高性能柴油機兩級增壓器的匹配開發

吳旭陵,

( 1.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438；2.上海內燃機研究所,上海 200438)

0 前言

隨著增壓技術的不斷發展，并且單級渦輪增壓難以同時兼顧高、低速工況運行的要求，對于一定的排量，提高發動機的過量空氣系數，即意味著增壓壓比的提高。由于受到增壓器壓氣機出口溫度和最大壓比的限制，對于功率密度大，且廢氣再循環(EGR)率要求高的柴油機，使用單級增壓已經不能滿足壓力提高的要求，因此采用兩級增壓系統來滿足需求是較好的選擇。

發動機上使用兩級增壓器的主要優點有：(1)獲得更高的進氣壓力，提高發動機的動力性和高原適應能力；(2)拓寬增壓系統的流量范圍，可以使柴油機滿足高功率、大扭矩、低油耗的要求；(3)采用一大一小兩個增壓器，低速區域采用較小慣量的增壓器，高速區域采用較大慣量的增壓器，這樣既能有效解決低速時系統加速滯后，又能滿足了高速時進氣量的需求[1]。

兩級廢氣渦輪增壓系統主要有兩種類型：兩級串聯渦輪增壓系統和兩級并聯渦輪增壓系統。兩級串聯式增壓系統可以在發動機較寬廣的轉速范圍內實現高增壓比，提高低速扭矩特性，以拓寬發動機的高扭矩轉速范圍[2]。圖1示出了兩級串聯式增壓系統。

圖1 兩級串聯式增壓系統

該系統配有高低壓級增壓系統，通常高壓級渦輪內裝有放氣閥，當高壓級渦輪流通面積不夠時廢氣閥可以旁通部分廢氣至低壓級，防止因排氣背壓過大而引起增壓壓力過大、增壓器超速、燃油經濟性差的情況出現。一般來說，高壓級渦輪比低壓級渦輪小，這是為了發動機低轉速運轉時，較少的廢氣流量能夠推動小型高壓級渦輪機運轉，以產生足夠的增壓壓力來提升低速扭矩。當轉速逐漸上升，廢氣流量增大，高壓級渦輪的流通面積過小，如果不旁通，高壓級渦輪入口壓力將急劇上升，渦輪機超速，渦輪功率太大從而使壓氣機壓比過高。當轉速達到一定值，高壓級渦輪旁通閥完全打開，該級基本不起作用，不再提供發動機所需增壓壓力，此時發動機運行工況點向低壓級過渡。發動機低轉速時低壓級基本不提供增壓壓力；中高轉速時，高壓級渦輪旁通的廢氣流量推動低壓級渦輪機工作，產生渦輪功從而提供發動機扭矩。

兩級并聯渦輪增壓系統主要用來解決進氣系統流量過大的問題。其中一種典型結構如下圖2所示：

圖2 兩級并聯式增壓系統

該系統采用兩根排氣總管，每一根總管與1個渦輪增壓器相連，其中一根總管裝有1個蝶片閥，通過該閥的開、閉可使系統在1～2個增壓器之間進行轉換。在中、低速時，排氣系統的蝶片閥關閉，與之相通的增壓器由于沒有廢氣通過而停止工作，由另一增壓器單獨工作，類似單級渦輪增壓系統。隨著轉速的增加，廢氣流量也相應增加，逐漸超出單級增壓器的工作范圍，此時蝶片閥打開，兩增壓器同時工作。該兩級并聯渦輪增壓系統也是由一大一小增壓器組合，低速工況大增壓器不工作，中高速工況時小增壓器處于高流量區，大增壓器正常工作。這種類型的增壓系統通過兩個增壓器交替工作來覆蓋發動機寬廣的流量范圍，但它很難滿足發動機高增壓度要求，因此兩級并聯式增壓系統的應用不及兩級串聯式增壓系統廣泛。

1 兩級串聯式增壓器的工作原理

根據以上分析并結合開發目標及同類發動機對標分析，決定采用串聯式兩級增壓系統，其系統控制原理見圖3。

圖3 兩級增壓器工作原理

圖3中低壓級增壓器放氣閥(WGV)，控制高速區域增壓壓力及低壓級增壓器轉速，渦端控制閥(TBV)，控制高、低壓增壓器工作區域切換及同時工作時的排氣能量分配，壓端控制開關閥(CBV)，與TBV閥一起控制高、低壓增壓器的工作區域及共同作用時的貢獻量。

2 增壓器參數選擇

通過對標以及產品定位，確定了發動機開發目標，如外特性、比油耗目標、最大爆發壓力、海拔要求和排氣背壓等影響增壓器選型的主要性能參數。通過一維分析完成多種不同型號增壓器的選型，確定最佳的匹配方案，從而縮短開發周期、降低試驗成本。兩級增壓發動機一維模型建立見圖4。一維模型除發動機本體部分外，主要包括兩級增壓器(DTC)、水空中冷器(WCAC)、高壓EGR(HP-EGR)和低壓EGR(LP-EGR)回路幾個部分。

