柴油機(jī)可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)變海拔穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性研究

張來濤， 徐巖， 劉勝， 利奇， 石磊， 鄧康耀， 楊震寰

(1. 上海交通大學(xué)動力機(jī)械與工程教育部重點實驗室， 上海 200240；2. 中國兵器科學(xué)研究院， 北京 100089； 3. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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柴油機(jī)可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)變海拔穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性研究

張來濤1， 徐巖2， 劉勝3， 利奇1， 石磊1， 鄧康耀1， 楊震寰3

(1. 上海交通大學(xué)動力機(jī)械與工程教育部重點實驗室， 上海 200240；2. 中國兵器科學(xué)研究院， 北京 100089； 3. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

利用GT-Power軟件建立某V型柴油機(jī)仿真模型，并進(jìn)行了可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的匹配。模擬計算了不同海拔條件下發(fā)動機(jī)全工況運(yùn)行時高壓級渦輪旁通閥開度對燃油消耗率的影響。結(jié)果表明，高壓級渦輪旁通閥開度是通過發(fā)動機(jī)指示效率與泵氣損失間接影響燃油消耗率。同一工況下，發(fā)動機(jī)燃油消耗率按其主要影響因素的不同分為示效率主導(dǎo)區(qū)、泵氣損失主導(dǎo)區(qū)以及兩者綜合影響區(qū)。且隨著海拔的升高，影響發(fā)動機(jī)燃油消耗率的指示效率主導(dǎo)區(qū)域擴(kuò)大，泵氣損失主導(dǎo)區(qū)域減小。最后，以最佳燃油經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)，得到變海拔全工況下渦輪旁通閥最佳閥門開度。

柴油機(jī)； 高原； 兩級增壓； 燃油消耗率； 仿真

我國的高原地區(qū)具有面積廣、海拔高、起伏大等特點。高原地區(qū)大氣壓力低、空氣密度小、溫度低，對柴油機(jī)的性能影響較大。研究表明，高原地區(qū)大氣壓力低是影響柴油機(jī)性能的主要因素。較低的大氣壓力使得柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致缸內(nèi)空燃比減小、混合氣變濃、燃燒惡化，并最終造成柴油機(jī)功率和扭矩的下降以及燃油消耗率的增加[1-3]。

可調(diào)兩級渦輪增壓技術(shù)能夠有效增加進(jìn)氣量，提高柴油機(jī)的功率密度，是改善柴油機(jī)高原運(yùn)行性能的有效措施之一[4-5]。國外關(guān)于可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)應(yīng)用于車用柴油機(jī)的研究已取得較好結(jié)果[6-7]。國內(nèi)北京理工大學(xué)的仿真計算表明，兩級渦輪增壓系統(tǒng)在不同的海拔范圍內(nèi)均能有效地提升柴油機(jī)的功率和低速扭矩[8]。然而，關(guān)于變海拔可調(diào)兩級增壓柴油機(jī)油耗特性鮮有研究。因而，本研究基于匹配了可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的某V型柴油機(jī)仿真模型，計算了變海拔全工況范圍內(nèi)發(fā)動機(jī)的燃油消耗率與高壓級渦輪旁通閥開度的關(guān)系。

1 仿真計算模型的搭建

1.1 GT-Power穩(wěn)態(tài)模型的建立與試驗數(shù)據(jù)校核

以某V型渦輪增壓中冷柴油機(jī)為研究機(jī)型，其主要的性能結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

采用GT-Power軟件建立上述V型柴油機(jī)的仿真計算模型，用于發(fā)動機(jī)變海拔的性能模擬計算。該計算模型中，環(huán)境模塊的溫度和壓力可調(diào)，用以模擬不同的海拔環(huán)境；發(fā)動機(jī)本體模塊中，氣缸選取韋伯燃燒模型；渦輪增壓器模塊其參數(shù)是通過將渦輪和壓氣機(jī)圖譜離散成表的方式輸入到模型中。其他模塊按照發(fā)動機(jī)實際物理參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。柴油機(jī)模型總體結(jié)構(gòu)示意見圖1。

