一款柴油機匹配兩級增壓器的試驗分析

尚 明 姜 山 吳旭陵 曹家駿 高 祥 胡建月

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

0 前言

隨著渦輪增壓技術(shù)的不斷革新，增壓柴油機的數(shù)量也越來越多。應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)可以改善柴油機動力性和經(jīng)濟性等諸多性能。傳統(tǒng)單級渦輪增壓器無法同時兼顧低速大扭矩和高速高功率的運行要求。目前，國外發(fā)動機企業(yè)開始使用兩級渦輪增壓器，如大眾推出的EA288 2.0T兩級增壓柴油機，選用小慣量的可變截面渦輪增壓器（VGT）用于高壓級，以提高低速段扭矩，可達到500N·m（1 750～2 500r／min）。選用大流量的廢氣旁通渦輪增壓器（WGT）用于低壓級，以提高高速功率，可達到176kW（4 000r／min），性能提升非常顯著。但目前國內(nèi)鮮有兩級渦輪增壓器在整車上的實際應(yīng)用，因此研究兩級增壓器和車用柴油機的匹配顯得愈加重要。

1 增壓器匹配要求言

增壓器的匹配一般要滿足如下要求：

（1）發(fā)動機在功率、扭矩、油耗和排放等指標達到設(shè)定目標；

（2）增壓器在柴油機的整個運行區(qū)域內(nèi)均能保持較高的效率且工作穩(wěn)定可靠，不發(fā)生喘振、堵塞和增壓器超速現(xiàn)象；

（3）增壓器響應(yīng)快，滿足整車加速性能指標和動態(tài)排放循環(huán)空氣跟隨要求。

2 柴油機與增壓器

試驗選用一款增壓中冷，帶廢氣再循環(huán)（EGR）的高性能柴油機，其主要參數(shù)如表1所示。

基于本柴油機結(jié)構(gòu)和性能目標，通過一維仿真分析確定了高壓級和低壓級增壓器的壓端和渦端的輪子直徑、Trim值和渦輪面徑比（A／R），并選用參數(shù)接近的增壓器。最終選擇了兩款增壓器，其型號及參數(shù)見表2。

表1 柴油機主要參數(shù)機設(shè)計目標

表2 兩級增壓器型號及參數(shù)

兩款增壓器的高壓壓氣機與低壓壓端參數(shù)一致，低壓渦輪的渦前、渦后直徑一致。但是方案2的低壓A／R較小，且渦輪殼體較小。

隨后對增壓器流道進行計算流體力學（CFD）分析，以選擇充量系數(shù)最高的流道設(shè)計方案。本課題中流道設(shè)計的關(guān)鍵是壓端流道設(shè)計分析。基礎(chǔ)對標方案為壓端流道方案。選項1系列為不改變低壓級壓殼，只改變高壓級壓殼及流道。選項2系列為同時改變高低壓級壓殼及流道。選項1和選項2各有4種設(shè)計方案。通過CFD分析，以總壓壓降和速度均勻性為評價指標，得出選項1.2為最優(yōu)設(shè)計，選項2.2次之，壓端流道方案最差。如下圖1、圖2、圖3所示。

圖1 基準LP壓端進氣流道結(jié)構(gòu)

圖2 選項1.2LP壓端進氣流道結(jié)構(gòu)

圖3 選項2.2LP壓端進氣流道結(jié)構(gòu)

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，本課題研究制作了3款增壓器樣件，如表3所示。并針對3款增壓器進行了匹配分析。

表3 兩級增壓器樣件方案

3 試驗工況點定義

本柴油機將應(yīng)用于輕型車和重型車。柴油機選配一款兩級增壓器，通過標定滿足兩種車型的應(yīng)用要求。所以在選擇試驗工況點的時候要綜合考慮兩種車型性能和排放的區(qū)別，選出適合兩種車型的試驗點。

本項目依據(jù)如下原則選擇試驗工況點：

（1）輕型車的外特性高于重型車，故選擇輕型車外特性中的最大功率、最大扭矩和低速扭矩點；

（2）重型車外特性區(qū)域需要使用EGR系統(tǒng)，故選擇重型車最大扭矩點和最高功率點；

（3）部分負荷點要覆蓋輕型車和重型車排放測試循環(huán)。

綜上所述，得出試驗工況點，如表4所示。

表4 試驗工況點

工況點1～4是輕型外特性的特征點；工況點5～9是輕型全球統(tǒng)一輕型車試驗循環(huán)（WLTC）工況特征點，同時兼顧重型全球統(tǒng)一試驗法（WHTC）工況；工況點10、11是重型外特性的特征點；工況點12是重型全球通用穩(wěn)態(tài)循環(huán)（WHSC）工況特征點。每個試驗工況點的試驗方法不同。一般選擇對特征點影響最大的參數(shù)因子做變因子試驗。

4 試驗結(jié)果對比分析

4.1 試驗條件和評價原則

為保證試驗結(jié)果的有效性和可比性，試驗過程中嚴格限制環(huán)境壓力、溫度、中冷后進氣溫度、燃油溫度、排氣背壓等試驗控制條件，并嚴格控制最大爆發(fā)壓力、最高增壓壓力、最高渦輪前排氣壓力和溫度等試驗邊界條件，防止這些因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。本文中增壓器選型試驗的評價原則主要是動力性、經(jīng)濟性和排放，暫不對增壓器喘振余量、轉(zhuǎn)速余量、工作效率、響應(yīng)性等指標展開論述。

