柴油機海拔5 000 m標定功率和最大轉(zhuǎn)矩分別降低了7.2%和6.4%，聯(lián)合運行線已經(jīng)接近壓氣機的轉(zhuǎn)速極限和壓比極限，無法進一步改善柴油機高海拔性能?？勺兘孛鏈u輪增壓器的壓氣機與廢氣旁通式增壓器壓氣機一樣，隨著海拔的升高，相同進氣流量下的壓比增大，低速時易發(fā)生喘振，高速時為避免增壓器超速，VGT葉片開度較大，增壓器轉(zhuǎn)速和效率下降，限制了增壓壓力和進氣流量的進一步提高，很難滿足柴油機在變海拔全工況范圍內(nèi)的性能要求。

1.2 相繼增壓技術

相繼增壓(sequential turbocharging，STC)也稱并聯(lián)增壓，采用兩個或兩個以上的渦輪增壓器并聯(lián)連接，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和負荷的增長，相繼順序投入運行，可以保證工作時的渦輪增壓器始終在高效率區(qū)運行，確保柴油機在低速工況時具有較高的增壓壓力，使得柴油機的燃油消耗率及熱負荷在整個運行區(qū)域內(nèi)均較低［13］。根據(jù)柴油機不同運行工況，須對相繼增壓系統(tǒng)的運行模式進行劃分［14］。文獻［15］根據(jù)發(fā)動機的工況，將相繼增壓系統(tǒng)劃分為3種運行模式:發(fā)動機低速時，僅較小的增壓器投入使用，廢氣集中進入一臺渦輪，快速建立增壓壓力，提高低速轉(zhuǎn)矩;中等轉(zhuǎn)速時，關閉較小的增壓器并開啟較大的增壓器，提高增壓壓力和進氣流量;隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，排氣能量升高，兩個渦輪增壓器控制閥均打開，兩個增壓器同時運行，增壓壓力和進氣流量得到進一步提高。試驗結(jié)果表明，匹配三階段相繼增壓系統(tǒng)的柴油機性能較原機有較大改善，尤其在低速大負荷工況，燃油消耗率最高降低約7.1%，碳煙排放最高降低達70.2%。高轉(zhuǎn)速區(qū)間，兩臺增壓器都運行在高效區(qū)，標定轉(zhuǎn)速下原機壓氣機效率較低，而相繼增壓系統(tǒng)兩臺增壓器并聯(lián)運行時大小增壓器效率分別為77%和73%，有效降低了高轉(zhuǎn)速區(qū)的燃油消耗率。

由于車用發(fā)動機運行工況復雜，相繼增壓系統(tǒng)實際應用時需要頻繁地切換控制閥門，不同渦輪增壓器之間的轉(zhuǎn)換操作是相繼增壓技術研究的難點。閥門的切換過程中，易發(fā)生增壓器的喘振、堵塞、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動大等問題，需要復雜的控制策略才能實現(xiàn)其與發(fā)動機的最佳匹配。相繼增壓系統(tǒng)每個渦輪增壓器都相當于單級渦輪增壓器，發(fā)動機在高海拔條件下運行時，很難滿足高增壓度的要求。此外，變海拔條件下不同的大氣壓力使得相繼增壓系統(tǒng)控制閥門的切換點改變，控制策略更為復雜，且其調(diào)節(jié)能力有限，很難實現(xiàn)發(fā)動機變海拔、變工況的運行要求。因此，相繼增壓技術應用于柴油機高原功率恢復的優(yōu)勢并不明顯［4］。