表1 柴油機(jī)主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用試驗數(shù)據(jù)對GT-Power仿真模型進(jìn)行校核。選取工況點較全的海拔3 000 m發(fā)動機(jī)外特性試驗數(shù)據(jù)，重點考核功率、燃油消耗率和增壓壓力等性能指標(biāo)，其校核結(jié)果見表2和圖2。

表2 仿真模型的試驗校核

由校核結(jié)果可以看出，仿真計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)一致性較好。功率、燃油消耗率和增壓壓力的最大誤差分別為2.19%，3.35%和4.20%，都在5%的范圍內(nèi)。因此，仿真模型具有較高的計算精度，能夠準(zhǔn)確地反映發(fā)動機(jī)的各項性能，滿足可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)變海拔調(diào)節(jié)規(guī)律研究的需要。

1.2 可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的變海拔匹配

在柴油機(jī)原機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，匹配可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)。匹配的目標(biāo)是使柴油機(jī)能夠滿足不同海拔條件下功率恢復(fù)指標(biāo)。根據(jù)上海交通大學(xué)劉博等人提出的等效渦輪增壓器原理[9]，可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的匹配主要是確定等效渦輪流通面積的調(diào)節(jié)范圍。而等效渦輪流通面積由不同海拔條件下其功率恢復(fù)所需的流量和壓比決定。通過計算，不同海拔條件下等效渦輪流通面積見圖3。

由圖可以看出，同一海拔下，隨著轉(zhuǎn)速的上升，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量增大，因而渦輪可用能量變大，所需的等效渦輪流通面積變大。同一轉(zhuǎn)速下，隨著海拔的升高，大氣壓力降低，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量減小，因而渦輪的可用能量變小，所需的等效渦輪流通面積變小。綜上所示，可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的等效渦輪流通面積應(yīng)在最高海拔最大扭矩點處取最小值，而在平原最大功率點處取最大值。由等效渦輪增壓器原理可知，高壓級旁通閥門全開時，其等效模型的渦輪等效流通截面最大，此時只有低壓級渦輪增壓器工作；而當(dāng)閥門全關(guān)時，等效模型的渦輪等效流通截面最小。因此可得到可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配方法：首先，以平原標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速點為匹配點，匹配單級渦輪增壓器，并以此作為可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的低壓級；然后，以最高海拔的最大扭矩點作為匹配點，并與之前的低壓級聯(lián)合，匹配計算得到旁通閥處于全關(guān)狀態(tài)高壓級增壓系統(tǒng)；最后，選取旁通閥并對整個系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)。

2 變海拔全工況燃油消耗率調(diào)節(jié)規(guī)律

2.1 高壓級旁通閥調(diào)節(jié)對燃油消耗率的影響

高壓級旁通閥的開度直接決定了等效渦輪流通面積，進(jìn)而決定進(jìn)氣增壓壓比，對發(fā)動機(jī)的性能有較大的影響。在保證發(fā)動機(jī)動力性能的前提下，研究高壓級旁通閥開度對燃油消耗率的影響規(guī)律，對于實現(xiàn)發(fā)動機(jī)較好的變海拔環(huán)境燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義。

考慮到車輛大部分時間運(yùn)行于部分負(fù)荷的實際情況，選取海拔1 000 m，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，負(fù)荷為25%的工況點進(jìn)行仿真計算。此外，GT-Power中的閥門部件的直徑是一輸入量，通過改變其值可以模擬不同的閥門開度。計算中，閥門當(dāng)量開度直徑變化范圍為0～60 mm，每間隔5 mm計算一次。得到的發(fā)動機(jī)指示效率、泵氣損失及燃油消耗率與閥門開度的關(guān)系見圖4。

對于匹配了可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)而言，在其他條件相同的情況下，燃油消耗率主要由發(fā)動機(jī)的指示效率與泵氣損失決定，而指示效率與泵氣損失又直接受高壓級旁通閥開度的影響。一方面，閥門開度越小，增壓系統(tǒng)增壓壓比越高，空燃比越大，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，指示效率隨之提高，燃油消耗率降低。另一方面，泵氣損失隨閥門開度的減小而增大，進(jìn)而導(dǎo)致燃油消耗率升高。

