柴油機可調兩級增壓系統變海拔穩態調節特性研究

張來濤， 徐巖， 劉勝， 利奇， 石磊， 鄧康耀， 楊震寰

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

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柴油機可調兩級增壓系統變海拔穩態調節特性研究

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

利用GT-Power軟件建立某V型柴油機仿真模型，并進行了可調兩級增壓系統的匹配。模擬計算了不同海拔條件下發動機全工況運行時高壓級渦輪旁通閥開度對燃油消耗率的影響。結果表明，高壓級渦輪旁通閥開度是通過發動機指示效率與泵氣損失間接影響燃油消耗率。同一工況下，發動機燃油消耗率按其主要影響因素的不同分為示效率主導區、泵氣損失主導區以及兩者綜合影響區。且隨著海拔的升高，影響發動機燃油消耗率的指示效率主導區域擴大，泵氣損失主導區域減小。最后，以最佳燃油經濟性為指標，得到變海拔全工況下渦輪旁通閥最佳閥門開度。

柴油機； 高原； 兩級增壓； 燃油消耗率； 仿真

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

可調兩級渦輪增壓技術能夠有效增加進氣量，提高柴油機的功率密度，是改善柴油機高原運行性能的有效措施之一[4-5]。國外關于可調兩級增壓系統應用于車用柴油機的研究已取得較好結果[6-7]。國內北京理工大學的仿真計算表明，兩級渦輪增壓系統在不同的海拔范圍內均能有效地提升柴油機的功率和低速扭矩[8]。然而，關于變海拔可調兩級增壓柴油機油耗特性鮮有研究。因而，本研究基于匹配了可調兩級增壓系統的某V型柴油機仿真模型，計算了變海拔全工況范圍內發動機的燃油消耗率與高壓級渦輪旁通閥開度的關系。

1 仿真計算模型的搭建

1.1 GT-Power穩態模型的建立與試驗數據校核

以某V型渦輪增壓中冷柴油機為研究機型，其主要的性能結構參數見表1。

采用GT-Power軟件建立上述V型柴油機的仿真計算模型，用于發動機變海拔的性能模擬計算。該計算模型中，環境模塊的溫度和壓力可調，用以模擬不同的海拔環境；發動機本體模塊中，氣缸選取韋伯燃燒模型；渦輪增壓器模塊其參數是通過將渦輪和壓氣機圖譜離散成表的方式輸入到模型中。其他模塊按照發動機實際物理參數進行相應的設置。柴油機模型總體結構示意見圖1。

表1 柴油機主要性能和結構參數

采用試驗數據對GT-Power仿真模型進行校核。選取工況點較全的海拔3 000 m發動機外特性試驗數據，重點考核功率、燃油消耗率和增壓壓力等性能指標，其校核結果見表2和圖2。

表2 仿真模型的試驗校核

由校核結果可以看出，仿真計算結果與試驗數據一致性較好。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。因此，仿真模型具有較高的計算精度，能夠準確地反映發動機的各項性能，滿足可調兩級增壓系統變海拔調節規律研究的需要。

1.2 可調兩級增壓系統的變海拔匹配

在柴油機原機穩態模型的基礎上，匹配可調兩級增壓系統。匹配的目標是使柴油機能夠滿足不同海拔條件下功率恢復指標。根據上海交通大學劉博等人提出的等效渦輪增壓器原理[9]，可調兩級增壓系統的匹配主要是確定等效渦輪流通面積的調節范圍。而等效渦輪流通面積由不同海拔條件下其功率恢復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，隨著轉速的上升，發動機進氣流量增大，因而渦輪可用能量變大，所需的等效渦輪流通面積變大。同一轉速下，隨著海拔的升高，大氣壓力降低，發動機進氣量減小，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，可調兩級增壓系統的等效渦輪流通面積應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；而當閥門全關時，等效模型的渦輪等效流通截面最小。因此可得到可調兩級增壓系統與柴油機的匹配方法：首先，以平原標定功率轉速點為匹配點，匹配單級渦輪增壓器，并以此作為可調兩級增壓系統的低壓級；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合，匹配計算得到旁通閥處于全關狀態高壓級增壓系統；最后，選取旁通閥并對整個系統進行適當微調。

