變海拔柴油機(jī)增壓系統(tǒng)全工況控制策略研究

李華雷,胡志龍,曹 杰,石 磊，張慧龑，谷允成，鄧康耀

(1.上海交通大學(xué)，動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 2.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241;3.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

2016125

變海拔柴油機(jī)增壓系統(tǒng)全工況控制策略研究

李華雷1,2,胡志龍1,曹 杰3,石 磊1，張慧龑1，谷允成1，鄧康耀1

(1.上海交通大學(xué)，動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 2.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241;3.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

基于柴油機(jī)的變海拔性能恢復(fù)目標(biāo)，通過對(duì)增壓系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)估算和選配，確定了某V型6缸柴油機(jī)與廢氣放氣式增壓系統(tǒng)的匹配方案，并采用GT-Power仿真軟件分別計(jì)算了柴油機(jī)外特性和部分負(fù)荷的變海拔性能，最終確定了增壓系統(tǒng)的全工況控制策略。研究結(jié)果表明：在外特性工況，基于高海拔匹配的增壓系統(tǒng)通過關(guān)閉放氣閥可以滿足柴油機(jī)的進(jìn)氣耗功需求，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)的變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)；隨著海拔高度的降低，增壓系統(tǒng)可以基于進(jìn)氣耗功的變化適當(dāng)開啟放氣閥來保證柴油機(jī)的正常運(yùn)行；在全工況范圍內(nèi)，隨海拔高度的上升，柴油機(jī)對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的放氣閥開度逐漸減小，并在海拔3 000m以上完全關(guān)閉。當(dāng)海拔從0增加到2 000m時(shí)增壓系統(tǒng)放氣流量比的最大值減小了30.7%，最小值減小了65.2%。

柴油機(jī)；增壓系統(tǒng)；控制策略；變海拔

前言

渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用顯著提升了柴油機(jī)的動(dòng)力性能，但對(duì)于流通特性不同而且沒有機(jī)械功傳遞的兩個(gè)獨(dú)立熱力系統(tǒng)，其配合運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一些矛盾，而且隨柴油機(jī)增壓度的提高更加突出[1-2]。在傳統(tǒng)的增壓系統(tǒng)匹配中，選擇合適的柴油機(jī)工況點(diǎn)作為匹配點(diǎn)，根據(jù)匹配點(diǎn)處柴油機(jī)的耗氣需求進(jìn)行壓氣機(jī)選型，再選擇合適的渦輪來滿足在壓氣機(jī)上實(shí)現(xiàn)較高效率的耗氣運(yùn)行點(diǎn)所需的排氣做功能力，從而實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配[3-5]。

增壓系統(tǒng)的匹配過程導(dǎo)致只有在匹配點(diǎn)處壓氣機(jī)耗功與渦輪做功能力達(dá)到了最佳的平衡狀態(tài)。但對(duì)于車用柴油機(jī)而言，復(fù)雜多變的全工況運(yùn)行范圍使得所選配的渦輪增壓器并未運(yùn)行在最佳平衡狀態(tài)，這就需要增壓系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)控制手段來適應(yīng)柴油機(jī)的不同工況需求，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。而柴油機(jī)的變海拔運(yùn)行需求，使柴油機(jī)的運(yùn)行范圍從二維的全工況升級(jí)到不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和海拔高度的三維空間，這給增壓系統(tǒng)控制策略的制定增加了很大的難度。由于傳統(tǒng)的增壓系統(tǒng)匹配很少考慮到海拔高度變化的因素，故在變海拔運(yùn)行時(shí)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，排放性能惡化[6-10]。

針對(duì)增壓柴油機(jī)在高海拔下功率下降和變海拔運(yùn)行增壓系統(tǒng)控制復(fù)雜化的問題，本文中建立了某型柴油機(jī)的仿真模型，并基于柴油機(jī)變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)進(jìn)行了增壓系統(tǒng)參數(shù)估算和匹配；采用仿真模型進(jìn)行了柴油機(jī)變海拔性能仿真計(jì)算，分析研究了柴油機(jī)外特性和部分負(fù)荷的不同控制策略，并確定了變海拔柴油機(jī)增壓系統(tǒng)的全工況控制策略。