從圖4可以看出，發(fā)動機(jī)指示效率隨著閥門開度直徑的增大而減小，泵氣損失隨著閥門開度直徑的增大也呈減小趨勢。而發(fā)動機(jī)燃油消耗率與閥門開度直徑的關(guān)系較復(fù)雜，為此，將燃油消耗率曲線依據(jù)閥門開度直徑分成三個階段。在第一階段和第三階段，燃油消耗率隨著閥門開度直徑的增大而增大，在第二階段，燃油消耗率隨著閥門開度直徑的增大而減小。這是因為，閥門開度直徑在第一階段和第三階段對發(fā)動機(jī)指示效率影響較大，而對泵氣損失影響較小，因而此時隨著閥門開度直徑的增大，指示效率降低導(dǎo)致的燃油消耗率上升幅度大于泵氣損失減小導(dǎo)致的燃油消耗率降低幅度，燃油消耗率隨著閥門開度直徑的增大而增大。而在第二階段，閥門開度直徑對發(fā)動機(jī)指示效率影響較小，對泵氣損失影響較大，此時隨著閥門開度直徑的增大，泵氣損失減小導(dǎo)致的燃油消耗率降低幅度大于指示效率降低導(dǎo)致的燃油消耗率上升幅度，燃油消耗率隨著閥門開度直徑的增大而減小。

2.2 變海拔全工況高壓級旁通閥調(diào)節(jié)對燃油消耗率的影響

為研究高壓級旁通閥開度在全工況范圍內(nèi)對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，在上節(jié)的基礎(chǔ)上，增加海拔、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等變量，在保證發(fā)動機(jī)動力性能的前提下，分析燃油經(jīng)濟(jì)性隨高壓級渦輪旁通閥開度的變化規(guī)律。

2.2.1 低負(fù)荷區(qū)域變海拔調(diào)節(jié)規(guī)律

計算中，發(fā)動機(jī)負(fù)荷設(shè)為滿負(fù)荷的25%，選取1 500 r/min為低轉(zhuǎn)速，1 800 r/min為中轉(zhuǎn)速，2 200 r/min為高轉(zhuǎn)速，海拔變量選取0 m，1 000 m和3 000 m。計算得到低負(fù)荷區(qū)域發(fā)動機(jī)燃油消耗率隨渦輪旁通閥開度直徑的變化關(guān)系(見圖5、圖6和圖7)。

低轉(zhuǎn)速時，在平原和海拔1 000 m工況，燃油消耗率在閥門開度直徑30 mm左右存在極小值點。由上節(jié)分析可知，閥門開度直徑在20～30 mm區(qū)間時，泵氣損失對燃油消耗率起主導(dǎo)作用，因而隨著閥門開度直徑的增大，泵氣損失減小導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃油消耗率減小。當(dāng)海拔達(dá)到3 000 m時，進(jìn)氣壓力的降低導(dǎo)致泵氣損失的主導(dǎo)作用減弱，燃油消耗率在閥門開度直徑在20～30 mm區(qū)間的下降趨勢基本消失。

中等轉(zhuǎn)速時，在平原和海拔1 000 m工況，當(dāng)閥門開度直徑大于20 mm時，燃油消耗率呈現(xiàn)隨著閥門開度直徑的增大而降低的趨勢，意味著泵氣損失的主導(dǎo)作用區(qū)域變大。這是因為，中等轉(zhuǎn)速時發(fā)動機(jī)進(jìn)氣匱乏現(xiàn)象減弱，缸內(nèi)燃油能夠充分燃燒，此時指示效率基本不變，燃油消耗率主要受泵氣損失影響。因而，平原地區(qū)發(fā)動機(jī)在閥門開度最大處亦即泵氣損失最小處燃油消耗率最小。而在海拔3 000 m處，環(huán)境壓力的大幅降低使得指示效率的影響變大，因而燃油消耗率在閥門全關(guān)時取得最小值。此外，當(dāng)閥門開度直徑大于45 mm時，閥門開度已足夠大，發(fā)動機(jī)指示效率和泵氣損失基本不變，因而燃油消耗率亦基本不變。

