基于變海拔功率恢復(fù)的增壓系統(tǒng)匹配計(jì)算研究

謝海江， 李華雷， 邢衛(wèi)東

(1. 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系, 河南 鄭州 450121； 2. 中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司， 上海 200241； 3. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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基于變海拔功率恢復(fù)的增壓系統(tǒng)匹配計(jì)算研究

謝海江1， 李華雷2， 邢衛(wèi)東3

(1. 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系, 河南 鄭州 450121； 2. 中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司， 上海 200241； 3. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

針對(duì)柴油機(jī)的變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)，進(jìn)行了以增壓壓力恢復(fù)為目標(biāo)的廢氣放氣式增壓系統(tǒng)匹配計(jì)算，確定了壓氣機(jī)和渦輪特性。在該匹配方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了柴油機(jī)變海拔運(yùn)行范圍的性能計(jì)算，得到了不同海拔高度的增壓壓力MAP圖，并以目標(biāo)增壓壓力為基準(zhǔn)，根據(jù)放氣閥的切換邊界線確定了放氣閥變海拔控制策略。研究結(jié)果表明：采用該匹配方案可以在海拔3 000 m和平原工況實(shí)現(xiàn)增壓壓力恢復(fù)，但在高海拔高轉(zhuǎn)速工況下可能超速；隨著海拔高度的降低，柴油機(jī)外特性扭矩值逐漸減小，而廢氣放氣閥關(guān)閉狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域逐漸減小，廢氣放氣閥調(diào)節(jié)狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域逐漸增大。

柴油機(jī)； 功率恢復(fù)； 變海拔； 增壓系統(tǒng)； 控制策略

我國(guó)高原、山地地貌分布廣闊，其中海拔3 000 m以上的高原地區(qū)約占國(guó)土面積的25%。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行于高海拔地區(qū)時(shí)，環(huán)境壓力的減小使得柴油機(jī)的進(jìn)氣量不足，出現(xiàn)功率下降，燃油消耗率增加，最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速移動(dòng)等問(wèn)題[1-4]，海拔越高,增壓壓力變化幅度越明顯，柴油機(jī)性能惡化, 難以保證其正常運(yùn)行。

采用增壓技術(shù)可以有效改善柴油機(jī)的變海拔性能。海拔高度升高使得渦輪背壓降低，導(dǎo)致渦輪膨脹比和渦輪功增加，進(jìn)而使得壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的增壓比增大，這被稱為增壓系統(tǒng)的自補(bǔ)償作用。但其自補(bǔ)償作用只能在較低的海拔范圍內(nèi)使增加的渦輪功滿足柴油機(jī)所需的增壓壓力，不足以滿足柴油機(jī)較大海拔范圍內(nèi)的變海拔運(yùn)行要求[5-6]。

廢氣放氣式增壓系統(tǒng)因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)型式和控制方式得到廣泛應(yīng)用。可以通過(guò)確定合適的匹配方案來(lái)提升柴油機(jī)的變海拔性能和實(shí)現(xiàn)功率恢復(fù)，使渦輪做功能力與放氣閥調(diào)節(jié)合理匹配，在各海拔高度下為柴油機(jī)提供合適的進(jìn)氣量，進(jìn)而保證柴油機(jī)的功率輸出。傳統(tǒng)匹配方法的基本思想是在平原或某一固定海拔工況進(jìn)行增壓系統(tǒng)的匹配和選型，在匹配過(guò)程中為高海拔工況留出一定余量，保證在每個(gè)海拔高度下具有足夠的喘振裕度和超速裕度，其匹配方案的可行性往往要通過(guò)柴油機(jī)變海拔性能試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，而變海拔性能試驗(yàn)需要很大的財(cái)力支持，同時(shí)其耗費(fèi)的時(shí)間、人力等成本也很高[7-14]。

