雙渦輪增壓系統壓氣機通流特性匹配方法

謝海江， 李華雷， 邢衛東

(1. 鄭州職業技術學院汽車工程系， 河南 鄭州 450121；2. 上海交通大學動力機械及工程教育部重點實驗室, 上海 200240；3. 中國航發商用航空發動機有限公司， 上海 200241； 4. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

雙渦輪增壓系統壓氣機通流特性匹配方法

謝海江1， 李華雷2，3， 邢衛東4

(1. 鄭州職業技術學院汽車工程系， 河南 鄭州 450121；2. 上海交通大學動力機械及工程教育部重點實驗室, 上海 200240；3. 中國航發商用航空發動機有限公司， 上海 200241； 4. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

通過離心式壓氣機特性圖譜分析，建立了壓氣機通流特性模型來表征節流線。基于壓氣機通流特性模型，針對車用柴油機典型工況建立了性能指標函數，從而指導增壓系統匹配方案的確定。針對典型雙渦輪增壓系統，明確了增壓系統匹配流程，建立基于壓氣機通流特性的匹配方法。針對某型6缸增壓柴油機不同工況的性能參數指標，進行了相繼增壓系統和可調兩級增壓系統匹配計算，分別進行了大小增壓器和高低壓級增壓器選型。通過搭建柴油機相繼和可調兩級增壓系統試驗臺架，試驗驗證了雙渦輪增壓系統匹配方案，試驗結果表明，所匹配的相繼和可調兩級增壓系統能夠滿足不同典型工況的壓比和流量要求，進而實現柴油機不同工況的性能指標，保證了柴油機全工況范圍的正常運行。同時根據柴油機試驗結果，以燃油經濟性最優為目標，確定了相繼和可調兩級增壓系統全工況控制策略。

柴油機； 相繼增壓系統； 兩級增壓系統； 壓氣機； 通流特性； 匹配方法

隨著環境問題的日益突出和排放法規的日益嚴格，高增壓技術逐漸應用于柴油機動力性能提升和排放性能改善。高增壓技術的應用使得柴油機與渦輪增壓系統匹配矛盾的問題更加嚴重，由此產生了廢氣放氣式、可變截面、相繼增壓、可調兩級甚至可調三級增壓系統來解決這一矛盾問題。

目前，相繼和可調兩級等雙渦輪增壓系統在工程實際中已經得到廣泛應用?，F有的相繼增壓系統匹配方法一般是根據柴油機部分轉速工況點與最高轉速工況點的增壓比、過量空氣系數的關系，采用簡單噴嘴模型計算渦輪等效流通面積，最終確定采用相同或大小渦輪相繼增壓系統方案[1-4]?，F有的可調兩級增壓系統匹配方法中，一般是采用窮舉法、迭代法[5-7]或基于等效模型的調節能力分析[8-11]等過程確定合適的高低壓級渦輪等效流通面積，最終完成渦輪增壓器選型。而通過簡單噴嘴公式確定的渦輪等效面積或相應的渦輪流通特性一般很難得到，大部分渦輪增壓器廠商很少提供渦輪特性試驗數據，而是只提供壓氣機特性圖譜來明確該款增壓器適用的壓比和折合流量范圍。但目前兩個壓氣機特性的選擇比較依賴于在特性圖上確定特性點位置之一點圖譜的方法，最終壓氣機特性方案的確定也依賴于經驗；另外，柴油機性能的實現不僅僅依賴于合適的壓氣機和渦輪特性，還需要以一定的增壓系統總效率為前提。而相比于渦輪效率，壓氣機效率在不同工況點的變化幅度相對較大，因此現有的相繼和可調兩級增壓系統匹配方法會受到很大限制，需要尋求可行的新型雙渦輪增壓系統匹配方法。

