采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)優(yōu)化7.8 L柴油機(jī)的穩(wěn)態(tài)效率和排放性能

【日】 B.SUELTER T.ITOU T.WALDRON J. BRIN

0 前言

機(jī)械驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓系統(tǒng)能夠控制渦輪轉(zhuǎn)軸的速度，由此不僅可以提供高效的增壓壓力，而且能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪功率的輸出。發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過該裝置控制增壓壓力和空氣流量，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況實(shí)現(xiàn)性能和排放的最優(yōu)化[1]。機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)具有較多優(yōu)點(diǎn)，包括瞬態(tài)循環(huán)效率、冷起動(dòng)性能、低氮氧化物(NOx)排放性能、小型化、降轉(zhuǎn)速、后處理需求的減小、發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的提升和更為簡(jiǎn)單的性能優(yōu)化控制算法等[2]。本研究重點(diǎn)闡述了7.8 L柴油機(jī)采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)獲得的穩(wěn)態(tài)效率。

日本五十鈴汽車公司認(rèn)為，對(duì)于商用車而言，未來柴油機(jī)動(dòng)力仍是主流，提高商用車的燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)于抑制全球氣候變暖是非常重要的[3-4]。五十鈴汽車公司重點(diǎn)關(guān)注能夠高效利用廢氣能量的機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)，將其作為改進(jìn)柴油機(jī)燃油效率的1項(xiàng)措施[5]。廢氣渦輪增壓器只能在可獲得足夠廢氣能量的工況下發(fā)揮作用，但是機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置將渦輪軸和曲軸直接連接，可以回收更多的廢氣能量，減小廢氣能量損失。

本文重點(diǎn)討論了模擬仿真方法，以及該方法在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的驗(yàn)證，同時(shí)也闡述了機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 模擬仿真

圖1 渦輪增壓器的機(jī)械驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)速控制

2011年，五十鈴汽車公司和超級(jí)渦輪技術(shù)公司合作開展了1個(gè)項(xiàng)目，評(píng)估了1臺(tái)7.8 L柴油機(jī)采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可獲得的收益(圖1)[6-7]。該項(xiàng)目的研究初衷是為了評(píng)估柴油機(jī)采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)潛在的效率收益和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，但在評(píng)估過程中，工作重心改變?yōu)榫劢拱l(fā)動(dòng)機(jī)減小排量和降低轉(zhuǎn)速的研究工作，采用更高的功率強(qiáng)化技術(shù)和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到最高的熱效率。

1.1 初步研究

本次研究通過建立1臺(tái)7.8 L基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，開展建模研究。發(fā)動(dòng)機(jī)模型在GT Power軟件中運(yùn)行，對(duì)基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和性能進(jìn)行了標(biāo)定。同時(shí)，建立了1個(gè)機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)模型，并與基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可變幾何渦輪增壓器(VGT)進(jìn)行了比較?；鶞?zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)和減小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)分別定義了A、B、C、D 4個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)，用于仿真計(jì)算(表1)。完成這些對(duì)比后，定義了小排量發(fā)動(dòng)機(jī)更高功率的新運(yùn)行工況點(diǎn)，這些工況點(diǎn)成為新發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的運(yùn)行點(diǎn)。減小排量后的發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)是取代原7.8 L大排量發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)保持功率、扭矩，以及瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間不變。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)減小排量而其他硬件參數(shù)不改變的仿真對(duì)比

1.2 初步的模擬仿真結(jié)果

減小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)確定后，在GT Power軟件中開展了發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬仿真。發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪、壓氣機(jī)和運(yùn)行條件經(jīng)過微調(diào)但發(fā)動(dòng)機(jī)物理結(jié)構(gòu)參數(shù)沒有改變。在發(fā)動(dòng)機(jī)的滿負(fù)荷工況，由A、B和C3個(gè)工況點(diǎn)的結(jié)果可以看到熱效率有大幅提升，同時(shí)高壓廢氣再循環(huán)(EGR)流量增加、NOx排放降低。但是部分負(fù)荷工況點(diǎn)D的熱效率僅有小幅提升，這一工況是熱效率的主要關(guān)注點(diǎn)。仿真計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