1.3 復合增壓技術

復合增壓技術是將兩種或多種增壓技術組合的一種增壓形式，應用于車輛柴油機研究較多的主要有機械—渦輪復合增壓技術和電動—渦輪復合增壓技術。

1.3.1 機械—渦輪復合增壓技術

機械—渦輪復合增壓(twincharger)是最為常見的復合增壓技術。其中，機械增壓技術由發(fā)動機曲軸直接驅(qū)動機械增壓裝置，瞬態(tài)響應幾乎沒有滯后現(xiàn)象，在發(fā)動機低速時增壓效果理想，而在高轉(zhuǎn)速時則消耗發(fā)動機的動力輸出;廢氣渦輪增壓技術在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時增壓效果理想，而低轉(zhuǎn)速時則瞬態(tài)響應遲緩，增壓能力變差。機械—渦輪復合增壓技術融合機械增壓和廢氣渦輪增壓技術的優(yōu)點來彌補各自的缺陷。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時機械增壓器工作以實現(xiàn)增壓壓力的快速建立;中高轉(zhuǎn)速時逐漸開啟與機械增壓器并聯(lián)的節(jié)流閥，渦輪增壓器介入，兩級增壓器聯(lián)合運行;高轉(zhuǎn)速時脫開電磁離合器并完全開啟節(jié)流閥，增壓壓力完全由渦輪增壓器提供。大眾汽車公司［17］對一款1.4 L機械—渦輪復合增壓汽油機進行了試驗，結(jié)果表明:匹配了該復合增壓系統(tǒng)后，增壓比達到2.5，最大功率提高到125 kW，達到2.4 L汽油機的功率水平，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍相當寬廣，低速燃油消耗率也有顯著降低。文獻［17］對匹配了機械—渦輪復合增壓系統(tǒng)的1.8 L柴油機和普通單級增壓2.5 L柴油機性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)中高轉(zhuǎn)速下二者轉(zhuǎn)矩接近，低轉(zhuǎn)速下復合增壓柴油機轉(zhuǎn)矩明顯高于單級增壓柴油機，且燃油消耗率最高下降約6%。但是，與渦輪增壓器相比，機械式增壓器效率偏低，最高效率僅為60%左右(普通廢氣渦輪增壓器的最高效率不低于75%)。且機械式增壓器消耗發(fā)動機的機械功，經(jīng)濟性改善程度要低于其他可調(diào)增壓方式。此外，機械—渦輪復合增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，需要為機械增壓器單獨配置離合器，離合器與旁通閥的協(xié)調(diào)配合需要大量的標定工作才能實現(xiàn)，而且加大了控制的難度，普及起來比較困難。

1.3.2 電動—渦輪復合增壓技術

電動—渦輪復合增壓技術也稱電輔助增壓技術(electrically assisted turbo，EAT)，由電動增壓技術與廢氣渦輪增壓技術結(jié)合而成。在保留原有的渦輪增壓器的情況下，電動增壓系統(tǒng)獨立布置，即在發(fā)動機進氣系統(tǒng)再接入一臺電機驅(qū)動的獨立的壓氣機。當柴油機在低速區(qū)或急加速運轉(zhuǎn)時，電動增壓器迅速啟動開始工作，協(xié)助渦輪增壓器增加柴油機低轉(zhuǎn)速或加速初期的進氣量;當發(fā)動機運行在中高轉(zhuǎn)速區(qū)時，電動增壓器停止工作，此時，為避免壓氣機在進氣管道產(chǎn)生不必要的阻力，打開壓氣機旁通閥，電動增壓器的壓氣機部分被與其并聯(lián)的空氣管路短接，空氣由并聯(lián)管路直接進入廢氣渦輪增壓器的壓氣機［18］。

電動—渦輪復合增壓技術最大的優(yōu)勢就在于可以有效改善增壓柴油機低速轉(zhuǎn)矩不足、加速響應滯后的問題。Yamashita等［19］研究表明:與電動渦輪增壓和常規(guī)渦輪增壓器相比，在達到相同的轉(zhuǎn)矩時，電動—渦輪復合增壓所需的時間更短。日本三菱重工對其研制的電動渦輪增壓器進行了臺架試驗，結(jié)果表明，電動增壓器從啟動到轉(zhuǎn)速達到74 000 r/min的時間比傳統(tǒng)增壓器縮短了1/3［20］。此外，在降低柴油機加速過程瞬態(tài)煙度方面，電動—渦輪復合增壓技術也有其突出的優(yōu)勢。李文祥等［21］選用合適的電動機與某型號渦輪增壓器的壓氣機匹配，并與原機的廢氣渦輪增壓器組成電動—渦輪復合增壓系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，采用該增壓系統(tǒng)可以使某柴油機在低速轉(zhuǎn)矩增加16.3% ～29.6%的前提下，煙度降低 56%。電動—渦輪復合增壓技術應用于高原環(huán)境柴油機功率恢復的研究工作較少。北京理工大學韓愷等［22］針對增壓柴油機高原功率下降的問題，提出了可調(diào)轉(zhuǎn)速的電動—渦輪復合增壓方案并進行了仿真研究。結(jié)果表明，應用該方案，在海拔3 000 m柴油機標定功率恢復至平原的89.7%，最大轉(zhuǎn)矩下降了3.7%，轉(zhuǎn)速適應性系數(shù)從1.39提高至1.56，發(fā)動機全負荷運行時電動增壓器始終運行在高效區(qū)，且有一定的喘振裕度，有效解決了增壓柴油機在高原環(huán)境下遇到的壓氣機喘振、超速的問題，改善了柴油機的高海拔性能。電動—渦輪復合增壓技術在高海拔條件下具有較強的應用潛力，但與其他增壓方式相比，電動—渦輪復合增壓技術也有其不足之處。存在的問題主要有:電動機功率較大，導致電路中電流過大，電路系統(tǒng)的發(fā)熱與損失加劇;當前高速電動機轉(zhuǎn)速達不到要求;排氣歧管壓力低于進氣歧管導致與EGR系統(tǒng)兼容性差等問題。因此，雖然具有較強的應用潛力，但距實際應用于車輛柴油機以提高其高原性能還有較大差距。

