基于變海拔功率恢復的增壓系統匹配計算研究

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. 中國航發商用航空發動機有限責任公司， 上海 200241； 3. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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基于變海拔功率恢復的增壓系統匹配計算研究

謝海江1， 李華雷2， 邢衛東3

(1. 鄭州職業技術學院汽車工程系, 河南 鄭州 450121； 2. 中國航發商用航空發動機有限責任公司， 上海 200241； 3. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

針對柴油機的變海拔功率恢復目標，進行了以增壓壓力恢復為目標的廢氣放氣式增壓系統匹配計算，確定了壓氣機和渦輪特性。在該匹配方案的基礎上進行了柴油機變海拔運行范圍的性能計算，得到了不同海拔高度的增壓壓力MAP圖，并以目標增壓壓力為基準，根據放氣閥的切換邊界線確定了放氣閥變海拔控制策略。研究結果表明：采用該匹配方案可以在海拔3 000 m和平原工況實現增壓壓力恢復，但在高海拔高轉速工況下可能超速；隨著海拔高度的降低，柴油機外特性扭矩值逐漸減小，而廢氣放氣閥關閉狀態的運行區域逐漸減小，廢氣放氣閥調節狀態的運行區域逐漸增大。

柴油機； 功率恢復； 變海拔； 增壓系統； 控制策略

我國高原、山地地貌分布廣闊，其中海拔3 000 m以上的高原地區約占國土面積的25%。當柴油機運行于高海拔地區時，環境壓力的減小使得柴油機的進氣量不足，出現功率下降，燃油消耗率增加，最大扭矩點轉速向高轉速移動等問題[1-4]，海拔越高,增壓壓力變化幅度越明顯，柴油機性能惡化, 難以保證其正常運行。

采用增壓技術可以有效改善柴油機的變海拔性能。海拔高度升高使得渦輪背壓降低，導致渦輪膨脹比和渦輪功增加，進而使得壓氣機轉速和相應的增壓比增大，這被稱為增壓系統的自補償作用。但其自補償作用只能在較低的海拔范圍內使增加的渦輪功滿足柴油機所需的增壓壓力，不足以滿足柴油機較大海拔范圍內的變海拔運行要求[5-6]。

廢氣放氣式增壓系統因其簡單的結構型式和控制方式得到廣泛應用。可以通過確定合適的匹配方案來提升柴油機的變海拔性能和實現功率恢復，使渦輪做功能力與放氣閥調節合理匹配，在各海拔高度下為柴油機提供合適的進氣量，進而保證柴油機的功率輸出。傳統匹配方法的基本思想是在平原或某一固定海拔工況進行增壓系統的匹配和選型，在匹配過程中為高海拔工況留出一定余量，保證在每個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柴油機變海拔性能試驗來檢驗，而變海拔性能試驗需要很大的財力支持，同時其耗費的時間、人力等成本也很高[7-14]。

本研究針對變海拔功率恢復目標，以在高海拔下實現原機平原增壓壓力水平為目標，進行了增壓系統方案的匹配計算，確定了合適的壓氣機和渦輪[15-16]，并確定了放氣閥變海拔控制策略，為柴油機變海拔功率恢復的增壓系統匹配方案確定和控制策略制定提供支撐。

1 仿真計算模型的建立與校核

本研究選用的機型為D6114ZLQB渦輪增壓直噴柴油機，其主要性能參數見表1。

表1 D6114柴油機主要性能參數

采用GT-Power軟件建立D6114柴油機原機的穩態計算模型，用于發動機性能的模擬計算。進排氣管路采用一維簡化方式，中冷器模型的建立基于Pipe模塊通過增大管壁面積、設定目標壁溫、增大傳熱系數等來實現。采用韋伯模型進行缸內燃燒過程的模擬，通過woschni模型模擬缸內傳熱。渦輪和壓氣機模型采用試驗數據圖譜離散輸入，渦輪增壓器采用圖譜離散數據形式輸入，并根據原機試驗數據對柴油機功率、燃油消耗率和增壓壓力等性能參數進行校核，其對比結果見圖1。