本研究針對(duì)變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)，以在高海拔下實(shí)現(xiàn)原機(jī)平原增壓壓力水平為目標(biāo)，進(jìn)行了增壓系統(tǒng)方案的匹配計(jì)算，確定了合適的壓氣機(jī)和渦輪[15-16]，并確定了放氣閥變海拔控制策略，為柴油機(jī)變海拔功率恢復(fù)的增壓系統(tǒng)匹配方案確定和控制策略制定提供支撐。

1 仿真計(jì)算模型的建立與校核

本研究選用的機(jī)型為D6114ZLQB渦輪增壓直噴柴油機(jī)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 D6114柴油機(jī)主要性能參數(shù)

采用GT-Power軟件建立D6114柴油機(jī)原機(jī)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的模擬計(jì)算。進(jìn)排氣管路采用一維簡(jiǎn)化方式，中冷器模型的建立基于Pipe模塊通過(guò)增大管壁面積、設(shè)定目標(biāo)壁溫、增大傳熱系數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用韋伯模型進(jìn)行缸內(nèi)燃燒過(guò)程的模擬，通過(guò)woschni模型模擬缸內(nèi)傳熱。渦輪和壓氣機(jī)模型采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖譜離散輸入，渦輪增壓器采用圖譜離散數(shù)據(jù)形式輸入，并根據(jù)原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)柴油機(jī)功率、燃油消耗率和增壓壓力等性能參數(shù)進(jìn)行校核，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1。

可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好，整體趨勢(shì)也一致，性能參數(shù)相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，表明計(jì)算模型具有足夠的精度，可以很好地表征發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。

圖1 計(jì)算結(jié)果與原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 增壓系統(tǒng)匹配方案確定

本研究采用廢氣放氣式增壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的變海拔功率恢復(fù)，并將功率恢復(fù)目標(biāo)定為海拔3 000 m范圍內(nèi)功率不降。不同海拔下環(huán)境壓力和溫度的變化情況見(jiàn)表2。

表2 變海拔條件大氣環(huán)境參數(shù)

根據(jù)廢氣放氣式增壓系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)節(jié)特性，選擇海拔3 000 m的最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速作為增壓系統(tǒng)的第一匹配點(diǎn)，匹配目標(biāo)是在海拔3 000 m工況下使柴油機(jī)的增壓壓力恢復(fù)到原機(jī)平原水平。原機(jī)最大扭矩點(diǎn)增壓壓力為200 kPa，而海拔3 000 m的環(huán)境壓力為70 kPa，據(jù)此計(jì)算得到此時(shí)增壓系統(tǒng)所需提供的增壓比為2.86；根據(jù)最大扭矩點(diǎn)進(jìn)氣流量、海拔3 000 m的環(huán)境壓力和環(huán)境溫度，計(jì)算得到相應(yīng)的折合流量為0.231 kg/s。選擇平原的標(biāo)定轉(zhuǎn)速作為增壓系統(tǒng)的第二匹配點(diǎn)，采用同樣的方法計(jì)算得到此時(shí)增壓系統(tǒng)所需提供的增壓比為2，相應(yīng)的折合流量為0.303 kg/s。

壓氣機(jī)特性的確定需要根據(jù)這兩個(gè)匹配點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，其主要原因是海拔3 000 m最大扭矩點(diǎn)處增壓系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)最大的壓比，而平原工況的標(biāo)定轉(zhuǎn)速處增壓系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)最大的折合流量，而最大壓比和最大折合流量是選擇壓氣機(jī)特性的重要依據(jù)。根據(jù)這兩個(gè)匹配點(diǎn)的壓比和折合流量，確定霍尼韋爾公司生產(chǎn)的GT3776壓氣機(jī)為廢氣放氣式增壓系統(tǒng)的壓氣機(jī)元件，計(jì)算得到的匹配點(diǎn)在該壓氣機(jī)特性圖中的位置見(jiàn)圖2。