本研究引入壓氣機通流特性模型這一概念，力求在柴油機的運行工況范圍內保證壓氣機端的綜合效率較高，進而保證柴油機性能，實現匹配目標。通過分析離心式壓氣機特性圖譜，建立了計算精度很高的壓氣機通流特性模型，基于此模型分別明確了相繼增壓系統與可調兩級增壓系統匹配流程和方法，并針對某6缸增壓柴油機進行了雙渦輪增壓系統的應用實例計算，分別匹配了相繼和可調兩級增壓系統。通過搭建柴油機增壓系統試驗臺架，進行了匹配方案的性能試驗，驗證了雙渦輪增壓系統匹配方法。

1 壓氣機通流特性模型

離心式壓氣機特性圖由穩定工作區和不穩定工作區組成，壓氣機最高效率區在穩定工作區的中間位置，比較靠近喘振線(見圖1)。圖中的虛線為節流線，是當壓氣機后邊的節流面積保持一定時，改變壓氣機轉速所測量得到的性能曲線，可以近似為一個孔板的體積流量與孔板前后壓差之間的關系，曲線形狀與二次拋物線相似[11]。

圖1 離心式壓氣機特性圖

可以看出，離心式壓氣機的節流線基本上穿過每條壓氣機轉速上對應的最高效率區。當柴油機與離心式壓氣機聯合運行時，如果柴油機運行工況在壓氣機上的運行點位于或者靠近節流線，增壓器的效率相對較高，有利于增壓壓力的建立和柴油機的泵氣過程，從而提高柴油機的動力性和經濟性。由此可見，較好的增壓系統匹配方案應該使柴油機主要工況的運行點盡量靠近節流線，從而獲得較高的增壓系統整體效率。在此基礎上考慮為低轉速外特性運行點保留足夠的喘振裕度，避免其進入壓氣機喘振區域；高轉速運行點不超過壓氣機的最高轉速線，保持合適的超速裕度，從而保證增壓柴油機正常運行。

(1)

式中：AC為壓氣機等效通流面積；ρin為壓氣機入口密度。

為保證壓氣機圖譜的通用性，增壓器廠商采用壓比和折合流量來繪制壓氣機特性圖譜，因此為了滿足增壓系統匹配過程要求，需要將式(1)改寫成如下形式：

(2)

可以看出，離心式壓氣機的壓比與折合流量呈二次多項式關系，而壓氣機等效通流面積AC可以表征其流通能力的大小。為驗證通流特性方程的準確性，選用兩款渦輪增壓機進行了模型精度驗證計算，結果見圖2。

圖2 壓氣機通流特性模型的驗證結果

將采用通流特性方程計算得到的壓比與折合流量曲線與節流線進行對比，可以看出，壓氣機通流特性曲線可以穿過壓氣機的高效率區域，并且與節流線非常接近，這說明通流特性方程基本可以用來表征離心式壓氣機的節流線特性。

2 基于壓氣機通流特性模型的雙渦輪增壓

系統匹配方法

2.1 基于壓氣機通流特性的增壓系統匹配方法

根據壓氣機通流特性模型，不同的壓氣機通流面積會對應不同的壓氣機特性圖譜節流線，其主要作用是表征壓氣機的節流線，即反映出每條壓氣機轉速線上最高效率點所在位置。在實際匹配過程中根據增壓器廠商所提供的壓氣機特性圖譜，選取任意等轉速線與節流線交點處的壓比和折合流量，就能夠計算得到相應的壓氣機等效流通面積，將其與匹配計算結果進行對比，從而選擇與匹配結果相等或相近的壓氣機特性作為大小增壓器或高低壓級增壓器的壓氣機方案，完成選型。

在進行增壓系統匹配時，根據柴油機最低穩定轉速、最大扭矩點和標定轉速等典型工況下柴油機功率、燃油消耗率和空燃比等性能參數所對應的壓比和進氣流量，就能得到壓比和折合流量，通過式(2)就可求得某一典型工況點應該匹配的壓氣機通流面積，即可以確定能使其運行點處于高效區域的壓氣機特性圖譜。不同典型工況會需要不同的壓比和折合流量，也就對應了不同的壓氣機特性圖譜。但對于增壓系統匹配過程而言，只能采用一個或兩個壓氣機來適應不同工況點的需求，因此可構建一個性能指標函數U(AC)，其函數表達形式如下：