圖4 發動機一維模型

對6款不同增壓器進行了一維仿真，評估各增壓器的性能，主要評估內容如下：

(1)發動機功率、扭矩、油耗是否滿足目標要求；

(2)泵氣損失及充氣效率；

(3)進排氣壓力、溫度是否超過增壓器耐受限值；

(4)壓端及渦端效率；

(5)脈譜圖運行工況點，以確定是否有足夠的喘振及阻塞裕度[3]。

根據計算結果綜合考慮上述內容選出了最優方案(圖5)。該方案中發動機各運行工況點大部分運行在脈譜圖中高效區域，且有足夠的喘振及阻塞裕度。

圖5 最優方案增壓器性能分析

圖6示出了對于兩級增壓器的協同工作情況，外特性工況下，兩級增壓器的配合情況良好。發動機轉速為1 000～1 500 r/min時廢氣流量較小時，僅高壓級增壓器(HP-TC)工作，通過高壓級渦端VGT開度控制增壓壓力，CBV、TBV、WGV均處于關閉狀態，低壓級增壓器(LP-TC)僅起到氣體流通作用；發動機轉速為1 500～3 000 r/min時，廢氣流量增大到一定程度，VGT全開，高壓級渦端流量過高時TBV打開，通過TBV的開度控制增壓壓力。此時WGV仍處于關閉狀態，兩級增壓器協同工作；發動機轉速為3 000～4 000 r/min時，排氣流量進一步增大時，VGT、TBV均全開，此時CBV開啟，高壓級增壓器僅起到很小的增壓作用，同時啟用WGV，以控制增壓壓力及奪壓器運轉。

圖6 兩級增壓器協同運行情況

3 增壓器設計

3.1 方案設計

研究的柴油機使用了串聯式的兩級增壓器，由于總布置限制，留給增壓器的設計空間有限，采用了兩種量產的增壓器平臺集成在一起的方式構建成了兩級增壓器，如圖7所示，其中高壓級選用VGT，以獲得優良的低速響應能力和加速性能，低壓級選用大流量的WGT廢氣旁通渦輪增壓器，擁有良好的渦端和壓端效率，獲得高功率密度[4]。高低壓兩級增壓器通過4個控制閥達到不同工況下的性能要求，有效地解決系統加速滯后的問題，滿足柴油機高功率、高扭矩、低油耗的要求。

圖7 兩級增壓器

3.2 壓端級間流道設計及仿真

充量系數反映了進氣過程的完善程度，是衡量發動機性能的重要指標。提高充量系數最重要的措施就是降低進氣系統的阻力損失。因此壓端進氣流道不但會影響增壓器脈譜圖，還影響了增壓器的性能，另外還會影響充量系數進而影響發動機的性能[5-6]。對于本文所述的兩級增壓器，高低壓增壓器本身采用的是量產產品，已經得到驗證，因此兩級增壓器間的流道設計優劣直接影響增壓器的性能。根據總體方案，設計了幾種壓端流道，見圖8。

圖8 3種壓端的流道方案

評價方案的優劣主要根據總壓降及速度均勻性來評估。 通過計算流體力學(CFD)分析，3種方案的計算結果見圖9，具體數值見表1。

圖9 壓端進氣流道壓力和速度分布結果

方案總壓壓降/kPa速度均勻性114.90.92723.10.956312.60.887

根據上述兩個指標的綜合評價，可見方案2為最佳方案。

4 性能匹配

4.1 試驗工況點選擇

根據發動機應用情況分析，需要匹配多種車型平臺，包括輕型車、重型車的應用。在選擇試驗工況點時候要綜合考慮各車型平臺車重及重型和輕型車的區別，選出適合這兩類車型的試驗點。經過綜合考慮，依據如下原則選擇試驗工況點：

(1)綜合考慮輕型車和重型車的外特性；

(2)選擇部分負荷點，盡量覆蓋輕型車和重型車排放測試循環的原則；

(3)考慮重型車的高負荷并使用EGR的點。

根據以上原則，表2列出了選擇的試驗工況點。

4.2 試驗方案

通過仿真結果分析選定增壓器基本型號后，在該系列內選擇了幾種增壓器的細化方案進行對比試驗，最終確定兩級增壓器詳細參數。表3示出了兩種方案增壓器的主要參數，通過試驗對比，由于方案2在低轉速工況油耗較高，排放較差，并且在額定點功率無法達到設計要求，因此最終選擇方案1為兩級增壓器定點方案。

表2 試驗工況點

表3 兩級增壓器型號及參數

4.3 發動機性能

確定了增壓器參數后，經過一系列其他系統的優化，最終經過發動機臺架試驗，得出的結果見圖10。

圖10 匹配外特性曲線

通過圖10所示的結果可以看出，發動機整體性能良好，額定功率和峰值扭矩均可以達到目標值。增壓器匹配選型初步完成，滿足開發目標。

5 總結

雙級增壓器能夠有效提升發動機的功率密度，從而達到發動機小型化、輕量化的要求。采用該技術可以全面提升低速扭矩和最大功率，同時在各個工況下燃燒充分，降低油耗。

另外，完整的介紹了雙級增壓器的選型匹配過程。經過一維性能分析，結構設計與CFD流道優化，最終在臺架上完成了性能驗證，達到開發指標。

提出的雙級增壓器選型匹配方案中，仿真分析、流道優化思路以及性能驗證工況點的選擇等，都可為其他項目開發思路所借鑒。