在初步仿真計(jì)算結(jié)束后，研究通過改變壓縮比和配氣正時(shí)等方式提高工況點(diǎn)D的熱效率。壓縮比的評(píng)估結(jié)果顯示，壓縮比提升到18.5，同時(shí)進(jìn)氣閥關(guān)閉相位IVC延遲20 °CA，熱效率和總體性能可以實(shí)現(xiàn)最佳平衡?；鶞?zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比提升到18.5，進(jìn)氣閥關(guān)閉相位的幾種延遲角度仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。由于壓縮比的增加，工況點(diǎn)C的缸內(nèi)最高燃燒壓力超過了限值，建議將工況點(diǎn)C的功率降低。

表1 基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真運(yùn)行點(diǎn)和減小排量的高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)(即項(xiàng)目總體目標(biāo))

在對(duì)渦輪設(shè)計(jì)的評(píng)估中，可以認(rèn)為工況點(diǎn)C的效率降低是在可接受的范圍內(nèi)，因此重點(diǎn)關(guān)注工況點(diǎn)D的效率。通過預(yù)測(cè)評(píng)估，得到渦輪和壓氣機(jī)的特性圖譜，同時(shí)確定增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過迭代設(shè)計(jì)，形成了幾種渦輪方案，并對(duì)這幾種渦輪方案進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算對(duì)比，如表4所示。匹配“V31”渦輪方案的發(fā)動(dòng)機(jī)可以在所有運(yùn)行工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)排放和效率的最佳平衡。

初步的模擬仿真結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)更高的扭矩目標(biāo)通過提高總效率是可以實(shí)現(xiàn)的，因此建議轉(zhuǎn)入樣機(jī)開發(fā)階段。

2 樣機(jī)開發(fā)

在第1階段仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)入實(shí)際樣機(jī)的硬件開發(fā)階段。項(xiàng)目目標(biāo)是采用壓縮比為18.5、進(jìn)氣閥關(guān)閉相位延遲20 °CA的米勒循環(huán)、機(jī)械渦輪復(fù)合增壓器進(jìn)行仿真研究。原機(jī)的壓縮比為16.5，采用奧托循環(huán)和VGT增壓器，后又被改為兩級(jí)增壓，如圖2所示。工況點(diǎn)C的平均有效壓力達(dá)到2.05 MPa時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒壓力超過了限值，因此工況點(diǎn)C的平均有效壓力改為1.85 MPa。樣機(jī)硬件的開發(fā)經(jīng)過多次迭代，歷時(shí)6年。經(jīng)過仿真計(jì)算、設(shè)計(jì)、加工，以及在7.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)驅(qū)動(dòng)渦輪增壓的硬件不斷地進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高其性能、耐久性，并進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低制造成本。

圖2 采用兩級(jí)增壓的7.8 L柴油機(jī)

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比由16.5增加到18.5及各種進(jìn)氣門開啟(IVC)延遲角度的對(duì)比