2 變海拔全工況燃油消耗率調節規律

2.1 高壓級旁通閥調節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，進而決定進氣增壓壓比，對發動機的性能有較大的影響。在保證發動機動力性能的前提下，研究高壓級旁通閥開度對燃油消耗率的影響規律，對于實現發動機較好的變海拔環境燃油經濟性有重要意義。

考慮到車輛大部分時間運行于部分負荷的實際情況，選取海拔1 000 m，轉速為1 500 r/min，負荷為25%的工況點進行仿真計算。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。得到的發動機指示效率、泵氣損失及燃油消耗率與閥門開度的關系見圖4。

對于匹配了可調兩級增壓系統的發動機而言，在其他條件相同的情況下，燃油消耗率主要由發動機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，增壓系統增壓壓比越高，空燃比越大，在發動機轉速不變的情況下，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，進而導致燃油消耗率升高。

從圖4可以看出，發動機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。而發動機燃油消耗率與閥門開度直徑的關系較復雜，為此，將燃油消耗率曲線依據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動機指示效率影響較大，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，指示效率降低導致的燃油消耗率上升幅度大于泵氣損失減小導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，閥門開度直徑對發動機指示效率影響較小，對泵氣損失影響較大，此時隨著閥門開度直徑的增大，泵氣損失減小導致的燃油消耗率降低幅度大于指示效率降低導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節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對發動機燃油經濟性的影響，在上節的基礎上，增加海拔、轉速、負荷等變量，在保證發動機動力性能的前提下，分析燃油經濟性隨高壓級渦輪旁通閥開度的變化規律。

2.2.1 低負荷區域變海拔調節規律

計算中，發動機負荷設為滿負荷的25%，選取1 500 r/min為低轉速，1 800 r/min為中轉速，2 200 r/min為高轉速，海拔變量選取0 m，1 000 m和3 000 m。計算得到低負荷區域發動機燃油消耗率隨渦輪旁通閥開度直徑的變化關系(見圖5、圖6和圖7)。

低轉速時，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。由上節分析可知，閥門開度直徑在20～30 mm區間時，泵氣損失對燃油消耗率起主導作用，因而隨著閥門開度直徑的增大，泵氣損失減小導致發動機燃油消耗率減小。當海拔達到3 000 m時，進氣壓力的降低導致泵氣損失的主導作用減弱，燃油消耗率在閥門開度直徑在20～30 mm區間的下降趨勢基本消失。

中等轉速時，在平原和海拔1 000 m工況，當閥門開度直徑大于20 mm時，燃油消耗率呈現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作用區域變大。這是因為，中等轉速時發動機進氣匱乏現象減弱，缸內燃油能夠充分燃燒，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，平原地區發動機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時取得最小值。此外，當閥門開度直徑大于45 mm時，閥門開度已足夠大，發動機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。

高轉速時，進氣量更加充足，燃油消耗率與閥門開度的關系更加復雜。隨著閥門開度直徑的不斷增大，燃油消耗率呈現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區間時，較小的閥門開度下發動機進氣量仍然充足，其指示效率基本不變，而泵氣損失減小，兩者綜合作用導致燃油消耗率隨閥門開度的增大而減小。而當閥門開度繼續增大時，較大的閥門開度減小了進氣量，使得發動機指示效率的主導作用加強，燃油消耗率增加。之后，在燃油消耗率達到極大值后，隨著閥門開度的進一步增大，發動機指示效率減小趨緩，而泵氣損失大幅減小，最終導致燃油消耗率減小。

2.2.2 中高負荷區域變海拔調節規律

中高負荷時，由于發動機的燃油消耗率隨閥門開度直徑的變化規律類似，因而只計算75%負荷工況。如上節所述，選取1 500，1 800，2 200 r/min為低、中、高轉速，選取0，1 000，3 000 m不同海拔。計算得到中高負荷區域發動機燃油消耗率隨渦輪旁通閥開度直徑的變化關系(見圖8和圖9)。