1 仿真模型的建立和校核

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。原機(jī)采用V型布置方式，3缸排氣共流入1根排氣管，采用普通單級(jí)增壓方式，有2個(gè)增壓器和2個(gè)中冷器。柴油機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能采用一維流動(dòng)分析軟件GT-Power來仿真計(jì)算。根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際管系尺寸，采用一維簡化方式建立進(jìn)排氣管路模型。采用管路模塊來建立中冷器模型，通過增大管壁面積、設(shè)置合適的壁溫和增大傳熱系數(shù)的方式來模擬其對(duì)進(jìn)氣的冷卻效果。采用韋伯模型模擬缸內(nèi)燃燒過程，woschni模型模擬傳熱過程。渦輪增壓器通過渦輪和壓氣機(jī)特性圖譜離散形式輸入，從而建立了原機(jī)仿真模型。采用原機(jī)海拔3 000m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校核，其對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

由圖可見：原機(jī)的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合，誤差都在5%之內(nèi)；標(biāo)定轉(zhuǎn)速的缸壓計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)也很接近。這說明所建立的仿真模型具有很高的精度，滿足計(jì)算分析要求。

2 變海拔增壓系統(tǒng)的匹配

2.1 增壓系統(tǒng)參數(shù)估算

將柴油機(jī)的變海拔性能恢復(fù)目標(biāo)進(jìn)行如下定義：海拔0時(shí)保持原機(jī)性能；海拔3 000m以下功率恢復(fù)到原機(jī)的100%；海拔4 500m功率恢復(fù)到原機(jī)的90%。根據(jù)原機(jī)性能參數(shù)和變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)，進(jìn)行了變海拔增壓系統(tǒng)參數(shù)估算[11-12]。

根據(jù)海拔3 000m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用油耗線法得到柴油機(jī)的機(jī)械效率ηmH，并計(jì)算機(jī)械損失功率：

(1)

式中：Pe為柴油機(jī)的有效功率；ηmH為海拔3 000m的柴油機(jī)機(jī)械效率。

當(dāng)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)不變時(shí)，機(jī)械損失功率主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以認(rèn)為柴油機(jī)相同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械損失功率不隨海拔高度變化，即認(rèn)為PmH=Pm0。結(jié)合變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)，可以得到柴油機(jī)變海拔工況的機(jī)械效率為

ηmH=PeH/(PeH+PmH)

(2)

式中PeH為變海拔條件下的有效功率。

柴油機(jī)變海拔工況的燃油消耗率beH可以通過下式的燃油消耗率be與機(jī)械效率ηm對(duì)應(yīng)關(guān)系得到：

beH=beηm/ηmH

(3)

(4)

(5)

式中：α為空燃比；pin為增壓壓力。

圖2為增壓系統(tǒng)參數(shù)的估算結(jié)果與原機(jī)壓氣機(jī)特性的對(duì)比。由圖可見：隨著海拔升高，壓比和折合流量逐漸增加，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的運(yùn)行點(diǎn)逐漸靠近壓氣機(jī)喘振線，喘振裕度逐漸減??；而標(biāo)定轉(zhuǎn)速的折合流量隨海拔上升而增加的幅度很大，并在海拔4 500m時(shí)超過原機(jī)壓氣機(jī)最高轉(zhuǎn)速線。這說明原來按照柴油機(jī)平原性能匹配的增壓器已經(jīng)不能滿足柴油機(jī)變海拔工況的需求，需要重新調(diào)整增壓系統(tǒng)方案，提高變海拔適應(yīng)性。

2.2 增壓系統(tǒng)匹配

這里需要柴油機(jī)按照變海拔功率恢復(fù)的要求重新匹配調(diào)整增壓系統(tǒng)。根據(jù)壓比和折合流量的估算結(jié)果，選擇海拔4 500m的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速作為匹配點(diǎn)，應(yīng)盡量使其運(yùn)行點(diǎn)位于壓氣機(jī)的高效率區(qū)，同時(shí)保證壓氣機(jī)特性滿足變海拔工況柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的耗氣特性需求。增壓系統(tǒng)參數(shù)的估算結(jié)果與最終選配的壓氣機(jī)特性圖的對(duì)比情況如圖3(a)所示。可以看出，所選配的壓氣機(jī)能夠滿足海拔4 500m標(biāo)定轉(zhuǎn)速的折合流量要求，而最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)在3個(gè)海拔下的運(yùn)行點(diǎn)都位于壓氣機(jī)的高效率區(qū)，且留有一定的喘振裕度。

