高性能柴油機(jī)兩級(jí)增壓器的匹配開(kāi)發(fā)

吳旭陵,

( 1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438；2.上海內(nèi)燃機(jī)研究所,上海 200438)

0 前言

隨著增壓技術(shù)的不斷發(fā)展，并且單級(jí)渦輪增壓難以同時(shí)兼顧高、低速工況運(yùn)行的要求，對(duì)于一定的排量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)，即意味著增壓壓比的提高。由于受到增壓器壓氣機(jī)出口溫度和最大壓比的限制，對(duì)于功率密度大，且廢氣再循環(huán)(EGR)率要求高的柴油機(jī)，使用單級(jí)增壓已經(jīng)不能滿足壓力提高的要求，因此采用兩級(jí)增壓系統(tǒng)來(lái)滿足需求是較好的選擇。

發(fā)動(dòng)機(jī)上使用兩級(jí)增壓器的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)獲得更高的進(jìn)氣壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和高原適應(yīng)能力；(2)拓寬增壓系統(tǒng)的流量范圍，可以使柴油機(jī)滿足高功率、大扭矩、低油耗的要求；(3)采用一大一小兩個(gè)增壓器，低速區(qū)域采用較小慣量的增壓器，高速區(qū)域采用較大慣量的增壓器，這樣既能有效解決低速時(shí)系統(tǒng)加速滯后，又能滿足了高速時(shí)進(jìn)氣量的需求[1]。

兩級(jí)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)主要有兩種類型：兩級(jí)串聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)和兩級(jí)并聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)。兩級(jí)串聯(lián)式增壓系統(tǒng)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高增壓比，提高低速扭矩特性，以拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)的高扭矩轉(zhuǎn)速范圍[2]。圖1示出了兩級(jí)串聯(lián)式增壓系統(tǒng)。

圖1 兩級(jí)串聯(lián)式增壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)配有高低壓級(jí)增壓系統(tǒng)，通常高壓級(jí)渦輪內(nèi)裝有放氣閥，當(dāng)高壓級(jí)渦輪流通面積不夠時(shí)廢氣閥可以旁通部分廢氣至低壓級(jí)，防止因排氣背壓過(guò)大而引起增壓壓力過(guò)大、增壓器超速、燃油經(jīng)濟(jì)性差的情況出現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，高壓級(jí)渦輪比低壓級(jí)渦輪小，這是為了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，較少的廢氣流量能夠推動(dòng)小型高壓級(jí)渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生足夠的增壓壓力來(lái)提升低速扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸上升，廢氣流量增大，高壓級(jí)渦輪的流通面積過(guò)小，如果不旁通，高壓級(jí)渦輪入口壓力將急劇上升，渦輪機(jī)超速，渦輪功率太大從而使壓氣機(jī)壓比過(guò)高。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，高壓級(jí)渦輪旁通閥完全打開(kāi)，該級(jí)基本不起作用，不再提供發(fā)動(dòng)機(jī)所需增壓壓力，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)向低壓級(jí)過(guò)渡。發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)低壓級(jí)基本不提供增壓壓力；中高轉(zhuǎn)速時(shí)，高壓級(jí)渦輪旁通的廢氣流量推動(dòng)低壓級(jí)渦輪機(jī)工作，產(chǎn)生渦輪功從而提供發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

兩級(jí)并聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)主要用來(lái)解決進(jìn)氣系統(tǒng)流量過(guò)大的問(wèn)題。其中一種典型結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 兩級(jí)并聯(lián)式增壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用兩根排氣總管，每一根總管與1個(gè)渦輪增壓器相連，其中一根總管裝有1個(gè)蝶片閥，通過(guò)該閥的開(kāi)、閉可使系統(tǒng)在1～2個(gè)增壓器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在中、低速時(shí)，排氣系統(tǒng)的蝶片閥關(guān)閉，與之相通的增壓器由于沒(méi)有廢氣通過(guò)而停止工作，由另一增壓器單獨(dú)工作，類似單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，廢氣流量也相應(yīng)增加，逐漸超出單級(jí)增壓器的工作范圍，此時(shí)蝶片閥打開(kāi)，兩增壓器同時(shí)工作。該兩級(jí)并聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)也是由一大一小增壓器組合，低速工況大增壓器不工作，中高速工況時(shí)小增壓器處于高流量區(qū)，大增壓器正常工作。這種類型的增壓系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)增壓器交替工作來(lái)覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)寬廣的流量范圍，但它很難滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高增壓度要求，因此兩級(jí)并聯(lián)式增壓系統(tǒng)的應(yīng)用不及兩級(jí)串聯(lián)式增壓系統(tǒng)廣泛。

