柴油機增壓系統變海拔自適應技術研究現狀與發展趨勢

張眾杰，劉瑞林，梁志峰，夏南龍，周廣猛，楊春浩

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柴油機增壓系統變海拔自適應技術研究現狀與發展趨勢

張眾杰1，劉瑞林1，梁志峰1，夏南龍1，周廣猛1，楊春浩2

（1.軍事交通學院，天津 300161；2.海軍工程大學，武漢 430000）

分析了高原環境條件下柴油機功率下降、油耗增加、增壓器效率下降、渦輪超溫超速等問題，考慮采用自適應增壓系統改進柴油機和增壓器高原運行存在的問題。介紹了可變截面渦輪增壓系統（VGT）、普通二級可調增壓系統（TST）、復合增壓系統（C2T）、基于VGT二級可調增壓系統（R2T）幾種典型的可調增壓系統的結構原理和高原應用現狀。最后，結合柴油機變海拔和變工況的運行特點，從增壓系統結構布置、智能優化算法、控制理論、多系統協同控制和增壓器內部流場優化控制五個方面提出了增壓系統高海拔自適應技術的發展趨勢。

變海拔；柴油機；增壓系統；自適應技術

高原環境條件對柴油機各子系統和整機性能都有較大影響。據統計，海拔每升高1000 m柴油機動力性下降4.0%~13.0%，經濟性下降2.7%~12.9%，HC，CO和煙度的排放量平均增加30%，35%，34%。這是因為大氣壓力降低，進入氣缸內的空氣量減小，壓縮終點氣缸內混合氣壓力和溫度降低，使得噴入缸內的燃油不能及時著火，造成燃燒滯后，等容度下降，燃燒放熱率重心后移，導致柴油機功率下降，燃油消耗率上升，排氣溫度增加，排放性能惡化。同時，隨著海拔上升，壓氣機進入低雷諾區，渦輪進入跨聲速區，增壓器工作范圍變窄、效率降低，易出現壓氣機喘振、渦輪超速現象[1-2]。

車輛在高原公路（如青藏線、川藏線和滇藏線等）行駛時，具有海拔高、落差大、環境惡劣、工況復雜等特點，這對柴油機變海拔適應能力提出極高要求。同時，隨著電控技術逐步在柴油機各子系統的廣泛應用，加之越來越嚴格的排放法規，柴油機變海拔工作中的可控參數和優化目標將越來越多，開展基于多參數控制和多目標優化的柴油機增壓系統變海拔自適應技術研究將具有重要意義[3-4]。

1 高原環境對柴油機及增壓系統性能 影響

1.1 柴油機性能下降

根據某六缸高壓共軌柴油機不同海拔（0~5500 m）性能仿真和試驗數據分析，認為柴油機高原性能存在如下問題：功率和油耗下降較大；低速轉矩下降嚴重；最大轉矩轉速向高速區偏移；熱負荷增加；排放性能惡化（HC，CO，NO和碳煙排放增加）；起動、加速性能差，瞬態響應性遲緩。在高原環境條件下，由于柴油機進氣壓力較低，進氣量不足，這些問題更加突出[5-8]。如圖1所示，相對0 m海拔，海拔5500 m標定功率下降達33.7%，在800～1000 r/min時，柴油機有效功率下降42.1%～62.4%，燃油消耗率最大增加18.6%[1]。

圖1 不同海拔高壓共軌柴油機全負荷速度特性曲線

1.2 增壓器特性下降

隨著海拔升高，排氣背壓降低，排氣溫度升高，壓氣機進口雷諾數下降，渦輪入口相對馬赫數增大。這些因素共同作用導致[9-11]：壓氣機進入低雷諾區域，工作范圍變窄；壓氣機喘振傾向增加；渦輪進入跨聲速區，渦輪堵塞和超速可能性增大；增壓器可靠性下降。隨著海拔增加，壓氣機入口雷諾數降低，壓氣機與柴油機聯合運行線逐漸偏離壓氣機高效率區，喘振傾向增加，在海拔4000 m，出現渦輪超速問題，如圖2和圖3所示。