4.2 工況點1結(jié)果分析

圖4為工況點1（輕型車額定功率點）改變進氣歧管壓力試驗結(jié)果。試驗中保持油軌壓力、最大爆發(fā)壓力一致。在3款增壓器中，只有DTC1達到了160.0 kW的功率目標，最大為160.9kW。DTC1的比油耗也較DTC2和DTC3低，功率160kW時比油耗略高于目標230g／（kW·h），后續(xù)標定優(yōu)化后有潛力達到目標。DTC3低壓渦輪后的背壓與DTC1基本一致，但高壓渦輪前背壓明顯高于DTC1，這是由于DTC3低壓級渦輪的A／R較小，渦輪殼體也較小，排氣阻力大，導致高壓渦輪前背壓和油耗較高。

4.3 工況點4結(jié)果分析

圖五為工況點4（轉(zhuǎn)速 1 000r／min，扭矩245 N·m）改變進氣歧管壓力的結(jié)果。試驗中保持油軌壓力和最大爆發(fā)壓力一致。DTC3的油耗和煙度情況優(yōu)于DTC1，這是由于DTC3LP增壓器渦輪殼體較小，LP增壓器轉(zhuǎn)速較高，對廢氣能量的利用率更高，LP壓氣機后壓力更大，達到相同的增壓壓力只需要較低的HP增壓器轉(zhuǎn)速即可。而同時該工況排氣流量小，泵氣損失增加不明顯。DTC3的煙度也好于DTC1和DTC2。DTC2的油耗煙度均較差。

4.4 工況點5結(jié)果分析

圖6 為工況點 5（轉(zhuǎn)速 1 500r／min，扭矩 48 N·m）改變EGR率的結(jié)果。試驗中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用高壓EGR，CA50控制在上止點后11°CA。在整個氮氧化物（NOx）排放變化范圍內(nèi)，DTC3油耗和煙度較低，同樣也是DTC3低壓級渦輪殼體較小的優(yōu)勢。DTC2的油耗和煙度均較差。

4.5 工況點9結(jié)果分析

圖7為工況點9（轉(zhuǎn)速2 200r／min，扭矩254 N·m）改變EGR率的結(jié)果。試驗中保持油軌壓力、增壓壓力一致，只使用低壓EGR，CA50控制在上止點后11°CA。在整個NOx排放變化范圍內(nèi)，DTC3油耗和煙度較低，增壓器運轉(zhuǎn)情況與工況點5基本相同。DTC2的油耗和煙度均較差。

4.6 工況點10結(jié)果分析

圖4 工況點1試驗結(jié)果

圖5 工況點4試驗結(jié)果

圖8 為工況點10（轉(zhuǎn)速3 500r／min，扭矩396 N·m）改變主噴提前角的結(jié)果。此工況為重型功率點，在國六法規(guī)中此點為排放區(qū)域，所以試驗過程中要在比NOx排放一致的情況下進行比較。試驗中保持油軌壓力、增壓壓力和比NOx排放一致。DTC1的油耗最優(yōu)，煙度與DTC3接近。結(jié)果與工況點1基本相同。

4.7 試驗結(jié)果綜合評價

圖6 工況點5變EGR率試驗

綜合比較上述3種方案在不同工況點與發(fā)動機匹配的結(jié)果可得，只有DTC1能夠達到輕型車目標功率。在輕型車功率點（工況點1）和重型車功率點（工況點10），DTC1的油耗和煙度有較大優(yōu)勢，DTC3次之，DTC2最差。在輕型車低速扭矩點和最大扭矩點（工況點2～4）和排放特征點（工況點5～9），DTC3的油耗和煙度有優(yōu)勢，DTC1次之，DTC2最差。對于重型車最大扭矩點（工況點11）和重型車排放特征點（工況點12），DTC1和DTC3的油耗和煙度基本持平，DTC2最差。

綜合評價12個工況點結(jié)果，DTC1是輕型柴油機的最優(yōu)方案，DTC3是重型柴油機的最優(yōu)方案。綜合考慮各種因素，最終選擇DTC1為本項目的最終方案。

圖7 工況點9試驗結(jié)果

5 結(jié)論

增壓器匹配試驗的工況點選擇要考慮外特性特征點和排放特征點。其中，排放特征點的選擇要兼顧輕型車和重型車排放測試循環(huán)。試驗過程中要嚴格保證試驗控制條件和邊界條件，確保試驗結(jié)果的有效性和可比性。

每個試驗工況點的試驗方法不同。一般選擇對特征點影響最大的參數(shù)因子，進行變因子試驗。本項目中，輕型外特性特征點做進氣壓力變化試驗，排放特征點做NOx排放變化試驗，重型功率點做主噴提前角變化試驗。

圖8 工況點10試驗結(jié)果

采用較小LP渦輪殼體的兩級增壓器，在除功率點附近的其他區(qū)域，油耗和排放均有優(yōu)勢。但在功率點附近渦輪前排氣背壓大、排氣溫度高，導致最大功率受限、油耗升高。

兩級增壓器的流道設(shè)計是增壓器設(shè)計的關(guān)鍵。HP壓氣機進氣管路應(yīng)盡量與壓輪軸線平行，以減少氣流能量損失。LP壓氣機排氣管道應(yīng)盡量平直，以減少壓力損失。排氣歧管出口到兩級渦輪的入口距離應(yīng)盡可能短，以減少排氣阻力和排氣能量損失。