機(jī)械驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器可以通過皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)或者是通過齒輪式功率輸出裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。該7.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)是通過齒輪式功率輸出裝置驅(qū)動(dòng)的，包括1個(gè)離合器，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工況或怠速工況，以及緊急停車工況斷開驅(qū)動(dòng)裝置與渦輪軸的連接，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工況和怠速工況下不需要提供增壓壓力(圖3)。渦輪軸的轉(zhuǎn)速可以通過1個(gè)連續(xù)可變的行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制，行星齒輪機(jī)構(gòu)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器之間。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，采用1個(gè)行星齒輪箱將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高到驅(qū)動(dòng)增壓器所需的合適的轉(zhuǎn)速范圍。該行星齒輪箱未來會(huì)被集成式齒輪功率輸出裝置(PTO)淘汰。高速行星齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過泵輪的液壓油可以平順地將功率由發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給渦輪軸或者將功率由渦輪軸傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，設(shè)計(jì)的渦輪可以獲得更多的排氣能量，不僅滿足壓氣機(jī)所需的功率，而且可以給發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的功率。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在瞬態(tài)工況時(shí)，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)運(yùn)行在超級(jí)增壓模式。通過發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給渦輪增壓器的功率為發(fā)動(dòng)機(jī)快速地提供增壓壓力，以減小渦輪遲滯。機(jī)械渦輪復(fù)合增壓比常規(guī)的渦輪增壓器效率更高，因?yàn)樵诔?jí)增壓模式渦輪還起到輔助提高增壓的作用。在重型柴油機(jī)上，采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的渦輪遲滯時(shí)間比普通增壓器減少50%以上。機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)在車輛制動(dòng)時(shí)也可以提供超級(jí)增壓，使得缸內(nèi)制動(dòng)壓縮功耗增加，為長(zhǎng)途大型卡車提供更大的安全保障。

圖3 在7.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)上的機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)

2.1 樣機(jī)的初始概念驗(yàn)證

試驗(yàn)樣機(jī)所建立的模型包括1個(gè)定制設(shè)計(jì)的渦輪和1個(gè)現(xiàn)有的渦輪。試驗(yàn)樣機(jī)的配置如圖3所示，通過試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建和試驗(yàn)測(cè)試，得到該系統(tǒng)相對(duì)兩級(jí)增壓系統(tǒng)在效率方面的收益。第1次樣機(jī)測(cè)試的試驗(yàn)硬件標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

2個(gè)對(duì)比方案為：(1)1臺(tái)7.8 L柴油機(jī)，壓縮比為16.5，采用狄塞爾循環(huán)、N6HK1渦輪，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和平均有效壓力；(2)1臺(tái)7.8 L柴油機(jī)，壓縮比為18.5，進(jìn)氣閥關(guān)閉相位采用延遲20 °CA的米勒循環(huán)，采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和平均有效壓力。

試驗(yàn)測(cè)試顯示，現(xiàn)有的增壓器由于發(fā)動(dòng)機(jī)喘振導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在一些工況點(diǎn)無法運(yùn)行。在其他運(yùn)行工況的試驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果中可以看到效率的改善。因此，通過定制設(shè)計(jì)渦輪和壓氣機(jī)以更好地匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。

2.2 樣機(jī)硬件配置1

表4 不同渦輪方案的對(duì)比(發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為18.5，IVC延遲角為20 °CA)

針對(duì)配置1的樣機(jī)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，為替換現(xiàn)有壓氣機(jī)，定制設(shè)計(jì)了1個(gè)具有更高效率、更大的喘振裕度、更低運(yùn)行轉(zhuǎn)速的壓氣機(jī)。同時(shí)，對(duì)增壓器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了其他的改進(jìn)設(shè)計(jì)，包括具有更高功率的全新連續(xù)可變行星齒輪機(jī)構(gòu)。通過對(duì)壓氣機(jī)蝸殼的處理，增加了喘振裕度，采用1項(xiàng)新的軸系推力控制設(shè)計(jì)，取消了渦輪推力軸承及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的被動(dòng)式加載機(jī)構(gòu)。初步的研究計(jì)劃是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在更高壓比和采用米勒循環(huán)正時(shí)系統(tǒng)，但是實(shí)際試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有做這些調(diào)整。在7.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行這些改進(jìn)，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)與原機(jī)的VGT增壓器相比，在運(yùn)行工況點(diǎn)A、B、D超過了仿真目標(biāo)，結(jié)果如表6所示。為了低負(fù)荷工況及其他工況的效率，犧牲了運(yùn)行工況點(diǎn)C的效率。

表5 第1次試驗(yàn)樣機(jī)硬件的試驗(yàn)規(guī)范

表6 配置1在比油耗方面的改進(jìn)