1 兩級(jí)串聯(lián)式增壓器的工作原理

根據(jù)以上分析并結(jié)合開(kāi)發(fā)目標(biāo)及同類發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)標(biāo)分析，決定采用串聯(lián)式兩級(jí)增壓系統(tǒng)，其系統(tǒng)控制原理見(jiàn)圖3。

圖3 兩級(jí)增壓器工作原理

圖3中低壓級(jí)增壓器放氣閥(WGV)，控制高速區(qū)域增壓壓力及低壓級(jí)增壓器轉(zhuǎn)速，渦端控制閥(TBV)，控制高、低壓增壓器工作區(qū)域切換及同時(shí)工作時(shí)的排氣能量分配，壓端控制開(kāi)關(guān)閥(CBV)，與TBV閥一起控制高、低壓增壓器的工作區(qū)域及共同作用時(shí)的貢獻(xiàn)量。

2 增壓器參數(shù)選擇

通過(guò)對(duì)標(biāo)以及產(chǎn)品定位，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)目標(biāo)，如外特性、比油耗目標(biāo)、最大爆發(fā)壓力、海拔要求和排氣背壓等影響增壓器選型的主要性能參數(shù)。通過(guò)一維分析完成多種不同型號(hào)增壓器的選型，確定最佳的匹配方案，從而縮短開(kāi)發(fā)周期、降低試驗(yàn)成本。兩級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型建立見(jiàn)圖4。一維模型除發(fā)動(dòng)機(jī)本體部分外，主要包括兩級(jí)增壓器(DTC)、水空中冷器(WCAC)、高壓EGR(HP-EGR)和低壓EGR(LP-EGR)回路幾個(gè)部分。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型

對(duì)6款不同增壓器進(jìn)行了一維仿真，評(píng)估各增壓器的性能，主要評(píng)估內(nèi)容如下：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、油耗是否滿足目標(biāo)要求；

(2)泵氣損失及充氣效率；

(3)進(jìn)排氣壓力、溫度是否超過(guò)增壓器耐受限值；

(4)壓端及渦端效率；

(5)脈譜圖運(yùn)行工況點(diǎn)，以確定是否有足夠的喘振及阻塞裕度[3]。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合考慮上述內(nèi)容選出了最優(yōu)方案(圖5)。該方案中發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行工況點(diǎn)大部分運(yùn)行在脈譜圖中高效區(qū)域，且有足夠的喘振及阻塞裕度。

圖5 最優(yōu)方案增壓器性能分析

圖6示出了對(duì)于兩級(jí)增壓器的協(xié)同工作情況，外特性工況下，兩級(jí)增壓器的配合情況良好。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000～1 500 r/min時(shí)廢氣流量較小時(shí)，僅高壓級(jí)增壓器(HP-TC)工作，通過(guò)高壓級(jí)渦端VGT開(kāi)度控制增壓壓力，CBV、TBV、WGV均處于關(guān)閉狀態(tài)，低壓級(jí)增壓器(LP-TC)僅起到氣體流通作用；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～3 000 r/min時(shí)，廢氣流量增大到一定程度，VGT全開(kāi)，高壓級(jí)渦端流量過(guò)高時(shí)TBV打開(kāi)，通過(guò)TBV的開(kāi)度控制增壓壓力。此時(shí)WGV仍處于關(guān)閉狀態(tài)，兩級(jí)增壓器協(xié)同工作；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000～4 000 r/min時(shí)，排氣流量進(jìn)一步增大時(shí)，VGT、TBV均全開(kāi)，此時(shí)CBV開(kāi)啟，高壓級(jí)增壓器僅起到很小的增壓作用，同時(shí)啟用WGV，以控制增壓壓力及奪壓器運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 兩級(jí)增壓器協(xié)同運(yùn)行情況