高轉(zhuǎn)速時，進(jìn)氣量更加充足，燃油消耗率與閥門開度的關(guān)系更加復(fù)雜。隨著閥門開度直徑的不斷增大，燃油消耗率呈現(xiàn)出先減小后增大之后又減小的趨勢。平原和海拔1 000 m閥門全開時燃油消耗率最小，海拔3 000 m處閥門開度直徑為15 mm時燃油消耗率最小。這是因為，閥門開度直徑在0 mm到15 mm區(qū)間時，較小的閥門開度下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量仍然充足，其指示效率基本不變，而泵氣損失減小，兩者綜合作用導(dǎo)致燃油消耗率隨閥門開度的增大而減小。而當(dāng)閥門開度繼續(xù)增大時，較大的閥門開度減小了進(jìn)氣量，使得發(fā)動機(jī)指示效率的主導(dǎo)作用加強(qiáng)，燃油消耗率增加。之后，在燃油消耗率達(dá)到極大值后，隨著閥門開度的進(jìn)一步增大，發(fā)動機(jī)指示效率減小趨緩，而泵氣損失大幅減小，最終導(dǎo)致燃油消耗率減小。

2.2.2 中高負(fù)荷區(qū)域變海拔調(diào)節(jié)規(guī)律

中高負(fù)荷時，由于發(fā)動機(jī)的燃油消耗率隨閥門開度直徑的變化規(guī)律類似，因而只計算75%負(fù)荷工況。如上節(jié)所述，選取1 500，1 800，2 200 r/min為低、中、高轉(zhuǎn)速，選取0，1 000，3 000 m不同海拔。計算得到中高負(fù)荷區(qū)域發(fā)動機(jī)燃油消耗率隨渦輪旁通閥開度直徑的變化關(guān)系(見圖8和圖9)。

可以看出，高負(fù)荷中等轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速的燃油消耗率都在閥門全關(guān)的時候取得最小值。這是因為，同低負(fù)荷工況相比，高負(fù)荷下發(fā)動機(jī)所需的空氣量隨著噴油量的增大而增大，導(dǎo)致指示效率成為影響燃油消耗率的主導(dǎo)因素。因而，當(dāng)高壓級渦輪閥門全關(guān)時，此時壓氣機(jī)壓比最大，進(jìn)氣量最充足，發(fā)動機(jī)指示效率最高，燃油消耗率最低。

高負(fù)荷高轉(zhuǎn)速工況下，燃油消耗率最小值出現(xiàn)在閥門開度直徑10 mm左右。這是由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)氣量逐漸充足導(dǎo)致的。在閥門開度直徑從0 mm開到10 mm的過程中，發(fā)動機(jī)的指示效率基本不變，而泵氣損失減小，兩者的綜合作用導(dǎo)致燃油消耗率減小。

3 變海拔全工況燃油消耗特性影響因素分布及最佳閥門開度

3.1 變海拔全工況燃油消耗特性影響因素分布

由上節(jié)高壓級渦輪旁通閥開度對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的影響關(guān)系可知，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷以及不同海拔下時，影響發(fā)動機(jī)燃油消耗率的主導(dǎo)因素是不同的。部分工況下泵氣損失起主導(dǎo)作用，而部分工況下指示效率起主導(dǎo)作用。變海拔全工況燃油消耗特性影響因素分布見圖10。

可以看出，同一海拔下，柴油機(jī)燃油消耗率的主要影響因素區(qū)域分為三塊。高負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動機(jī)指示效率對燃油消耗率起主導(dǎo)作用。低負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動機(jī)泵氣損失對燃油消耗率起主導(dǎo)作用。而中間區(qū)域則是指示效率與泵氣損失的綜合影響區(qū)域。這是因為，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工況時，進(jìn)氣量不足導(dǎo)致發(fā)動機(jī)指示效率較低，此時提高進(jìn)氣量能夠明顯改善燃燒，降低燃油消耗率。當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷高轉(zhuǎn)速工況時，進(jìn)氣量充足，發(fā)動機(jī)指示效率高，燃燒充分，此時提高進(jìn)氣量只會造成泵氣損失的增加，燃油消耗率下降?？偟膩碚f，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高、負(fù)荷的減小，泵氣損失對燃油消耗率的影響作用逐漸變大。