(3)

使性能指標函數U(AC)取得最小值，可以求得唯一的壓氣機通流面積AC,opt，根據其數值大小求得壓氣機通流特性曲線，然后在現有渦輪增壓器中尋找節流線與此特性曲線重合或相近的壓氣機圖譜，完成柴油機與增壓系統的匹配方案確定。

根據上述匹配方法，可以指導雙渦輪增壓系統的匹配過程，確定增壓系統方案。雙渦輪增壓器系統包括相繼增壓系統和可調兩級增壓系統。對于柴油機車用特性，相繼增壓系統采用兩臺相同或不同的渦輪增壓器實現兩階段或三階段相繼增壓，較有效地解決增壓系統與柴油機的匹配矛盾?？烧{兩級增壓系統采用大小不同的兩個增壓器串聯布置，在低壓級增壓器流量范圍的基礎上通過高壓級增壓器的壓縮作用提升整體的壓比水平，實現了高壓比和寬流量范圍的兼顧。

2.2 相繼增壓系統匹配方法

進行相繼增壓系統匹配時，需要根據柴油機部分轉速工況與標定轉速工況的壓比、過量空氣系數的關系，確定合適的增壓器型號。

(4)

2.3 可調兩級增壓系統匹配方法

可調兩級增壓系統一般注重提升柴油機低轉速動力性，因此匹配方案需要在小質量流量情況下實現較大的增壓壓力。而對于最大扭矩點以上的高轉速工況只要保持原機性能，則可調兩級增壓系統的匹配方案應著重解決這種匹配方案的確定問題。

3 雙渦輪增壓系統匹配方法應用及試驗驗證

針對D6114渦輪增壓柴油機，采用上述匹配方法進行雙渦輪增壓系統的應用計算和試驗驗證。發動機的主要性能參數見表1。

表1 D6114原機主要性能參數

3.1 雙渦輪增壓系統匹配方法應用實例

為改善原機性能，將相繼增壓系統的匹配目標定義為最低穩定轉速外特性工況點(800 r/min，570 N·m)的過量空氣系數為1.55，燃油消耗率為217.5 g/(kW·h)；標定轉速工況點(2 200 r/min，800 N·m)的過量空氣系數為1.85，燃油消耗率為231 g/(kW·h)。

根據最低穩定轉速時柴油機性能指標要求，可以得到增壓系統需要滿足的壓比為1.32，折合流量為0.063 9 kg/s；根據式(2)的壓氣機通流面積計算結果，最終選用了與其接近的IHI RHF5壓氣機，其通流面積為3.18 cm2，選配結果見圖3。根據標定轉速時柴油機性能指標，計算出此時要求實現的壓比為2.1，折合流量為0.313 kg/s?？紤]到相繼增壓系統中增壓器切換運行關系，將大小渦輪增壓器的折合流量比值定為3∶7，因此可以得到大壓氣機要滿足的壓比為2.1，折合流量為0.219 kg/s。同樣根據式(2)的壓氣機通流面積結果選用了與之接近的TBP4壓氣機，其通流面積為4.65 cm2，選配結果見圖4。最后將大小增壓器并聯布置構成相繼增壓系統的匹配方案。

圖3 小增壓器壓氣機特性圖選配結果

圖4 大增壓器壓氣機特性圖選配結果

為提升柴油機低轉速動力性能，將可調兩級增壓系統的匹配目標定義為最低轉速外特性工況點(800 r/min，650 N·m)的過量空氣系數為1.6，燃油消耗率為206.8 g/(kW·h)；最大扭矩點工況(1 400 r/min，950 N·m)的過量空氣系數為1.74，燃油消耗率為207.2 g/(kW·h)；標定轉速工況點(2 200 r/min，800 N·m)的過量空氣系數為2.1，燃油消耗率為227.1 g/(kW·h)。