圖2 壓氣機(jī)特性的選配結(jié)果

在確定壓氣機(jī)特性以后，對(duì)于渦輪特性，則是只選擇海拔3 000 m的最大扭矩點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。其主要原因是對(duì)于車用柴油機(jī)而言，最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，而增壓系統(tǒng)匹配希望不同海拔下柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍變化不大，因此選擇高海拔的最大扭矩點(diǎn)主要是為了保證此工況下的渦輪功率輸出足以實(shí)現(xiàn)增壓系統(tǒng)的最大壓比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所需的進(jìn)氣量，以達(dá)到保持柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍的目的。

針對(duì)第一匹配點(diǎn)工況，得到此時(shí)的壓氣機(jī)效率，再根據(jù)渦前溫度和渦輪增壓器的功率平衡關(guān)系式，計(jì)算得到增壓系統(tǒng)所需的渦輪膨脹比和相似流量，并選擇相應(yīng)合適的渦輪特性，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 渦輪特性選配結(jié)果

從圖3中可以看出，所選配的渦輪等效面積要小于原機(jī)渦輪，以此來(lái)提供相應(yīng)所需的渦輪膨脹比和渦輪功，進(jìn)而強(qiáng)化壓氣機(jī)壓縮進(jìn)氣的作用，實(shí)現(xiàn)在海拔3 000 m最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的增壓壓力恢復(fù)。將選配的壓氣機(jī)和渦輪特性輸入GT-Power計(jì)算模型，驗(yàn)證采用該增壓系統(tǒng)方案時(shí)增壓壓力的恢復(fù)情況，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同海拔下增壓壓力的恢復(fù)情況

從圖4中可以看出，柴油機(jī)與該增壓系統(tǒng)匹配方案的聯(lián)合運(yùn)行使得海拔3 000 m工況時(shí)柴油機(jī)的增壓壓力在1 100 r/min以上恢復(fù)到原機(jī)平原水平，但受限于壓氣機(jī)的運(yùn)行范圍，在1 600 r/min以上增壓系統(tǒng)可能出現(xiàn)超速的情況(見(jiàn)圖5)；但在800～1 000 r/min的低轉(zhuǎn)速工況的增壓壓力低于原機(jī)平原水平，但也明顯高于原機(jī)在相同海拔下的增壓壓力。在平原工況下通過(guò)廢氣放氣閥的開(kāi)度調(diào)整，采用該匹配方案可以使柴油機(jī)的增壓壓力與原機(jī)平原水平相同?？梢?jiàn)，該匹配方案可以在不同海拔下實(shí)現(xiàn)增壓壓力恢復(fù)目標(biāo)，而高海拔高轉(zhuǎn)速工況下可能出現(xiàn)超速的現(xiàn)象，表明受限于增壓系統(tǒng)的特性范圍，該匹配方案只能在有限的柴油機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)增壓壓力恢復(fù)以及相應(yīng)的柴油機(jī)功率恢復(fù)目標(biāo)。

圖5 不同海拔下增壓系統(tǒng)運(yùn)行線

3 放氣閥變海拔控制策略

對(duì)于廢氣放氣式增壓系統(tǒng)而言，根據(jù)匹配點(diǎn)工況要求所確定的壓氣機(jī)和渦輪特性，在其他工況點(diǎn)需要通過(guò)調(diào)節(jié)廢氣放氣閥的開(kāi)度來(lái)適應(yīng)不同工況下的增壓比和流量的需求變化。而變海拔工況在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速和扭矩運(yùn)行范圍的基礎(chǔ)上增加了海拔高度這一變量，使得控制難度加大，因此基于增壓系統(tǒng)匹配方案確定相應(yīng)廢氣放氣閥的變海拔控制策略就變得非常重要，通過(guò)制定合理的控制策略才能保證柴油機(jī)與增壓系統(tǒng)的正常聯(lián)合運(yùn)行。