2.3 樣機(jī)硬件配置2

在配置1的硬件完成后，將機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)直接與新的兩級(jí)增壓系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。通過對(duì)全工況脈譜圖的對(duì)比，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)在一些工況的效率比兩級(jí)增壓的效率高，而在其他工況兩級(jí)增壓的效率更高。需要注意的是，配置1的樣件是為米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的，但是試驗(yàn)測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有采用米勒循環(huán)，所以在渦輪壓氣機(jī)葉輪與實(shí)際的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配時(shí)，效率會(huì)更高。同時(shí)，其他部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)也會(huì)進(jìn)一步提高效率。表7為對(duì)最終的樣機(jī)能夠改進(jìn)設(shè)計(jì)和能夠獲得的收益所進(jìn)行的預(yù)測(cè)。

第5代發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于第4代發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的優(yōu)化。其他大的改進(jìn)是為現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)不采用米勒循環(huán)而設(shè)計(jì)了新的渦輪和壓氣機(jī)。研究人員對(duì)新型38 mm連續(xù)可變行星齒輪機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了改進(jìn)，使其傳遞功率更大，可以在更高的傳動(dòng)油溫條件下連續(xù)運(yùn)行。新改進(jìn)設(shè)計(jì)的PTO去掉了行星齒輪，從而降低了行星齒輪傳遞損失，同時(shí)更換了更小的機(jī)械泵，也帶來了效率的提升。在增壓器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中增加離合器，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和怠速工況下斷開驅(qū)動(dòng)連接，從而消除了怠速工況下的驅(qū)動(dòng)功率損失。如圖4所示，全工況運(yùn)行脈譜圖顯示了配置1與兩級(jí)增壓相比的測(cè)試效率的對(duì)比數(shù)據(jù)。新配置與兩級(jí)增壓對(duì)比的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示。高效率的特性曲線延伸到了發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域，由于離合器分離，去掉了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖譜的低速左下角區(qū)域。如圖5所示，除了20%負(fù)荷以下區(qū)域及最高轉(zhuǎn)速50%負(fù)荷周圍很小的區(qū)域外，熱效率都比采用兩級(jí)增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)更高，預(yù)測(cè)的最大效率提升達(dá)5.70%。

研究人員搭建了最終的樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。如圖6所示，在運(yùn)行工況點(diǎn)的最終效率提升數(shù)值與預(yù)測(cè)值吻合的非常好。

表7 樣機(jī)改進(jìn)及在各工況預(yù)測(cè)的效率收益

圖4 第4代(硬件配置1)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試的穩(wěn)態(tài) 工況效率與兩級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

圖5 第5代(樣機(jī)配置2)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)的穩(wěn)態(tài)工況 效率與兩級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

圖6 第5代(樣機(jī)配置2)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的穩(wěn)態(tài)工況 效率與兩級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

3 機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)

3.1 機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)調(diào)試

裝有機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與裝有標(biāo)準(zhǔn)渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性不同。因?yàn)闄C(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的渦輪轉(zhuǎn)軸的慣量大小對(duì)于克服渦輪遲滯的作用不再關(guān)鍵，因此其渦輪和壓氣機(jī)葉輪可以設(shè)計(jì)得更大。由于機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的機(jī)械損失隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，葉輪直徑大的增壓器相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)增壓器可以降低渦輪轉(zhuǎn)軸的角速度從而減少機(jī)械損失。大直徑的渦輪可以更好地匹配排氣進(jìn)入渦輪的速度，同時(shí)可以保證渦輪內(nèi)部徑向葉柵的強(qiáng)度。由于大的渦輪效率更高，可以從排氣中獲得更多的能量，并通過耦合機(jī)構(gòu)將功率傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)。