可以看出，計算結果與試驗數據吻合得很好，整體趨勢也一致，性能參數相對誤差都在5%以內，表明計算模型具有足夠的精度，可以很好地表征發動機的運行性能。

圖1 計算結果與原機試驗數據對比

2 增壓系統匹配方案確定

本研究采用廢氣放氣式增壓系統來實現柴油機的變海拔功率恢復，并將功率恢復目標定為海拔3 000 m范圍內功率不降。不同海拔下環境壓力和溫度的變化情況見表2。

表2 變海拔條件大氣環境參數

根據廢氣放氣式增壓系統的運行和調節特性，選擇海拔3 000 m的最大扭矩點轉速作為增壓系統的第一匹配點，匹配目標是在海拔3 000 m工況下使柴油機的增壓壓力恢復到原機平原水平。原機最大扭矩點增壓壓力為200 kPa，而海拔3 000 m的環境壓力為70 kPa，據此計算得到此時增壓系統所需提供的增壓比為2.86；根據最大扭矩點進氣流量、海拔3 000 m的環境壓力和環境溫度，計算得到相應的折合流量為0.231 kg/s。選擇平原的標定轉速作為增壓系統的第二匹配點，采用同樣的方法計算得到此時增壓系統所需提供的增壓比為2，相應的折合流量為0.303 kg/s。

壓氣機特性的確定需要根據這兩個匹配點的計算結果，其主要原因是海拔3 000 m最大扭矩點處增壓系統需要實現最大的壓比，而平原工況的標定轉速處增壓系統需要實現最大的折合流量，而最大壓比和最大折合流量是選擇壓氣機特性的重要依據。根據這兩個匹配點的壓比和折合流量，確定霍尼韋爾公司生產的GT3776壓氣機為廢氣放氣式增壓系統的壓氣機元件，計算得到的匹配點在該壓氣機特性圖中的位置見圖2。

圖2 壓氣機特性的選配結果

在確定壓氣機特性以后，對于渦輪特性，則是只選擇海拔3 000 m的最大扭矩點作為匹配點。其主要原因是對于車用柴油機而言，最大扭矩點轉速和標定轉速決定了柴油機的穩定運行區域，而增壓系統匹配希望不同海拔下柴油機的穩定運行范圍變化不大，因此選擇高海拔的最大扭矩點主要是為了保證此工況下的渦輪功率輸出足以實現增壓系統的最大壓比，進而實現所需的進氣量，以達到保持柴油機的穩定運行范圍的目的。

針對第一匹配點工況，得到此時的壓氣機效率，再根據渦前溫度和渦輪增壓器的功率平衡關系式，計算得到增壓系統所需的渦輪膨脹比和相似流量，并選擇相應合適的渦輪特性，結果見圖3。

圖3 渦輪特性選配結果

從圖3中可以看出，所選配的渦輪等效面積要小于原機渦輪，以此來提供相應所需的渦輪膨脹比和渦輪功，進而強化壓氣機壓縮進氣的作用，實現在海拔3 000 m最大扭矩點轉速的增壓壓力恢復。將選配的壓氣機和渦輪特性輸入GT-Power計算模型，驗證采用該增壓系統方案時增壓壓力的恢復情況，結果見圖4。

圖4 不同海拔下增壓壓力的恢復情況

從圖4中可以看出，柴油機與該增壓系統匹配方案的聯合運行使得海拔3 000 m工況時柴油機的增壓壓力在1 100 r/min以上恢復到原機平原水平，但受限于壓氣機的運行范圍，在1 600 r/min以上增壓系統可能出現超速的情況(見圖5)；但在800～1 000 r/min的低轉速工況的增壓壓力低于原機平原水平，但也明顯高于原機在相同海拔下的增壓壓力。在平原工況下通過廢氣放氣閥的開度調整，采用該匹配方案可以使柴油機的增壓壓力與原機平原水平相同。可見，該匹配方案可以在不同海拔下實現增壓壓力恢復目標，而高海拔高轉速工況下可能出現超速的現象，表明受限于增壓系統的特性范圍，該匹配方案只能在有限的柴油機運行范圍內實現增壓壓力恢復以及相應的柴油機功率恢復目標。