圖2 不同海拔下壓氣機入口雷諾數的變化曲線

圖3 不同海拔下壓氣機和柴油機聯合運行線

2 高海拔增壓系統自適應技術研究現 狀

為了提升柴油機及增壓系統高原性能，從增壓系統改進方向考慮，主要有兩種方式：（1）為現有柴油機重新匹配大流量高壓比的增壓器[12-13]；（2）采用變海拔自適應增壓系統，將可調增壓系統與電控技術結合，實現增壓系統變海拔、變工況的自調整和自適應功能。方案（1）渦輪增壓器與柴油機匹配針對固定海拔和工況，存在平原增壓壓力過高、高原低速小負荷功率恢復不足、瞬態響應遲緩和渦輪超溫超速等問題[14]。

2.1 幾種先進的渦輪增壓系統

方案（1）中的變海拔自適應增壓系統能夠根據海拔和柴油機工況的變化自行調節增壓壓力和進氣流量，顯著提高高原環境下柴油機動力性、經濟性和排放等性能指標，提升增壓器與柴油機高原匹配特性[15-18]。目前面向高原的自適應增壓系統主要有VGT，TST，C2T，R2T等四類。其中TST包括串聯式TST和并聯式TST兩種控制模式，C2T包括機械+渦輪增壓（MC2T）、電輔助+渦輪增壓（EC2T）兩種型式。

歐美國家研究車用渦輪增壓技術較早，先進的自適應增壓系統已實現商業化[19-21]。由于西方發達國家大多平原地區，針對高原環境下柴油機與增壓系統性能研究不多，有代表性的研究機構包括：美國陸軍研究室[22]、IEVCO公司[23]、VE商用車公司[24]、意大利薩蘭托大學[25]、西班牙瓦倫西亞理工大學[26]等。在0~3000 m海拔范圍內，為減少油耗和控制排放，將VGT，TST，C2T三種自適應增壓系統應用于高原柴油機。鑒于國內特有的高原型地理特點和恢復柴油機高原功率的客觀需求，近年來，自適應增壓系統研究逐步受到國內一些科研機構的重視。主要研究機構包括：清華大學[27-28]、北方發動機研究所[29]、北京理工大學[20-31]、上海交通大學[32-35]和軍事交通學院[36-38]等單位。清華大學和北方發動機研究所針對VGT高原匹配、增壓壓力MAP標定、VGT不同工況的控制策略以及流場優化等方面開展了大量的研究工作。北京理工大學和上海交通大學針對TST和C2T系統高原選型匹配、渦輪旁通閥變海拔調節特性和增壓壓力MAP標定、渦輪旁通閥瞬態工況控制策略等方面開展了大量的仿真和臺架試驗研究。軍事交通學院針對現有VGT和TST系統變海拔和變工況能力不足、低速轉矩提高不足、瞬態響應慢等問題，提出一種R2T系統，設計了R2T高海拔控制系統和相應的控制策略，并通過仿真和臺架試驗驗證了R2T可以有效提高0~5500 m海拔下柴油機和增壓器的各項性能指標。

2.2 高海拔下先進的增壓系統比較分析

現有變海拔自適應增壓系統提升柴油機性能參數比較分析見表1。

表1 高海拔條件下不同自適應增壓技術比較

注：“+”的多少分別表示改善或惡化的程度。

從表1中可以看出，VGT系統能夠實現柴油機變工況自適應增壓，但是受增壓比限制，VGT變海拔適應能力較差，若匹配大流量的VGT系統，必然導致柴油機中低轉速轉矩提高不足，車輛的瞬態響應遲緩。TST能夠提供高壓比、寬流量，有效提高柴油機高原進氣壓力，但匹配工況固定，變工況適應能力不足，低速轉矩和瞬態工況響應性較差。MC2T不存在渦輪遲滯，瞬態響應性最好，但是在增壓過程中會損失柴油機一部分功率，不利于柴油機高原功率恢復。EC2T能夠消除渦輪遲滯問題，可根據柴油機工況和海拔的變化精確控制增壓壓力，是較有潛力的變海拔自適應增壓系統[39]，但存在電機轉速不足、增壓器軸承劇烈振動、電機受高排溫可靠性差和電機變工況加速潛力不足等問題。R2T能夠在海拔5500 m全工況條件下，使得柴油機功率恢復至平原水平的90%以上，大幅提高低速轉矩，有效避免了增壓器效率降低、壓氣機喘振、渦輪超溫和超速等問題。在柴油機低速時，低壓級渦輪做功能力較弱，起不到增壓作用。同時R2T不能根據海拔和工況和變化合理分配渦輪功，在高原環境下排氣能量不能夠得到最大化利用。