機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的另一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是渦輪的“喉口”設(shè)計(jì)。更小的“喉口”會(huì)使得渦輪的功率更高，但是也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。這種折中關(guān)系可以在發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的運(yùn)行工況的設(shè)計(jì)階段中進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高壓EGR區(qū)域時(shí)，驅(qū)動(dòng)EGR所需的排氣壓力通常是驅(qū)動(dòng)渦輪的壓力。機(jī)械渦輪增壓器的渦輪采用固定截面的渦輪，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，驅(qū)動(dòng)EGR的渦輪截面尺寸確定了渦輪的“喉口”設(shè)計(jì)。由于采用標(biāo)準(zhǔn)渦輪增壓器時(shí)，只要壓力差存在，EGR流量就不會(huì)受到限制，能夠容易地調(diào)整優(yōu)化效率或排放所需的流量。同樣，當(dāng)EGR流量改變，由于采用標(biāo)準(zhǔn)渦輪增壓器，增壓壓力不會(huì)受到影響。

在設(shè)計(jì)階段完成后，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)通過連續(xù)可變傳動(dòng)(CVT)來改變渦輪的轉(zhuǎn)速。高CVT速比產(chǎn)生更高的渦輪轉(zhuǎn)速可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量增加，因此可以提高缸內(nèi)的燃燒效率，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷工況下，當(dāng)增壓空氣量超過所需數(shù)量時(shí)，采用低CVT速比，使得渦輪轉(zhuǎn)速降低，而向發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更多的渦輪功率。在給定的工況點(diǎn)，較低的渦輪轉(zhuǎn)速和更小的空氣流量可以降低NOx排放，增加EGR流量。這樣可以直接控制空氣流量，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況提高增壓壓力、增加空氣流量，在高速工況降低增壓壓力、減小空氣流量，相對(duì)于傳統(tǒng)的渦輪增壓器是比較有利的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)增壓器在低速工況增壓壓力較低，而在高速工況增壓壓力又超出限制。采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可以在各轉(zhuǎn)速工況下提供給發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)的空氣流量，而不像采用傳統(tǒng)增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)只能在一定的運(yùn)行工況點(diǎn)空氣流量最優(yōu)，而在其他工況點(diǎn)并不是最優(yōu)的。

圖7～圖10為通過改變EGR閥的位置及改變機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的CVT速比獲得的規(guī)律曲線。圖7為工況點(diǎn)A在不同EGR閥位置和CVT速比條件下EGR率和增壓空氣流量的關(guān)聯(lián)關(guān)系的仿真結(jié)果。與采用VGT渦輪增壓器及EGR閥時(shí)的非線性結(jié)果相比，采用機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)，通過EGR閥位置控制EGR率，通過CVT速比控制增壓空氣流量，控制曲線劃分的區(qū)域近乎完美。為了簡(jiǎn)化控制需求，可以使增壓系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。需要注意的是，當(dāng)EGR完全關(guān)閉時(shí)，EGR的泄漏也已經(jīng)考慮在內(nèi)。

圖7 不同EGR閥位置和CVT速比條件下EGR率 和增壓空氣流量的關(guān)系的仿真結(jié)果

圖8和圖9為工況點(diǎn)A在相同的CVT速比和EGR率條件下通過仿真計(jì)算得到的比油耗和NOx排放的圖譜。燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的折中關(guān)系通過這兩幅圖可以直觀地看出來，CVT速比越大(空氣流量越大)和EGR閥開度越小(EGR流量越小)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性越好，但同時(shí)NOx排放越高。基于發(fā)動(dòng)機(jī)的使用條件，可以選擇最優(yōu)的運(yùn)行點(diǎn)使得燃油經(jīng)濟(jì)性最好并且排放最低。

圖8 工況點(diǎn)A不同EGR閥位置和CVT速比 條件下的比油耗圖譜仿真結(jié)果

圖9 運(yùn)行工況點(diǎn)A在不同CVT速比和不同EGR閥 位置條件下的NOx圖譜仿真結(jié)果

如圖10所示，在CVT速比和EGR閥位置相同的條件下，對(duì)運(yùn)行工況點(diǎn)A機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪功率進(jìn)行仿真計(jì)算。隨著增壓空氣流量和EGR率的增加，渦輪輸出的耦合功率增加，而且可以反向輸出功率，意味著可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)增壓。這就闡明了機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可以通過渦輪軸額外增加或者輸出功率來提供所需的增壓空氣流量和EGR流量，而不用考慮渦輪和壓氣機(jī)的功率平衡。