根據(jù)上述的廢氣放氣式增壓系統(tǒng)匹配方案，采用GT-Power計(jì)算模型在不同海拔下進(jìn)行轉(zhuǎn)速和扭矩所構(gòu)成的柴油機(jī)運(yùn)行范圍的性能計(jì)算，得到不同海拔下的增壓壓力MAP圖(見(jiàn)圖6)。

從圖6中可以看出，增壓壓力的等值線走向都是從低轉(zhuǎn)速高扭矩延伸至高轉(zhuǎn)速低扭矩，其與柴油機(jī)功率等值線圖的走向趨勢(shì)相一致，這說(shuō)明增壓壓力表征了柴油機(jī)的進(jìn)氣量，而進(jìn)氣量水平與柴油機(jī)功率輸出呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，可見(jiàn)在變海拔工況下增壓壓力恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)功率恢復(fù)的前提。因此以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)變海拔功率恢復(fù)為目標(biāo)的放氣閥控制策略的確定要以增壓壓力MAP圖為基礎(chǔ)，以保證不同海拔下柴油機(jī)的充足進(jìn)氣量為前提條件。

圖6 不同海拔下的增壓壓力MAP圖

根據(jù)增壓系統(tǒng)的匹配方案可知，該匹配方案中渦輪特性的確定是以海拔3 000 m最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)增壓壓力200 kPa來(lái)選配的。隨著海拔高度降低，環(huán)境壓力逐漸增加，此時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)增壓壓力所需要的增壓系統(tǒng)壓比會(huì)逐漸減小，如果繼續(xù)保持廢氣放氣閥關(guān)閉，則會(huì)導(dǎo)致渦輪做功能力大于目標(biāo)增壓壓力所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)耗功需求，則造成增壓壓力過(guò)高，柴油機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)增壓過(guò)度、最高燃燒壓力超限等機(jī)械負(fù)荷方面的問(wèn)題。因此隨著海拔高度降低，應(yīng)該逐漸開(kāi)啟廢氣放氣閥來(lái)調(diào)節(jié)增壓系統(tǒng)的壓縮進(jìn)氣能力，保證柴油機(jī)所需的合適增壓壓力水平。在不同海拔高度下制定放氣閥的控制策略應(yīng)該以目標(biāo)增壓壓力為基礎(chǔ)，這樣既可以保證增壓壓力和柴油機(jī)的變海拔功率恢復(fù)，也可以防止柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷加重這一問(wèn)題。

綜上所述，根據(jù)不同海拔高度下的增壓壓力MAP圖以及目標(biāo)增壓壓力200 kPa，得到放氣閥的切換邊界線(見(jiàn)圖7)?？梢钥闯?，隨著海拔高度增加，柴油機(jī)外特性曲線逐漸下降，低轉(zhuǎn)速工況的變化幅度不大，而高轉(zhuǎn)速工況下變化幅度較大，相同轉(zhuǎn)速下其所對(duì)應(yīng)的扭矩值減小了很多，這是由于該匹配方案的壓氣機(jī)特性范圍限制，使得高海拔下高轉(zhuǎn)速工況的扭矩輸出受限于壓氣機(jī)的超速線，使得壓比和折合流量無(wú)法繼續(xù)增加，否則將可能產(chǎn)生增壓系統(tǒng)超速。

圖7 不同海拔下放氣閥的切換邊界線

放氣閥的切換邊界線表征了廢氣放氣閥從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換到調(diào)節(jié)狀態(tài)的分界線，因此其左下方區(qū)域?yàn)榉艢忾y關(guān)閉狀態(tài)，其右上方為放氣閥調(diào)節(jié)狀態(tài)。從圖7中可以看出，隨著海拔高度的降低，放氣閥的切換邊界線逐漸下降，其中海拔3 000 m到海拔1 000 m之間變化切換邊界線比較明顯，而海拔1 000 m到平原工況之間變化幅度相對(duì)不大。