根據最低穩定轉速時柴油機性能指標要求，可以得到增壓系統需要滿足的總壓比為1.36，折合流量為0.071 8 kg/s；將高低壓級壓比分配定為50∶50，得到高壓級壓比為1.166，折合流量為0.066 3 kg/s；采用式(2)計算得到壓氣機通流面積為3.18 cm2，因此高壓級也選用IHI RHF5壓氣機，選配結果見圖5。此時計算得到最低穩定轉速工況時應采用的低壓級壓比為1.166，折合流量為0.071 7 kg/s。該可調兩級增壓系統匹配方案在低轉速時采用兩級串聯運行的普通兩級運行模式，減小增壓系統渦輪等效面積來彌補低穩定轉速工況下壓氣機效率較低這一缺點，實現柴油機此工況點的性能目標。此時高壓級小增壓器承擔主要的壓縮作用，而低壓級起到輔助作用?？紤]到增壓系統管路布置方案和整體結構，并未在低轉速工況采用一個高壓級小增壓器工作的運行模式，因為這需要在低壓級壓氣機和渦輪旁分別并聯一個旁通閥才能實現低壓級增壓器的完全屏蔽。

圖5 高壓級增壓器壓氣機特性圖選配結果

另外根據最大扭矩點和標定轉速工況的柴油機性能參數確定了最大扭矩點處壓比為2.02，折合流量為0.199 kg/s；標定轉速處壓比為2.27，折合流量為0.346 kg/s。再根據式(2)計算得到這3個工況點應選用的壓氣機通流面積，并采用性能指標函數的最小化分析得到唯一的壓氣機通流面積，而TBP4壓氣機的通流面積與之接近，因此低壓級選用了TBP4壓氣機，其特性與運行點的對比情況見圖6。最后將兩個增壓器串聯布置就可以構成可調兩級增壓系統的匹配方案。

圖6 低壓級增壓器壓氣機特性圖選配結果

通過壓氣機通流特性模型的運用并結合性能指標函數U(Ac)，保證了不同柴油機工況下的壓氣機端的綜合效率較高，進而保證了增壓系統總效率水平。雖然圖3和圖6中標定轉速運行點離節流線稍遠，但車用柴油機的整個運行范圍必然存在距離壓氣機節流線較遠的工況點。如果采用只側重于匹配點工況效率的傳統匹配方法，標定轉速運行點與節流線的距離可能會更遠，其工況點效率會更低。

3.2 雙渦輪增壓系統匹配方法的試驗驗證

根據上節中雙渦輪增壓系統的應用實例，分別搭建了柴油機相繼增壓系統試驗臺和柴油機可調兩級增壓系統試驗臺，并進行了柴油機性能試驗，對雙渦輪增壓系統匹配方法進行試驗驗證。

圖7示出了相繼增壓匹配方案的驗證結果?？梢钥闯觯裼蜋C裝配相繼增壓系統后可以實現最低穩定轉速和標定轉速的性能指標。圖7a示出了小渦輪增壓器單獨運行時的燃油消耗率等值線圖。從圖中可知，所匹配的小渦輪增壓器可以很好地滿足柴油機最低穩定轉速到最大扭矩點之間運行工況的要求，提供足夠的增壓壓力，從而實現了最大穩定轉速的目標扭矩和油耗。但當發動機轉速增加時，受限于其流通能力范圍，小渦輪增壓器不再適用于高轉速工況。圖7b示出了相繼增壓系統聯合運行時的燃油消耗率等值線圖。可以看出，所匹配的相繼增壓系統在柴油機標定轉速實現了扭矩和燃油消耗率等匹配目標，而且能夠滿足柴油機全工況內的壓比和流量需求。

圖7 相繼增壓系統匹配方案試驗驗證

過量空氣系數的驗證結果見圖7c?？梢钥闯觯嗬^增壓系統中大小增壓器相繼切換的運行狀態使得柴油機外特性工況的增壓壓力存在兩段階躍式突變現象，造成相繼增壓系統的三階段運行模式。而匹配方案在最大穩定轉速和標定轉速都能很好地滿足柴油機運行要求，過量空氣系數的匹配目標也得以實現。