可以看出，高負荷中等轉速和低轉速的燃油消耗率都在閥門全關的時候取得最小值。這是因為，同低負荷工況相比，高負荷下發動機所需的空氣量隨著噴油量的增大而增大，導致指示效率成為影響燃油消耗率的主導因素。因而，當高壓級渦輪閥門全關時，此時壓氣機壓比最大，進氣量最充足，發動機指示效率最高，燃油消耗率最低。

高負荷高轉速工況下，燃油消耗率最小值出現在閥門開度直徑10 mm左右。這是由發動機轉速升高，進氣量逐漸充足導致的。在閥門開度直徑從0 mm開到10 mm的過程中，發動機的指示效率基本不變，而泵氣損失減小，兩者的綜合作用導致燃油消耗率減小。

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

由上節高壓級渦輪旁通閥開度對發動機燃油消耗率的影響關系可知，當發動機運行在不同轉速、不同負荷以及不同海拔下時，影響發動機燃油消耗率的主導因素是不同的。部分工況下泵氣損失起主導作用，而部分工況下指示效率起主導作用。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，柴油機燃油消耗率的主要影響因素區域分為三塊。高負荷、低轉速區域，發動機指示效率對燃油消耗率起主導作用。低負荷、高轉速區域，發動機泵氣損失對燃油消耗率起主導作用。而中間區域則是指示效率與泵氣損失的綜合影響區域。這是因為，當發動機運行在高負荷低轉速工況時，進氣量不足導致發動機指示效率較低，此時提高進氣量能夠明顯改善燃燒，降低燃油消耗率。當發動機運行在低負荷高轉速工況時，進氣量充足，發動機指示效率高，燃燒充分，此時提高進氣量只會造成泵氣損失的增加，燃油消耗率下降。總的來說，隨著發動機轉速的升高、負荷的減小，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現，隨著海拔的升高，指示效率主導區逐漸變大，綜合影響區與泵氣功主導區逐漸變小。分析可知，隨著海拔的升高，大氣環境壓力的降低導致發動機進氣不足的程度加大，因而海拔越高，指示效率主導區越大，綜合影響區和泵氣功損失區相對越小。

3.2 變海拔全工況最佳閥門開度

以最佳燃油經濟性為指標并考慮發動機全負荷運行時的安全性，結合上述計算結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，在轉速和負荷相同的情況下，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，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象。而高海拔地區，旁通閥開度普遍較小，大部分處于關閉狀態，主要是為了保障發動機足夠的進氣量，從而使發動機具有良好的動力性能。

4 結論

a) 通過仿真計算，發現閥門開度是通過發動機指示效率及泵氣損失對燃油消耗率產生影響的，提高指示效率和降低泵氣損失都能夠達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域主要分為指示效率主導區、泵氣功主導區以及綜合影響區三塊，隨著海拔的升高，指示效率主導區逐漸擴大，泵氣功主導區域與綜合影響區域逐漸減小；

c) 變海拔全工況下渦輪旁通閥最佳閥門開度規律是，隨著海拔的升高，閥門開度不斷減小；平原和低海拔地區，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，較小的閥門開度能夠保障發動機的進氣量，使燃燒充分。

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

[2] 靳生盛.高原環境對工程機械運行可靠性的影響[J].青海交通科技, 2004(6):43-44.

[3] 李華雷,石磊,鄧康耀,等.D6114 柴油機高海拔功率恢復計算研究[J].車用發動機,2013(4):30-35.

[4] 劉剛,周平,任曉江,等.車輛發動機高原增壓措施探討[J].內燃機,2011(2):15-17.

[5] 董素榮,許翔,周廣猛,等. 車用柴油機高原性能提升技術研究現狀與發展[J].裝備環境工程,2013(2):67-70.

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[9] 劉博.柴油機可調二級渦輪增壓系統研究[D].上海:上海交通大學,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，研究方向為內燃機增壓與性能；ltzhang89@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.006

TK421.8

B

1001-2222(2015)05-0031-06