基于圖7中的放氣閥切換邊界線，以增壓壓力恢復(fù)為目標(biāo)，根據(jù)變海拔性能計(jì)算結(jié)果確定了不同海拔高度下放氣閥控制策略(見(jiàn)圖8)。其中閥門開(kāi)度以放氣流量比來(lái)表示，其定義為流經(jīng)放氣閥的廢氣流量與流經(jīng)放氣閥和渦輪的總廢氣流量的比值。

圖8 放氣閥的變海拔控制策略

從圖8中可以看出，隨著海拔高度降低，廢氣放氣閥關(guān)閉狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域逐漸減小，廢氣放氣閥調(diào)節(jié)狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域需要逐漸增大，而且轉(zhuǎn)速越高，關(guān)閉狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域越小。在相同的高扭矩工況下，如果在低海拔工況下想要繼續(xù)保持目標(biāo)增壓壓力不變，增壓系統(tǒng)需要通過(guò)調(diào)節(jié)放氣閥的開(kāi)度來(lái)改變?cè)鰤合到y(tǒng)的渦輪等效面積和渦輪做功能力，為壓氣機(jī)提供相應(yīng)合適的渦輪膨脹功。

基于匹配方案，增壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變海拔增壓壓力恢復(fù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的功率恢復(fù)目標(biāo)；基于放氣閥變海拔控制策略，增壓系統(tǒng)可以根據(jù)不同工況下柴油機(jī)的進(jìn)氣需求，調(diào)整相應(yīng)的渦輪功水平，保證柴油機(jī)與增壓系統(tǒng)的正常聯(lián)合運(yùn)行。

4 結(jié)論

a) 通過(guò)增壓系統(tǒng)匹配計(jì)算所確定的壓氣機(jī)和渦輪特性，可以在海拔3 000 m和平原工況使柴油機(jī)的增壓壓力恢復(fù)到原機(jī)平原水平；

b) 受限于壓氣機(jī)特性范圍，柴油機(jī)在高海拔高轉(zhuǎn)速工況下可能出現(xiàn)超速，這表明所確定的匹配方案只能在有限的柴油機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)增壓壓力恢復(fù)；

c) 基于柴油機(jī)變海拔功率恢復(fù)的放氣閥控制策略的確定要以增壓壓力MAP圖為基礎(chǔ)，并且在不同海拔下柴油機(jī)的充足進(jìn)氣量為前提條件；

d) 隨著海拔高度的降低，廢氣放氣閥關(guān)閉狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域逐漸減小，廢氣放氣閥調(diào)節(jié)狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域需要逐漸增大，而且轉(zhuǎn)速越高，廢氣放氣閥關(guān)閉狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域越小。

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[編輯： 潘麗麗]

Matching Calculation of Turbocharging System Based on Power Recovery at Different Altitudes

XIE Haijiang1, LI Hualei2, XING Weidong3

(1. Automobile Engineering Department， Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450121， China；2. AECC Commercial Aircraft Co., Ltd.， Shanghai 200241， China；3. China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China)

For the power recovery of diesel engine, the matching calculation of waste-gate turbocharging system was carried out with the purpose of boost pressure recovery and the compressor and turbine characteristic were determined. The performance calculation was carried out within the operating range of diesel engine at different altitudes and the boost pressure MAP diagrams were achieved. The control strategies of waste-gate valve were determined according to the switching boundary linesbased on the target boost pressure. The research result show that the matching scheme can recover the boost pressure at 3 000 m and 0 m, but may overspeed at high altitude and high speed conditions. With the decrease of altitude, the full torque value of diesel engine for every speed decreases. In addition, the operating zone of waste-gate valve closing state reduces and that of waste-gate adjusting state increases with the increase of altitude.

diesel engine； power recovery； different altitudes； turbocharging system； control strategy

2017-02-13；

2017-03-27

謝海江(1978—)，男，講師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化；haijiangsky@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.015

TK421.8

B

1001-2222(2017)03-0082-06