在確定壓氣機(jī)特性后，需要進(jìn)行合適的渦輪特性選配。根據(jù)匹配點(diǎn)壓比和進(jìn)氣流量的估算結(jié)果，基于原機(jī)3 000m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)選取渦輪前溫度為750℃，渦輪增壓器總效率為0.5，計(jì)算得到選配渦輪所需的膨脹比和相似流量，并根據(jù)計(jì)算得到的膨脹比和相似流量選擇合適的渦輪，如圖3(b)和圖3(c)所示。

將所選配的渦輪和壓氣機(jī)特性按照等轉(zhuǎn)速線進(jìn)行數(shù)據(jù)離散輸入計(jì)算模型，并加入控制模塊來調(diào)節(jié)放氣閥開度,建立增壓系統(tǒng)的變海拔計(jì)算模型，如圖4所示。按照表2中的壓力和溫度來模擬柴油機(jī)的高原運(yùn)行條件，進(jìn)行了變海拔條件下柴油機(jī)外特性和部分負(fù)荷的性能計(jì)算。

海拔/m壓力/kPa溫度/K0100288.0100090281.5200080275.0300070268.5400062262.0450058258.8

3 結(jié)果分析與比較

3.1 外特性變海拔控制策略

柴油機(jī)外特性性能參數(shù)的變海拔對(duì)比結(jié)果見圖5。由圖可見：采用所匹配的增壓系統(tǒng)，在0-3 000m海拔范圍內(nèi)柴油機(jī)可以保持原機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)功率100%恢復(fù)；在4 500m海拔下，各轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)功率達(dá)到了原機(jī)的90%恢復(fù)。各轉(zhuǎn)速的燃油消耗率隨海拔上升而逐漸增加，經(jīng)濟(jì)性變差。海拔高度從0上升到3 000m時(shí)，最低燃油消耗率從237.7增加到239.4g/(kW·h)，但由于放氣閥的調(diào)節(jié)作用，最低燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速并未向高轉(zhuǎn)速方向移動(dòng)，始終保持在1 700r/min；在海拔4 500m時(shí)，經(jīng)濟(jì)性惡化嚴(yán)重，最低燃油消耗率增加到了243.9g/(kW·h)，與平原相比增加了2.6%。

圖5(c)為外特性空燃比隨海拔高度的變化情況。由圖可見：隨著海拔上升，各轉(zhuǎn)速的空燃比都逐漸減小，其中在0-3 000m海拔范圍內(nèi)空燃比的變化幅度較小，而在3 000-4 500m海拔范圍內(nèi)空燃比下降較快。在同一海拔高度下，空燃比的下降幅度在不同轉(zhuǎn)速下有所不同。低轉(zhuǎn)速工況下降幅度較小，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，空燃比的下降幅度逐漸增大，但高轉(zhuǎn)速的空燃比仍然高于低轉(zhuǎn)速?？杖急认陆当砻鞑裼蜋C(jī)的進(jìn)氣量相對(duì)減小，在相同的壓縮比下使進(jìn)氣過程終止時(shí)氣缸內(nèi)溫度和壓力降低，這就使柴油機(jī)熱力循環(huán)p-V示功圖中的高壓循環(huán)部分的做功能力減小，導(dǎo)致有效熱效率下降，燃油消耗率增加，經(jīng)濟(jì)性惡化(圖5(b))。