1.4 多級渦輪增壓系統(tǒng)

多級渦輪增壓系統(tǒng)是將兩個或多個單級渦輪增壓器組合起來，發(fā)動機排氣經(jīng)過各級渦輪膨脹做功，各級渦輪帶動壓氣機對發(fā)動機進氣增壓，提高進氣壓力和流量，從而提高過量空氣系數(shù)，改善柴油機缸內(nèi)燃燒，達到提高柴油機各項性能的目的。目前，多級渦輪增壓技術中已實現(xiàn)應用的主要包括二級可調(diào)增壓技術(regulated two－stage turbocharging，R2S)和三級可調(diào)增壓技術(regulated three－ stage turbocharging，R3S)。

1.4.1 二級可調(diào)增壓技術

自20世紀70年代，國外一些大公司如博格華納［23］、霍 尼 韋 爾［24］、現(xiàn) 代 汽 車 公 司［25］、德 國MAN［26］等，就開始了對柴油機二級渦輪增壓系統(tǒng)的研究工作，并已運用于大型貨車和轎車上。但由于地理環(huán)境條件的差異，歐美國家在二級增壓系統(tǒng)高原環(huán)境下的研究需求不強，相關報道較少。在國內(nèi)，軍事交通學院劉瑞林等［27］融合了VGT技術和二級可調(diào)增壓技術的優(yōu)勢，設計了基于VGT的二級可調(diào)增壓系統(tǒng)，并進行了與柴油機的高海拔匹配仿真研究。結(jié)果表明，與單級增壓柴油機相比，二級可調(diào)增壓柴油機在海拔5 500 m的最大轉(zhuǎn)矩和標定功率分別恢復至平原相同工況下的93.7%與95%，低速轉(zhuǎn)矩提高121% ～253%，最低燃油消耗率降低12.6%，全面提升了柴油機在高海拔、全工況下的動力性和經(jīng)濟性，有效提高了車輛高原適應能力［28］。

二級可調(diào)增壓系統(tǒng)匹配對于柴油機設計性能目標的實現(xiàn)具有重要的意義。大量研究者開展了二級可調(diào)增壓系統(tǒng)與柴油機的匹配研究［29－32］。然而，柴油機運行工況復雜，要求在不同工況下二級可調(diào)增壓系統(tǒng)都能提供精確的增壓壓力，僅僅靠匹配是不夠的，更需要二級可調(diào)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的研究。文獻［33］制定了不同海拔下的目標增壓壓力，通過仿真進行二級可調(diào)增壓系統(tǒng)的變海拔適應性研究，發(fā)現(xiàn)高壓級渦輪旁通閥需要采用不同的開度來適應不同海拔和不同轉(zhuǎn)速工況，閥門開度的調(diào)節(jié)幅度會隨海拔的升高和轉(zhuǎn)速的減小而變小。高海拔條件下，二級可調(diào)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的試驗研究還未見相關報道。仿真結(jié)果可以用于摸清二級可調(diào)增壓系統(tǒng)各個控制參數(shù)對柴油機的影響規(guī)律，但無法直接運用到發(fā)動機實際工作中。若要實現(xiàn)二級可調(diào)增壓系統(tǒng)在高原環(huán)境下的實際應用，控制策略研究將成為下一步的工作重點。