圖5 不同海拔下增壓系統運行線

3 放氣閥變海拔控制策略

對于廢氣放氣式增壓系統而言，根據匹配點工況要求所確定的壓氣機和渦輪特性，在其他工況點需要通過調節廢氣放氣閥的開度來適應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轉速和扭矩運行范圍的基礎上增加了海拔高度這一變量，使得控制難度加大，因此基于增壓系統匹配方案確定相應廢氣放氣閥的變海拔控制策略就變得非常重要，通過制定合理的控制策略才能保證柴油機與增壓系統的正常聯合運行。

根據上述的廢氣放氣式增壓系統匹配方案，采用GT-Power計算模型在不同海拔下進行轉速和扭矩所構成的柴油機運行范圍的性能計算，得到不同海拔下的增壓壓力MAP圖(見圖6)。

從圖6中可以看出，增壓壓力的等值線走向都是從低轉速高扭矩延伸至高轉速低扭矩，其與柴油機功率等值線圖的走向趨勢相一致，這說明增壓壓力表征了柴油機的進氣量，而進氣量水平與柴油機功率輸出呈對應關系，可見在變海拔工況下增壓壓力恢復是實現柴油機功率恢復的前提。因此以實現柴油機變海拔功率恢復為目標的放氣閥控制策略的確定要以增壓壓力MAP圖為基礎，以保證不同海拔下柴油機的充足進氣量為前提條件。

圖6 不同海拔下的增壓壓力MAP圖

根據增壓系統的匹配方案可知，該匹配方案中渦輪特性的確定是以海拔3 000 m最大扭矩點轉速的目標增壓壓力200 kPa來選配的。隨著海拔高度降低，環境壓力逐漸增加，此時實現目標增壓壓力所需要的增壓系統壓比會逐漸減小，如果繼續保持廢氣放氣閥關閉，則會導致渦輪做功能力大于目標增壓壓力所對應的壓氣機耗功需求，則造成增壓壓力過高，柴油機可能會出現增壓過度、最高燃燒壓力超限等機械負荷方面的問題。因此隨著海拔高度降低，應該逐漸開啟廢氣放氣閥來調節增壓系統的壓縮進氣能力，保證柴油機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該以目標增壓壓力為基礎，這樣既可以保證增壓壓力和柴油機的變海拔功率恢復，也可以防止柴油機的機械負荷加重這一問題。

綜上所述，根據不同海拔高度下的增壓壓力MAP圖以及目標增壓壓力200 kPa，得到放氣閥的切換邊界線(見圖7)。可以看出，隨著海拔高度增加，柴油機外特性曲線逐漸下降，低轉速工況的變化幅度不大，而高轉速工況下變化幅度較大，相同轉速下其所對應的扭矩值減小了很多，這是由于該匹配方案的壓氣機特性范圍限制，使得高海拔下高轉速工況的扭矩輸出受限于壓氣機的超速線，使得壓比和折合流量無法繼續增加，否則將可能產生增壓系統超速。

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閉狀態轉換到調節狀態的分界線，因此其左下方區域為放氣閥關閉狀態，其右上方為放氣閥調節狀態。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不大。

基于圖7中的放氣閥切換邊界線，以增壓壓力恢復為目標，根據變海拔性能計算結果確定了不同海拔高度下放氣閥控制策略(見圖8)。其中閥門開度以放氣流量比來表示，其定義為流經放氣閥的廢氣流量與流經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，廢氣放氣閥關閉狀態的運行區域逐漸減小，廢氣放氣閥調節狀態的運行區域需要逐漸增大，而且轉速越高，關閉狀態的運行區域越小。在相同的高扭矩工況下，如果在低海拔工況下想要繼續保持目標增壓壓力不變，增壓系統需要通過調節放氣閥的開度來改變增壓系統的渦輪等效面積和渦輪做功能力，為壓氣機提供相應合適的渦輪膨脹功。