圖10 運(yùn)行工況點(diǎn)A在不同CVT速比和不同EGR閥 位置條件下渦輪功率的仿真結(jié)果

3.2 機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的運(yùn)行

與標(biāo)準(zhǔn)的渦輪增壓器相比，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)具有不同的運(yùn)行特性和基本原理。渦輪增壓器在穩(wěn)定運(yùn)行條件下，渦輪的功率與壓氣機(jī)和軸承損失功率之和必須平衡。因?yàn)闆]有功率從渦輪軸輸入或輸出，只能由渦輪傳遞給壓氣機(jī)，這就限制了渦輪增壓器的運(yùn)行。機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可以將功率由渦輪轉(zhuǎn)軸輸入或輸出，因此不再受到壓氣機(jī)功率與渦輪功率平衡的限值。如果在發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況時(shí)，需要額外的壓氣機(jī)功率實(shí)現(xiàn)更高的增壓壓力，機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)從發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸獲取功率輸入渦輪增壓器，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)增壓。同樣，如果渦輪功率超出了壓氣機(jī)需求的功率，多余的功率可以通過機(jī)械機(jī)構(gòu)輸出傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)。圖11通過對(duì)轉(zhuǎn)速1 000 r/min滿負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)闡明了這個(gè)概念，為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況提供所需的進(jìn)氣歧管壓力。隨著壓氣機(jī)和渦輪效率的提升，壓氣機(jī)所需功率降低，同時(shí)渦輪提供的功率增加。標(biāo)準(zhǔn)渦輪增壓器在運(yùn)行時(shí)，壓氣機(jī)和渦輪的功率平衡。當(dāng)增壓系統(tǒng)效率提高時(shí)，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可以將渦輪多余的功率輸出給渦輪軸，再提供給發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖11 渦輪和壓氣機(jī)功率的變化與在指定的進(jìn)排氣壓力 條件下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況效率之間的關(guān)系

3.3 高壓EGR

高壓EGR是柴油機(jī)控制NOx排放采用的常規(guī)技術(shù)措施。排氣直接從排氣歧管經(jīng)過中冷器然后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管，與增壓進(jìn)氣混合稀釋，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)NOx的形成。為了使高壓EGR系統(tǒng)能夠運(yùn)行，需要提供壓力梯度來驅(qū)動(dòng)EGR，排氣歧管的壓力必須高于進(jìn)氣歧管的壓力，需要渦輪入口的壓力能夠提供足夠高的排氣能量，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)所需的能量。常規(guī)的渦輪增壓器無法利用這些額外的排氣能量，但是機(jī)械渦輪復(fù)合渦輪增壓器可以將這些額外的能量通過渦輪耦合器輸出給發(fā)動(dòng)機(jī)。圖12為基準(zhǔn)的兩級(jí)渦輪增壓器和機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)在相同轉(zhuǎn)速、滿負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)的排氣能量利用情況。

圖12 在相同轉(zhuǎn)速和滿負(fù)荷工況下基準(zhǔn)增壓器和 機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)對(duì)排氣功率的利用

基準(zhǔn)兩級(jí)渦輪增壓器的渦輪能從排氣中回收利用部分能量，而壓氣機(jī)則通過消耗能量來提供增壓壓力水平。機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的增壓器效率，因?yàn)槟芰炕厥绽昧祟~外的渦輪功率，將額外的功率輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合效率。

3.4 渦輪效率的比較

當(dāng)前的基準(zhǔn)渦輪增壓器是系列化的，采用旁通閥使得增壓器運(yùn)行在一定的特性區(qū)域。即使單個(gè)的渦輪或壓氣機(jī)的效率很高，但是由于在渦輪采用旁通閥，導(dǎo)致增壓器從廢氣獲得的能量轉(zhuǎn)化為進(jìn)氣增壓壓力的總體效率較低。表8為發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)主要運(yùn)行工況點(diǎn)的渦輪和壓氣機(jī)的功率流的評(píng)估?？紤]到機(jī)械損失在內(nèi)，基準(zhǔn)兩級(jí)渦輪增壓器的功率流是基于液力軸承進(jìn)行評(píng)估的。基準(zhǔn)渦輪增壓器必須使渦輪的總功率等于壓氣機(jī)功率加上機(jī)械損失功率，很多排氣的可用能沒有被利用。