外特性最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和標(biāo)定轉(zhuǎn)速的增壓壓力和壓比隨海拔的變化情況如圖6所示。通過調(diào)節(jié)放氣閥，可使兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的增壓壓力在0-3 000m海拔范圍保持不變。而由于功率恢復(fù)目標(biāo)的不同，4 500m海拔下的增壓壓力可以適當(dāng)降低；但增壓系統(tǒng)的壓比隨海拔高度的上升而逐漸增加。海拔高度的升高導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)口壓力減小，想要維持柴油機(jī)的增壓壓力不變或略有下降，需要減小放氣閥開度來提高壓比。兩個(gè)轉(zhuǎn)速下壓比的數(shù)值與增壓系統(tǒng)參數(shù)估算的計(jì)算結(jié)果也相差不大，這表明參數(shù)估算結(jié)果也具有較好的精度。

外特性放氣閥的變海拔控制策略與相應(yīng)的變海拔運(yùn)行線如圖7所示，圖中的放氣流量比定義為流經(jīng)放氣閥的流量與總排氣流量的比值，表征放氣閥的開度。由圖可見，在3 000m以上，放氣閥關(guān)閉來減小渦輪等效流通面積，從而使增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較大的膨脹比，渦輪膨脹做功能力增加。針對(duì)海拔從3 000m減小到0的變化范圍內(nèi)，在相同轉(zhuǎn)速下，其所需的放氣閥開度隨著海拔高度的下降而逐漸增大。但針對(duì)不同的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速放氣閥開度的增加幅度不同，柴油機(jī)從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速變化時(shí)放氣閥開度的增加幅度先減小后增大。這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速工況靠近增壓系統(tǒng)的匹配點(diǎn)，而且低轉(zhuǎn)速工況的運(yùn)行點(diǎn)處在壓氣機(jī)的較高效率區(qū)域，導(dǎo)致在低海拔下得到目標(biāo)增壓壓力所需的壓氣機(jī)耗功變化較小，但根據(jù)高海拔工況所匹配渦輪在平原工況運(yùn)行時(shí)，其做功能力遠(yuǎn)大于壓氣機(jī)的耗功需求，因此需要通過較大的放氣閥開度來防止增壓過度，避免出現(xiàn)過高的爆發(fā)壓力，導(dǎo)致柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷過大。

在高轉(zhuǎn)速工況，雖然壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的效率相對(duì)較低，但此時(shí)柴油機(jī)的進(jìn)排氣量較大，廢氣能量較大，渦輪做功能力也相對(duì)較強(qiáng)。而在低海拔下渦輪的做功能力也相對(duì)較強(qiáng)，因此為防止增壓壓力過高，也需要較大的放氣閥開度來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)增壓壓力。

對(duì)于中間轉(zhuǎn)速工況，其運(yùn)行點(diǎn)的壓氣機(jī)效率要低于低轉(zhuǎn)速工況，因此在各海拔高度下壓氣機(jī)耗功的變化幅度要大于低轉(zhuǎn)速，在低海拔下渦輪的做功能力超過壓氣機(jī)的耗功需求的程度相對(duì)較小。而與高轉(zhuǎn)速工況相比，柴油機(jī)的進(jìn)排氣量較小，廢氣能量也相對(duì)減小。因此在中間轉(zhuǎn)速工況需要采用相對(duì)較小的放氣閥開度來達(dá)到目標(biāo)增壓壓力，使其放氣閥開度的增加幅度也相對(duì)較小。

3.2 部分負(fù)荷變海拔控制策略

在確定了外特性放氣閥控制策略后，進(jìn)行了高低負(fù)荷工況的仿真計(jì)算，以確定適用于部分負(fù)荷工況的放氣閥控制策略。仿真中將每個(gè)轉(zhuǎn)速的外特性下柴油機(jī)循環(huán)噴油量的80%作為高負(fù)荷工況，循環(huán)噴油量的20%作為低負(fù)荷工況。針對(duì)每個(gè)工況點(diǎn)調(diào)整放氣閥開度，通過分析高低負(fù)荷工況下柴油機(jī)的性能變化規(guī)律，確定合適的放氣閥控制策略。

在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷工況，不同放氣閥開度對(duì)柴油機(jī)變海拔性能的影響規(guī)律如圖8所示。為保持原機(jī)功率，需要保證柴油機(jī)的增壓壓力在0-3 000m海拔范圍內(nèi)基本不變，以滿足柴油機(jī)正常燃燒所需的進(jìn)氣量。從圖中可以看出，在增壓壓力保持不變的情況下，柴油機(jī)功率在0-3 000m海拔范圍內(nèi)的變化幅度只有0.7kW，基本保持不變。