基于匹配方案，增壓系統可以實現變海拔增壓壓力恢復，進而實現柴油機的功率恢復目標；基于放氣閥變海拔控制策略，增壓系統可以根據不同工況下柴油機的進氣需求，調整相應的渦輪功水平，保證柴油機與增壓系統的正常聯合運行。

4 結論

a) 通過增壓系統匹配計算所確定的壓氣機和渦輪特性，可以在海拔3 000 m和平原工況使柴油機的增壓壓力恢復到原機平原水平；

b) 受限于壓氣機特性范圍，柴油機在高海拔高轉速工況下可能出現超速，這表明所確定的匹配方案只能在有限的柴油機運行范圍內實現增壓壓力恢復；

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

d) 隨著海拔高度的降低，廢氣放氣閥關閉狀態的運行區域逐漸減小，廢氣放氣閥調節狀態的運行區域需要逐漸增大，而且轉速越高，廢氣放氣閥關閉狀態的運行區域越小。

[1] Fosberry R A C，Holubecki Z. Some Consideration of the Effect of Atmospheric Conditions on the performance of Automotive Diesel Engines[C].SAE Paper 660744，1966.

[2] Wu T，Mc Aulay K J.Predicting Diesel Engine Performance at Various Ambient Conditions[C].SAE Paper 730148，1973.

[3] 楊勇，李志剛，沈宏繼，等.風冷柴油機高原恢復功率臺架模擬試驗研究[J].車用發動機，2005(2)：13-15．

[4] 劉瑞林，劉宏威，秦德.渦輪增壓柴油機高海拔(低氣壓)性能試驗研究[J].內燃機學報，2003，21(3)：213-216.

[5] 申立中，楊永忠，雷基林，等.不同海拔地區下增壓中冷柴油機的性能研究[J].汽車工程,2005，27(6)：674-677．

[6] 周廣猛，劉瑞林，董素榮，等．高壓共軌柴油機高海拔(低氣壓)燃燒特性[J]．內燃機學報，2012，30(3):220-226．

[7] 朱大鑫，董復興.6102柴油機配裝特制增壓器嘗試恢復高原功率[J]．柴油機，1994(4)：10-15．

[8] 廖云，周乃君，周成堯,等.4110國Ⅲ柴油機增壓器高原適應性試驗[J].內燃機與配件,2011(5):3-6.

[9] 吳旭靜，查紅，孫文政，等.某型越野車高原動力性恢復研究[J].輕型汽車技術,2014(9):8-15.

[10] 劉剛，劉瑞林，張恒超，等.SOFIM8142.43柴油機增壓器高原匹配模擬試驗研究[J].軍事交通學院學報,2010(1):47-50.

[11] 楊策，馬朝臣，李志剛，等.風冷柴油機高原恢復功率的模擬計算與實驗[J].清華大學學報(自然科學版),2004,43(12):1687-1690.

[12] 張建村，潘利群.高原柴油機的增壓器匹配性能研究[J].柴油機設計與制造,2005,14(3):10-12.

[13] 葉林保，楊林，高治宏.汽車用渦輪增壓柴油機高原性能的研究[J].現代車用動力,2006(1):39-43.

[14] 冀麗琴.GJ90B增壓器匹配斯太爾發動機高原功率恢復試驗研究[J]．山東內燃機，2003(3)：28-40．

[15] 張海雷.柴油機變海拔渦輪增壓技術研究[D].北京：清華大學，2008.

[16] 李華雷，石磊，鄧康耀，等.增壓柴油機變海拔增壓壓力恢復計算研究[J].柴油機,2014,36(4):9-13.

[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，主要研究方向為內燃機性能優化；haijiangsky@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.015

TK421.8

B

1001-2222(2017)03-0082-06