3 高海拔增壓系統自適應技術發展趨勢

針對目前變海拔自適應增壓系統研究現有問題和缺陷，筆者從五個方面提出未來高原型自適應增壓系統的發展趨勢。

3.1 新型多級增壓系統

在變海拔、變工況下，為實現柴油機多目標優化控制，將不同增壓系統的優勢相結合，采用多級、多控制閥的增壓系統是未來高原自適應增壓系統的發展方向[40]。圖4為2014年寶馬和博格華納[41]聯合開發的三級可調增壓系統（R3T）。該增壓系統高壓級采用雙VGT并聯布置，低壓級采用普通渦輪增壓系統，在不同工況條件下，系統中五個控制閥協同控制執行五種不同的控制策略。與R2T相比，R3T可以大幅度提高中低轉矩，最大轉矩點提前至低轉速區，擴大了壓氣機高效率區工作范圍。圖5為日本橋本宗昌[42]利用仿真和試驗兩種方式比較雙VGT串聯布置和并聯布置兩種控制方案，結果表明，與并聯方案相比，雙VGT串聯方案能夠合理調節高、低壓級渦輪功分配，燃油消耗率、NO排放和碳煙明顯降低，高壓級渦輪轉速響應時間明顯縮短。

3.2 多目標智能優化算法

隨著電控技術的快速發展和排放法規的越發嚴格，在高原環境下，為了實現多目標優化，柴油機及增壓系統控制參數逐漸增多，噴油壓力、噴油提前角、噴油量、增壓系統旁通閥及VGT葉片開度、EGR率、可變氣門正時和幾何壓縮比等，各控制參數之間互相影響。柴油機需要優化的性能指標有多個：轉矩、燃油消耗率、NO、碳煙、CO、HC、瞬態工況響應時間等，不同優化目標之間互相影響，如何折中各優化目標，實現柴油機高海拔下的性能最優，將是今后研究的重點。在高原環境下，柴油機各子系統之間屬于氣動連接，目標函數無法用解析表達式寫出，傳統優化方法要求的連續可微或局部極小值等并不適用。目前新發展的智能優化方法[43-49]如：遺傳算法（Genetic Algorithm）、模擬退火（Simulated Annealing）、粒子群算法（Particle Swarm Algorithm）等智能算法具有較好的魯棒性、全局性，在柴油機變海拔非線性多目標優化方面問題具有巨大優勢，表2列出了多參數智能優化方法。

由表2可以看出，不同的智能優化算法有各自的優缺點，將多種智能優化算法結合[50-53]，形成智能混合優化算法將更加有助于解決高海拔柴油機非線性多目標優化問題。

圖4 BWM可調兩級增壓系統

圖5 雙VGT二級可調增壓系統

表2 不同優化算法比較

注：“+”的多少分別表示改善或惡化的程度

3.3 先進的控制理論

在變海拔和變工況下，柴油機熱力過程是以燃燒過程、流體流動、熱量傳遞為基礎，設計柴油機機構參數、氣體動力學參數和熱力學參數，可變因數多、非線性、時變性和隨機性大，是可變互耦系統的控制優化問題。傳統的PID（包括PID改進型）的控制理論在調節范圍、控制精度、自適應能力方面均有限，難以滿足柴油機變海拔運行時工況較多，變化范圍廣的工作特點。先進的控制理論，如模糊控制、神經網絡預測控制、模型預測控制（MPC）、自適應控制、滑膜控制等因其良好的響應性、極佳的魯棒性和較強的控干擾能力將具有更加明顯的優勢[53-57]。代表性的有2015年德國亞琛工業大學[58]針對某汽油機二級可調增壓系統采用非線性模型預測控制（Nonlinear Model-based Predictive Controllers)，該控制理論能夠耦合多系統輸入，并在約束條件下取得較高的控制質量。