在3 000m海拔，為將增壓壓力恢復(fù)到平原水平，需要關(guān)閉放氣閥來提高增壓比；但隨著海拔高度的下降，壓氣機(jī)進(jìn)口壓力逐漸增大，增壓系統(tǒng)不需要提供很高的壓比來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)增壓壓力，因此放氣閥開度逐漸增加。但放氣閥的打開使部分廢氣沒有流經(jīng)渦輪而直接排入大氣，沒有充分利用廢氣能量，導(dǎo)致增壓器效率下降，進(jìn)排氣壓力比逐漸減小，渦前壓力逐漸升高，不利于柴油機(jī)的泵氣過程。

圖9為高負(fù)荷工況變海拔進(jìn)排氣壓力比的變化情況和相應(yīng)的放氣閥控制策略。由圖9(a)可以看出：在同一海拔高度，進(jìn)排氣壓力比隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小，這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速工況的運(yùn)行點(diǎn)處于壓氣機(jī)的高效率區(qū)，而隨著轉(zhuǎn)速的增加，運(yùn)行點(diǎn)逐漸偏離高效率區(qū)，增壓系統(tǒng)效率下降；在同一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，進(jìn)排氣壓力比隨著海拔高度的下降逐漸減小，這是由于在低海拔下由于壓氣機(jī)進(jìn)口壓力逐漸增大，增壓系統(tǒng)所需提供的壓比逐漸減小，因此放氣閥開度逐漸增大，導(dǎo)致增壓系統(tǒng)效率下降。從圖9(b)中可以看出：在3 000m海拔以上，放氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)；在2 000-3 000m海拔范圍內(nèi)，不同轉(zhuǎn)速下的放氣閥開度基本不變；在0-2 000m海拔范圍內(nèi)放氣閥開度出現(xiàn)明顯變化，低轉(zhuǎn)速工況的放氣閥開度明顯大于高轉(zhuǎn)速工況。

圖10為高負(fù)荷工況變海拔燃油消耗率的變化情況?？梢钥闯?，所匹配的增壓系統(tǒng)通過控制放氣閥的開度恢復(fù)了柴油機(jī)的增壓壓力，但柴油機(jī)的最低燃油消耗率仍然出現(xiàn)在低海拔低轉(zhuǎn)速工況。這說明雖然柴油機(jī)在變海拔工況的動(dòng)力性能得到了改善，但在高海拔下柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性仍然低于平原或低海拔工況。

在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷工況，不同放氣閥開度對(duì)柴油機(jī)變海拔性能的影響規(guī)律如圖11所示?？梢钥闯?，雖然增壓壓力隨海拔高度的下降而逐漸增加，但由于低負(fù)荷工況下柴油機(jī)的空燃比較大，增壓壓力的增加未能提高柴油機(jī)的指示熱效率，改善燃燒過程，反而增加了渦前壓力，導(dǎo)致泵氣過程有所惡化，泵氣損失增加，功率下降。而進(jìn)排氣壓力的增加幅度相差不大，使泵氣過程惡化得并不嚴(yán)重，使在0-3 000m海拔范圍內(nèi)功率增加幅度只有0.8kW。

與高負(fù)荷工況相似，放氣閥開度隨海拔高度的降低也逐漸增加，但在0-2 000m海拔范圍內(nèi)變化幅度較小，相應(yīng)地增壓系統(tǒng)壓比變化幅度也較小，而在2 000-3 000m海拔范圍內(nèi)兩者的變化幅度都較大。