3 增壓器設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

研究的柴油機(jī)使用了串聯(lián)式的兩級(jí)增壓器，由于總布置限制，留給增壓器的設(shè)計(jì)空間有限，采用了兩種量產(chǎn)的增壓器平臺(tái)集成在一起的方式構(gòu)建成了兩級(jí)增壓器，如圖7所示，其中高壓級(jí)選用VGT，以獲得優(yōu)良的低速響應(yīng)能力和加速性能，低壓級(jí)選用大流量的WGT廢氣旁通渦輪增壓器，擁有良好的渦端和壓端效率，獲得高功率密度[4]。高低壓兩級(jí)增壓器通過(guò)4個(gè)控制閥達(dá)到不同工況下的性能要求，有效地解決系統(tǒng)加速滯后的問(wèn)題，滿足柴油機(jī)高功率、高扭矩、低油耗的要求。

圖7 兩級(jí)增壓器

3.2 壓端級(jí)間流道設(shè)計(jì)及仿真

充量系數(shù)反映了進(jìn)氣過(guò)程的完善程度，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。提高充量系數(shù)最重要的措施就是降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失。因此壓端進(jìn)氣流道不但會(huì)影響增壓器脈譜圖，還影響了增壓器的性能，另外還會(huì)影響充量系數(shù)進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[5-6]。對(duì)于本文所述的兩級(jí)增壓器，高低壓增壓器本身采用的是量產(chǎn)產(chǎn)品，已經(jīng)得到驗(yàn)證，因此兩級(jí)增壓器間的流道設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響增壓器的性能。根據(jù)總體方案，設(shè)計(jì)了幾種壓端流道，見(jiàn)圖8。

圖8 3種壓端的流道方案

評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣主要根據(jù)總壓降及速度均勻性來(lái)評(píng)估。 通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析，3種方案的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

圖9 壓端進(jìn)氣流道壓力和速度分布結(jié)果

方案總壓壓降/kPa速度均勻性114.90.92723.10.956312.60.887

根據(jù)上述兩個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，可見(jiàn)方案2為最佳方案。

4 性能匹配

4.1 試驗(yàn)工況點(diǎn)選擇

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用情況分析，需要匹配多種車型平臺(tái)，包括輕型車、重型車的應(yīng)用。在選擇試驗(yàn)工況點(diǎn)時(shí)候要綜合考慮各車型平臺(tái)車重及重型和輕型車的區(qū)別，選出適合這兩類車型的試驗(yàn)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，依據(jù)如下原則選擇試驗(yàn)工況點(diǎn)：

(1)綜合考慮輕型車和重型車的外特性；

(2)選擇部分負(fù)荷點(diǎn)，盡量覆蓋輕型車和重型車排放測(cè)試循環(huán)的原則；

(3)考慮重型車的高負(fù)荷并使用EGR的點(diǎn)。

根據(jù)以上原則，表2列出了選擇的試驗(yàn)工況點(diǎn)。

4.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)仿真結(jié)果分析選定增壓器基本型號(hào)后，在該系列內(nèi)選擇了幾種增壓器的細(xì)化方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終確定兩級(jí)增壓器詳細(xì)參數(shù)。表3示出了兩種方案增壓器的主要參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，由于方案2在低轉(zhuǎn)速工況油耗較高，排放較差，并且在額定點(diǎn)功率無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此最終選擇方案1為兩級(jí)增壓器定點(diǎn)方案。

表2 試驗(yàn)工況點(diǎn)

表3 兩級(jí)增壓器型號(hào)及參數(shù)

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

確定了增壓器參數(shù)后，經(jīng)過(guò)一系列其他系統(tǒng)的優(yōu)化，最終經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，得出的結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 匹配外特性曲線

通過(guò)圖10所示的結(jié)果可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能良好，額定功率和峰值扭矩均可以達(dá)到目標(biāo)值。增壓器匹配選型初步完成，滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

5 總結(jié)

雙級(jí)增壓器能夠有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度，從而達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、輕量化的要求。采用該技術(shù)可以全面提升低速扭矩和最大功率，同時(shí)在各個(gè)工況下燃燒充分，降低油耗。

另外，完整的介紹了雙級(jí)增壓器的選型匹配過(guò)程。經(jīng)過(guò)一維性能分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CFD流道優(yōu)化，最終在臺(tái)架上完成了性能驗(yàn)證，達(dá)到開(kāi)發(fā)指標(biāo)。

提出的雙級(jí)增壓器選型匹配方案中，仿真分析、流道優(yōu)化思路以及性能驗(yàn)證工況點(diǎn)的選擇等，都可為其他項(xiàng)目開(kāi)發(fā)思路所借鑒。