表3 不同控制理論比較

注：“+”的多少分別表示改善或惡化的程度。

為進一步提高增壓系統變海拔自適應能力，將兩種或兩種以上的智能控制理論結合起來，提出擴展型控制理論逐漸成為研究熱點[60-61]。

3.4 多系統協同控制

柴油機變海拔、變工況條件下，將柴油機增壓系統、氣門升程、噴油系統、氣缸壓縮比、EGR閥等多系統、多執行器協同控制，能夠實現柴油機在不同海拔下多目標的優化控制，全面提升柴油機各項性能指標[62-65]。目前，關于柴油機變海拔多系統協同控制的相關剛剛起步。北京理工大學李長江和上海交通大學李華雷對噴油和增壓策略對柴油機變海拔的影響規律做了初步的研究。李長江針[65]對增壓系統在過渡工況中存在增壓壓力突降的問題，采用壓氣機旁通閥晚關和延遲噴油兩種策略。李華雷[66]針對TST系統存在高海拔特定工況下增壓器效率下降和泵氣損失增加問題，提出燃油補償控制于渦輪旁通閥控制相結合，達到增壓壓力的恢復目標。

3.5 高海拔下增壓器內部流場的優化控制

現有自適應增壓系統研究面臨的共同難點是，葉片通道內部的流動非線性和非定常性及旋渦結構的復雜性。旋渦分離流動對增壓器的效率、失速裕度、級性能和內燃機的整機性能有影響，導致自適應增壓系統氣動設計與流場匹配難度大為增加[38]。在高原環境條件下，壓氣機進入低雷諾數區域，渦輪進入超臨界區域，同時，增壓比提高導致離心壓氣機穩定工作范圍急劇降低，壓氣機內部產生畸變流場[68]。有必要研究壓氣機和渦輪機變海拔、全工況內部流動規律及性能影響機理，探討增壓器主要幾何參數（如：壓氣機葉輪進口相對直徑、壓氣機進口葉尖葉片角、壓氣機出口相對寬度、壓氣機出口后彎角、蝸殼喉口面積、渦輪入口葉輪半徑、渦輪出口葉尖半徑等）對增壓器變海拔全工況性能的影響。建立以高海拔柴油機全工況性能為設計目標，增壓器關鍵幾何參數為設計變量的增壓器變海拔多工況流通設計的新方法[10,69-70]。

4 結語

1）簡要分析高原環境對柴油機動力性、經濟性、熱負荷和增壓器與柴油機匹配特性影響，提出了兩種增壓系統改進方案。

2）比較了現有幾種高原自適應增壓系統的性能指標參數，分析了各增壓系統提升柴油機高原性能的潛力。

3）針對目前變海拔自適應增壓系統中存在的不足，從增壓系統結構布置、智能優化算法、先進控制理論、多系統協同控制和增壓器流場優化控制等五個方面，提出了未來高海拔自適應增壓系統的研究的重點。

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Research Status and Development of Self-adaptive Technology for Diesel Engine with Turbocharging System at Varying Altitudes

ZHANG Zhong-jie1, LIU Rui-lin1, LIANG Zhi-feng1, XIA Nan-long1, ZHOU Guang-meng1, YANG Chun-hao2

(1.Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Naval University of Engineering, Wuhan 430000, China)

Problems of power declining, fuel consumption increasing, and efficiency of turbocharger dropping, over temperature and over-speed of turbine of diesel engine were analyzed. Various regulated turbocharging systems were taken into consideration to improve the diesel engine and turbocharger running at high altitude. Variable geometry turbocharging (VGT), classical two-stage regulated turbocharging (TST), compound turbocharging (C2T) and two-stage regulated turbocharging based on VGT (R2T) were introduced, including structure principle and application of the systems at plateau.At last, the development trend of self-adaptive turbocharging technologies were put forward from five aspects: structural arrangement of turbocharging system, intelligent optimization algorithms, control theories, multi-system cooperative control, optimizing inner flow field of turbocharger, and combined with the characteristics of diesel engine working at varying operations and altitudes..

varying altitudes; diesel engine; turbocharging system; self-adaptive technology

TJ07；TK421+.8

A

1672-9242(2017)10-0001-07

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.001

2017-05-19；

2017-06-31

張眾杰（1989—），男，山西長治人，博士，主要從事車用渦輪增壓技術研究。