圖12為低負(fù)荷工況變海拔進(jìn)排氣壓力比的變化情況和相應(yīng)的放氣閥控制策略。由圖12(a)可以看出：在同一海拔高度，進(jìn)排氣壓力比隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速工況時(shí)柴油機(jī)進(jìn)氣量要大于低轉(zhuǎn)速工況，廢氣能量也相對(duì)較大，導(dǎo)致渦輪做功能力較大，使得增壓系統(tǒng)效率相對(duì)較高；而在相同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)排氣壓力比隨著海拔高度的下降逐漸減小，其原因與高負(fù)荷工況時(shí)一樣。從圖12(b)中可以看出：在3 000m海拔以上，放氣閥也處于關(guān)閉狀態(tài)；在1 000-3 000m海拔范圍內(nèi)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，放氣閥開度先減小后增大；在0-1 000m海拔范圍內(nèi)放氣閥開度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小。而在同一轉(zhuǎn)速下，放氣閥開度隨海拔高度的下降而逐漸增大。

圖13為低負(fù)荷工況變海拔燃油消耗率的變化情況?？梢钥闯觯诘拓?fù)荷工況下，柴油機(jī)的最低燃油消耗率出現(xiàn)在高海拔低轉(zhuǎn)速工況，而隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加和海拔高度的下降，燃油消耗率逐漸增加，這主要是由于低負(fù)荷工況采用了圖12(b)的放氣閥控制策略導(dǎo)致的。在柴油機(jī)低負(fù)荷工況由于循環(huán)噴油量較小，其所需提供的增壓壓力也較低，使得壓氣機(jī)壓比都很小，其所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)效率變化不大。在高海拔工況下廢氣放氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著海拔的降低廢氣放氣閥逐漸打開，使得增壓系統(tǒng)渦輪端效率逐漸減小，渦輪增壓器總效率也逐漸下降，柴油機(jī)熱力循環(huán)中的泵氣過程逐漸惡化，導(dǎo)致燃油消耗率逐漸增加。

3.3 全工況變海拔控制策略

根據(jù)外特性和部分負(fù)荷的放氣閥控制策略分析結(jié)果，可以得到柴油機(jī)應(yīng)用廢氣放氣增壓系統(tǒng)進(jìn)行變海拔功率恢復(fù)所需采取的全工況放氣閥控制策略，如圖14所示。

可以看出，隨著海拔高度的增加，對(duì)于相同轉(zhuǎn)速、相同平均有效壓力的柴油機(jī)工況點(diǎn)，放氣閥開度逐漸減小，直至在3 000和4 500m海拔完全關(guān)閉。當(dāng)海拔高度從0增加到2 000m，放氣閥放氣流量比的最大值從0.122減小到0.084 5，放氣閥放氣流量比的最小值從0.065 4減小到0.024 5；而在3 000和4 500m海拔范圍內(nèi)放氣閥需要完全關(guān)閉來盡量減小渦輪等效流通面積，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)增壓壓力，提高柴油機(jī)變海拔適應(yīng)性。

4 結(jié)論

針對(duì)某V型柴油機(jī)的變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)，進(jìn)行了增壓系統(tǒng)參數(shù)估算和增壓器選型。通過GT-Power計(jì)算模型的建立和原機(jī)海拔3 000m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核，針對(duì)廢氣放氣式增壓系統(tǒng)，采用該計(jì)算模型進(jìn)行了變海拔性能仿真分析，得到以下結(jié)論。

(1) 所匹配的廢氣放氣式增壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)變海拔的功率恢復(fù)目標(biāo)。

(2) 在外特性工況，在3 000和4 500m的高海拔工況，需要關(guān)閉放氣閥來增加渦輪做功能力。在同一轉(zhuǎn)速下隨海拔高度的下降，放氣閥開度逐漸增大，而且隨轉(zhuǎn)速增加，放氣閥開度的增加幅度先減小后增大。

(3) 高低負(fù)荷工況下需要采取的放氣閥控制策略也不同。在高負(fù)荷工況，中間海拔下不同轉(zhuǎn)速的放氣閥開度基本不變，在較低海拔下低轉(zhuǎn)速工況的放氣閥開度小于高轉(zhuǎn)速工況；在低負(fù)荷工況，中間海拔的放氣閥開度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而先減小后增大，而低海拔的放氣閥開度隨轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小。

(4) 在低海拔范圍內(nèi)隨海拔的上升，柴油機(jī)全負(fù)荷工況的放氣閥開度需要逐漸減??；而在3 000和4 500m的高海拔工況，放氣閥要完全關(guān)閉。

[1] MEIER E. Part-load operation of very high turbocharged four-stroke marine diesel engines[C]. Moteurs Diesel. Congrès International des Machines à Combustion.15.1983:1549-1569.