表8 當(dāng)前的增壓器與機(jī)械渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)主要運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)對(duì)功率的利用

機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的機(jī)械損失較高，但是渦輪和壓氣機(jī)效率更高，因此能夠從排氣中獲得更多的能量，而且把額外的能量傳遞給功率耦合器，轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)功率。在工況點(diǎn)B和C時(shí)，由于機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的渦輪幾何尺寸是固定的，渦輪入口的壓力較高，從排氣中額外獲得功率。高排氣壓力導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失增加，但是回收到發(fā)動(dòng)機(jī)的額外功率更多，足以抵消增加的泵氣損失。表9為這些運(yùn)行工況點(diǎn)渦輪和壓氣機(jī)效率的評(píng)估結(jié)果。

盡管基準(zhǔn)的兩級(jí)增壓器單獨(dú)的部件效率可能較高，但是由于采用旁通閥和多級(jí)增壓，導(dǎo)致總體效率的降低，特別是運(yùn)行點(diǎn)B的效率較低。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況在2個(gè)增壓器的最優(yōu)點(diǎn)，所以旁通閥開度較大。機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)保持了更高的單級(jí)渦輪和壓氣機(jī)的效率。

4 結(jié)論

日本五十鈴汽車公司對(duì)多年來模型仿真研究和樣機(jī)試驗(yàn)研究進(jìn)行了總結(jié)，在空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)研究的同時(shí)開展了機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)如何獲得收益的研究。首先，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可以通過額外的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓壓力和空氣流量的精確控制；然后，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可以將高壓EGR工況下渦輪獲得的額外功率輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)。通過模型仿真手段，對(duì)空燃比、EGR流量和渦輪輸出功率進(jìn)行了控制，找到了最優(yōu)的運(yùn)行條件。隨后，通過幾輪次的硬件試驗(yàn)測(cè)試，修正了基本性能的預(yù)測(cè)值。研究主要關(guān)注了穩(wěn)態(tài)工況下的效率收益，下一步研究將重點(diǎn)關(guān)注其他的收益，例如超級(jí)增壓的效率、瞬態(tài)響應(yīng)性能、駕駛循環(huán)效率、發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率提升，以及有害排放物的降低。

表9 當(dāng)前的兩級(jí)增壓和機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)主要運(yùn)行工況點(diǎn)的壓氣機(jī)和渦輪效率的評(píng)估

由于發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量控制具有眾多好處，加上很多可實(shí)現(xiàn)的收益，機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)會(huì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)大幅提升效率的裝置。其他改進(jìn)的持續(xù)實(shí)現(xiàn)，將使得機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)像常規(guī)渦輪增壓器一樣常見。

圖13為當(dāng)前的機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)與原來設(shè)計(jì)的機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)的對(duì)比。其中的1個(gè)主要變化是將連續(xù)可變的行星齒輪機(jī)構(gòu)集成到主殼體內(nèi)，代替了原來采用的單獨(dú)殼體，質(zhì)量與原來的設(shè)計(jì)相比降低了18.14 kg。由于采用大框架尺寸設(shè)計(jì)，該機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)可應(yīng)用于7.5～16.0 L范圍內(nèi)的大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)，只需要改動(dòng)除定制渦輪機(jī)械部件外的幾個(gè)部件。

圖13 當(dāng)前的設(shè)計(jì)與之前設(shè)計(jì)的大框架尺寸(7.5～16.0 L)機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)對(duì)比

高英英 曹 杰 譯自 SAE Paper 2019-01-0318

虞 展 編輯

(收稿時(shí)間：2019-11-25)