根據燃油經濟性最優原則，將相繼增壓系統不同運行模式的全工況燃油消耗率進行求差運算，得到不同增壓器的最佳適用區域，從而確定了相繼增壓系統全工況控制策略(見圖8)。從圖中可知，為滿足柴油機經濟性要求，小增壓器運行于柴油機低速較高負荷工況，大增壓器運行于中速較高負荷工況，而大小兩臺增壓器并聯則運行于高速較高負荷以及全轉速范圍內的較低負荷工況。

圖8 相繼增壓系統全工況控制策略

圖9示出了可調兩級增壓系統匹配方案的驗證結果?？梢钥闯?，所匹配的可調兩級增壓系統可以在最大穩定轉速、最大扭矩點以及標定轉速這3個典型工況實現3.1節中相應的柴油機扭矩、燃油消耗率和過量空氣系數等匹配目標。

圖9 可調兩級增壓系統匹配方案試驗驗證

依據全工況燃油消耗率試驗結果，以燃油消耗率最低為目標，確定了可調二級增壓系統的全工況控制策略(見圖10)。在中低轉速、中高負荷區間內，高壓級增壓器效率較高，此時增壓系統應運行于普通兩級模式。高負荷時隨著轉速提高，要逐漸打開高壓級渦輪旁通閥旁通掉一部分排氣來降低增壓壓力和相應的渦前壓力，增壓系統運行于可調兩級模式。中間負荷時，隨著轉速提高，空氣量逐漸充足，為降低泵氣損失，增壓系統為低壓級增壓器單獨運行模式。轉速負荷繼續增加會進一步提升增壓壓力，如果大于廢氣旁通閥的彈簧預緊力，廢氣旁通閥將逐漸打開以限制增壓壓力，此時增壓系統運行于低壓級增壓器+放氣閥制動模式。

圖10 可調兩級增壓系統全工況控制策略

4 結束語

本研究通過建立壓氣機通流特性模型，進行了雙渦輪增壓系統匹配方法研究，確定了相繼和可調兩級增壓系統匹配方法，并進行了應用實例計算和相應的試驗驗證。所建立的壓氣機通流特性模型具有足夠的計算精度，結合性能指標函數分析方法可以指導渦輪增壓系統匹配方案的確定；針對柴油機的主要性能指標要求，基于壓氣機通流特性模型通過合適的匹配流程可以完成相繼或可調兩級等雙渦輪增壓系統的選型；通過柴油機相繼和可調兩級增壓系統的性能試驗驗證，所匹配的增壓系統實現了相應柴油機性能指標要求，可以滿足柴油機全工況壓比和流量需求。

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[編輯： 姜曉博]

Matching Method of Compressor Flow Characteristics for Dual Turbocharger System

XIE Haijiang1， LI Hualei2，3， XING Weidong4

(1. Automobile Engineering Department， Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450121， China；2. Key Laboratory for Power Machinery & Engineering of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；3. AECC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., Shanghai 200241, China; 4. China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China)

A compressor flow characteristic model was built to characterize the throttling line through the analysis of centrifugal compressor map. Based on the model, the performance index function was proposed to help the determination of matching scheme for typical working conditions of automobile diesel engine. The matching process and corresponding matching method were established for dual turbocharger system. Then the calculation of sequential turbocharging and two-stage turbocharging system and their turbocharger selection were conducted according to the performance indexes of a 6-cylinder diesel engine at different working conditions. Finally, the scheme of dual turbocharge system was verified by the built test bench. The experimental results show that the matched sequential and two-stage turbocharging systems can meet the requirements of pressure ratio and mass flow rate at different typical working conditions. The expecting performance index can also be achieved at different conditions, therefor the turbocharging system can apply to the whole conditions. In the end, the optimum fuel economy control strategies of whole working conditions are determined with the test results.

diesel engine; sequential turbocharging system； two-stage turbocharging system; compressor; flow characteristic; matching method

2016-08-18；

2016-12-05

謝海江(1978—)，男，講師，主要研究方向為內燃機性能優化；haijiangsky@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.007

TK421.8

B

1001-2222(2017)01-0035-07