1.4.2 三級可調(diào)增壓技術

三級可調(diào)增壓技術方面，博格華納公司開展了相關研究并已實現(xiàn)應用［34］。2012年，博格華納公司與寶馬公司合作，首次將最新研發(fā)的創(chuàng)新性三級可調(diào)增壓技術應用于寶馬M系列3.0 L柴油發(fā)動機。與裝配博格華納二級可調(diào)增壓系統(tǒng)相同排量的某BMW柴油機相比，裝配該三級可調(diào)增壓系統(tǒng)的柴油機輸出功率大幅度提高，同時燃油消耗率下降了近8%，并達到了歐Ⅵ排放標準［35］。文獻［36］為重型柴油機設計了三級可調(diào)增壓系統(tǒng)。其中，3個渦輪增壓器串聯(lián)連接，分別作為低壓級、中壓級和高壓級。高壓級選用較小的渦輪增壓器以提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，中壓級選用VGT以提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，低壓級選用較大的渦輪增壓器以提高系統(tǒng)的流量范圍。低轉(zhuǎn)速時高壓級的單向閥和旁通閥關閉，三級增壓器協(xié)同工作，有助于快速建立增壓壓力;中高轉(zhuǎn)速時為避免高壓級增壓器超速并降低排氣背壓，將高壓級旁通閥和單向閥打開，系統(tǒng)進入二級增壓階段。對該系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)試驗結(jié)果表明，匹配該三級可調(diào)增壓系統(tǒng)的柴油機燃油消耗率最高降幅達11.5%，并且通過提高EGR率使得NOx排放達到原機水平，極大地改善了柴油機的經(jīng)濟性和排放性。與二級可調(diào)增壓系統(tǒng)相比，發(fā)動機通過配置一個額外的高壓級渦輪增壓器，其增壓能力可達到一個全新的水平，并能通過閥門的調(diào)節(jié)使廢氣量和進氣量得到精確的控制。三級可調(diào)增壓技術代表了當前最先進的渦輪增壓技術，然而其技術難度大、研發(fā)成本高、控制策略復雜，并不適用于當前的大多數(shù)車用發(fā)動機，若將其運用于高原環(huán)境難度較大。

2 不同可調(diào)增壓技術比較

與普通廢氣渦輪增壓技術相比，可調(diào)增壓系統(tǒng)增壓能力強，流量范圍寬廣，能大幅度提高柴油機低速轉(zhuǎn)矩和標定功率，但不可避免地帶來系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、控制難度大、安裝空間受限等問題。不同可調(diào)增壓技術所能達到的壓比，以自然吸氣柴油機為基準對柴油機功率的提升幅度和安裝空間的增加幅度如圖1所示。

圖1 可調(diào)增壓技術對比

由圖1可知，VGT技術安裝空間最小，與自然吸氣柴油機相比僅增加了11%，且作為單級增壓技術，增壓能力有限，壓比僅達到2.5，對柴油機功率提升幅度也較低;相繼增壓技術結(jié)構(gòu)形式相當于普通增壓器的并聯(lián)連接，安裝空間增加了26.5%，雖然平原條件下對柴油機功率提升近20%，但高海拔條件下難以達到較高的增壓壓力，將限制柴油機高海拔的功率恢復，因此并不適用于高原環(huán)境;機械—渦輪復合增壓技術和電動—渦輪復合增壓技術在柴油機低轉(zhuǎn)速時能發(fā)揮出良好的瞬態(tài)性能，然而中高轉(zhuǎn)速時需要將機械增壓器脫開或?qū)㈦妱釉鰤浩髋酝?，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單級渦輪增壓系統(tǒng)，增壓能力有限，無法滿足柴油機高海拔性能要求;三級可調(diào)增壓技術壓比能達到3，增壓能力最強，對柴油機功率提升幅度達到25%，但其結(jié)構(gòu)復雜，安裝空間增加了約30%，控制參數(shù)多，調(diào)節(jié)難度大，變海拔條件下的控制策略更加復雜，不可避免地會造成可靠性的下降，應用于柴油機高海拔功率恢復還有一定困難;相比之下，二級可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)融合了各種可調(diào)增壓方式的優(yōu)勢，壓比能達到2.9，對柴油機功率提升近20%，流量范圍較寬，控制難度相對較低，現(xiàn)已實現(xiàn)平原環(huán)境下車用柴油機的應用，是應用于高原環(huán)境較為理想的增壓方式。

3 結(jié)語

隨著對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性要求的不斷提高，以及對車輛高原環(huán)境性能需求的日益加大，在對發(fā)動機性能提升技術的研究，尤其對發(fā)動機高原適應性的研究中，可調(diào)增壓技術必然成為研究的重要方向。二級可調(diào)增壓系統(tǒng)能達到2.9的高壓比，能提高柴油機功率近20%，且具有增壓壓力調(diào)節(jié)能力強、高效區(qū)流量范圍大、安裝空間較小、控制系統(tǒng)簡單可靠等優(yōu)點，是提高柴油機高海拔性能的首選可調(diào)增壓技術。

先進的電子控制技術的應用和發(fā)展是提高可調(diào)增壓系統(tǒng)高原環(huán)境適應性的關鍵，也是可調(diào)增壓系統(tǒng)實現(xiàn)高原環(huán)境應用的難點。必須加強控制系統(tǒng)的開發(fā)，并開展可調(diào)增壓系統(tǒng)控制策略的研究，為可調(diào)增壓系統(tǒng)在高原環(huán)境下的應用奠定基礎。

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