比較不同海拔下燃油消耗特性影響因素分布圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著海拔的升高，指示效率主導(dǎo)區(qū)逐漸變大，綜合影響區(qū)與泵氣功主導(dǎo)區(qū)逐漸變小。分析可知，隨著海拔的升高，大氣環(huán)境壓力的降低導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣不足的程度加大，因而海拔越高，指示效率主導(dǎo)區(qū)越大，綜合影響區(qū)和泵氣功損失區(qū)相對越小。

3.2 變海拔全工況最佳閥門開度

以最佳燃油經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)并考慮發(fā)動機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時的安全性，結(jié)合上述計算結(jié)果得到變海拔全工況最佳閥門開度(見圖11)。由圖11可以看出，在轉(zhuǎn)速和負(fù)荷相同的情況下，高壓級渦輪旁通閥的開度隨著海拔的上升而減小。平原地區(qū)，旁通閥開度普遍較大，用以防止高壓級渦輪的超速以及最高燃燒壓力過高等不良現(xiàn)象。而高海拔地區(qū)，旁通閥開度普遍較小，大部分處于關(guān)閉狀態(tài)，主要是為了保障發(fā)動機(jī)足夠的進(jìn)氣量，從而使發(fā)動機(jī)具有良好的動力性能。

4 結(jié)論

a) 通過仿真計算，發(fā)現(xiàn)閥門開度是通過發(fā)動機(jī)指示效率及泵氣損失對燃油消耗率產(chǎn)生影響的，提高指示效率和降低泵氣損失都能夠達(dá)到降低燃油消耗率的目的；

b) 變海拔全工況燃油消耗特性影響因素分布區(qū)域主要分為指示效率主導(dǎo)區(qū)、泵氣功主導(dǎo)區(qū)以及綜合影響區(qū)三塊，隨著海拔的升高，指示效率主導(dǎo)區(qū)逐漸擴(kuò)大，泵氣功主導(dǎo)區(qū)域與綜合影響區(qū)域逐漸減?。?/p>

c) 變海拔全工況下渦輪旁通閥最佳閥門開度規(guī)律是，隨著海拔的升高，閥門開度不斷減?。黄皆偷秃０蔚貐^(qū)，較大的閥門開度能夠避免增壓器超速和最高燃燒壓力過高；高海拔地區(qū)，較小的閥門開度能夠保障發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，使燃燒充分。

[1] 張志強(qiáng),何勇靈,韓志強(qiáng),等.高原環(huán)境對車用柴油機(jī)的影響分析及對策[J].裝備環(huán)境工程,2009,6(2):27-31.

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[9] 劉博.柴油機(jī)可調(diào)二級渦輪增壓系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2011.

[編輯： 潘麗麗]

Steady Regulation on Plateau for Diesel Engine with Two-stage Turbocharging System

ZHANG Laitao1， XU Yan2， LIU Sheng3， LI Qi1， SHI Lei1， DENG Kangyao1， YANG Zhenhuan3

(1. Key Laboratory for Power Machinery & Engineering of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China; 2. Academy of chinese weapon science, Beijing 100089, China;3. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The model of a V-type diesel engine was built with GT-Power and was matched with the adjustable two-stage turbocharging system. The effect of bypass valve opening for high pressure turbine on fuel consumption rate was calculated at different altitudes. The results show that the bypass valve opening has an indirect effect on fuel consumption rate through engine indicated efficiency and pumping loss. Under the same condition, the regulation regions are divided into engine indicated efficiency dominant region, pumping loss dominant region and their joint working region according to the main influencing factors. Moreover, the engine indicated efficiency dominant region expands and the pumping loss dominant region shrinks with the rise of altitude. Finally, the best valve opening for engine full working conditions at different altitudes is acquired based on the best fuel consumption rate.

diesel engine； plateau； two-stage turbocharging； brake specific fuel consumption; simulation

2015-05-04；

2015-07-09

張來濤(1986—)，男，碩士，研究方向為內(nèi)燃機(jī)增壓與性能；ltzhang89@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.006

TK421.8

B

1001-2222(2015)05-0031-06