[2] MAGNET J L, Brisson R. Running at partial loads of the very high specific power engines[C]. Moteurs Diesel. Congrès International des Machines à Combustion.15.1983:1517-1547.

[3] HIERETH H, PRENNINGER P. Charging the internal combustion engine[M]. Springer Science & Business Media,2007.

[4] BAINES Nicholas C. Fundamentals of Turbocharging[M]. U.S.A: Concepts NREC,2005.

[5] WATSON N, JANOTA M S. Turbocharging: The internal combustion engine[M]. The Macmillan Press Ltd,1982.

[6] 楊勇,李志剛,沈宏繼,等.風(fēng)冷柴油機(jī)高原恢復(fù)功率臺(tái)架模擬試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2005(2):13-15.

[7] 劉瑞林,劉宏威,秦德.渦輪增壓柴油機(jī)高海拔(低氣壓)性能試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2003,21(3):213-216.

[8] 劉剛,劉瑞林,等.SOFM8142.43柴油機(jī)增壓器高原匹配模擬試驗(yàn)研究[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào),2010,12(1):47-50.

[9] 周廣猛,劉瑞林,董素榮,等.高壓共軌柴油機(jī)高海拔(低氣壓)燃燒特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2012,30(3):220-226.

[10] 郭猛超,張晶,孫志新,等.高原運(yùn)行柴油機(jī)增壓技術(shù)應(yīng)用綜述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,12:264-266.

[11] 施新,李文祥.匹配二級(jí)順序增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)高原特性仿真[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(4):397-402.

[12] 劉系暠,魏名山,馬朝臣,等.不同海拔下單級(jí)和二級(jí)增壓柴油機(jī)的仿真[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2010,28(5):447-452.

[13] 朱振夏,張付軍,韓愷,等.柴油機(jī)高原功率恢復(fù)供油參數(shù)調(diào)節(jié)方法[J].兵工學(xué)報(bào),2014,35(5):583-589.

[14] 韓愷,朱振夏,張付軍,等.可調(diào)復(fù)合增壓柴油機(jī)高原功率恢復(fù)方案研究[J].兵工學(xué)報(bào),2013,34(2):129-136.

[15] 顧宏中.渦輪增壓柴油機(jī)性能研究[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1998.

[16] 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992:171-173.

[17] 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

A Research on the Full Condition Control Strategy for theTurbocharging System of Diesel Engines at Varying Altitudes

Li Hualei1,2, Hu Zhilong1, Cao Jie3, Shi Lei1, Zhang Huiyan1, Gu Yuncheng1& Deng Kangyao1

1.ShanghaiJiaoTongUniversity,KeyLaboratoryforPowerMachineryandEngineeringofMinistryofEducation,Shanghai200240;2.AVICCommercialAircraftEngineCo.,Ltd.,Shanghai200241; 3.ChinaNorthEngineResearchInstitute(Tianjin),Tianjin300400

Based on the goals for the performance recovery of diesel engine at different altitudes, and through the parameter estimation and matching of turbocharging system, the matching scheme between a V type six-cylinder diesel engine and the turbocharging system with exhaust gas relieve valve is determined. The external characteristic and part load characteristics of diesel engine at varying altitudes are calculated with GT-Power simulation software, and the full condition control strategy of turbocharging system is finally worked out. The simulation results show that in full load condition, the turbocharging system based on high-altitude match can meet the requirement of air induction work consumed by closing exhaust gas release valve, achieving the goal of power recovery of diesel engine at varying altitudes. With the fall of altitude, the turbocharging system can appropriately open the release valve based on the change in induction work consumed to ensure the normal operation of diesel engine. In full range of working conditions, the opening of release valve will gradually reduce with the increase of altitude, and completely shut down when altitude is above 3000m.

diesel engine; turbocharging system; control strategy; varying altitudes

原稿收到日期為2015年5月14日，修改稿收到日期為2015年8月14日。