柴油機復合渦輪系統全工況性能研究

馮子浩，簡曉春，吳勝利

（重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400041）

0 引言

內燃機排氣中蘊含著可觀的能量，但因其能量密度低、品質不高，高效回收利用技術難度大，使其研究進展緩慢。近年來，研究發動機余能回收的技術主要包括有機朗肯循環（ORC），復合渦輪和熱電轉換。其中，有機朗肯循環雖然有較高的回收效率，并能同時回收發動機排氣與冷卻系統中的熱能，但其結構復雜，成本高，而且在有限的車內空間中布置困難，想要在汽車上得到廣泛應用，還有很長的路要走[1-2]。至于熱電轉換技術，因其轉換材料不合適和目前來看較低的轉換效率，在實際應用之前還需要進一步的研究[3-4]。

與前兩種主流回收技術相比，復合渦輪技術的配置簡單、成本較低、技術簡單，在重型柴油機中的應用較為成功[5-7]。

本文建立由增壓渦輪與動力渦輪組成的串聯式復合渦輪系統仿真模型，詳細分析不同工況下，復合渦輪性能變化，對比原發動機，研究復合渦輪發動機性能特點。

1 復合渦輪系統結構及熱力學模型

1.1 基本結構

如圖1所示的系統結構圖中。工質首先進入壓氣機提升進氣壓力，之后在中冷器中冷卻降溫，最后再排入氣缸中與燃料混合并燃燒。氣缸排出的廢氣首先通過增壓渦輪膨脹做功用來驅動壓氣機。之后再通過與增壓渦輪串聯的動力渦輪中進一步膨脹做工以驅動高速勵磁發電機工作。其中，增壓渦輪與動力渦輪均為徑流式渦輪，因其結構緊湊、便于排氣管道的布置等優點，更加適合緊湊的車內空間。

圖1 復合渦輪系統結構圖

1.2 系統熱力學模型

其復合渦輪發動機系統的仿真模型中需要考慮渦輪膨脹比、排氣溫度、排氣背壓等參數對發動機節油率、泵氣損失等參數的影響。因此，其熱力學模型如下：

式中，π表示壓氣機或渦輪的壓縮比或膨脹比；角標c，hp，lp分別表示壓氣機、增壓渦輪、動力渦輪。柴油機進氣量、充氣系數與壓氣機壓縮比之間的關系如下：

式中，n表示發動機轉速；min表示氣缸的進氣量；ηc表示充氣效率；R表示氣體常數，一般取287。增壓渦輪、壓氣機、動力渦輪的功率與各自流通工質狀態參數的關系可以表示為：

式中，ηhp表示增壓渦輪的效率；mex表示發動機排氣的質量流量；表示排氣的比熱容；k表示氣體比熱比；表示渦輪增壓系統的傳遞效率；ηlp表示動力渦輪的效率。知道了復合渦輪各部件的膨脹比與功率就能得出發動機的泵氣功率與比油耗。

式中，Vs表示氣缸容積；Pe表示發動機的指示功率。Pt表示復合渦輪發動機的有效功率；

2 試驗系統建立與驗證

試驗機參考一款單級增壓式柴油機，并基于GTpower建立了包含柴油機、增壓渦輪、動力渦輪發電機在內的仿真模型。其發動機基本參數如表1所示。按照該發動機的布置形式，簡化處理了部分管道。仿真模型的進出口邊界設置為標準的大氣環境。缸內燃燒模型采用雙韋伯放熱規律，使用Woschni傳熱關系式。壓氣機采用軟件自帶的MAP圖模型。渦輪則采用渦輪流通模型代替MAP圖模型。其中增壓渦輪選擇發動機原廠配套的增壓渦輪。動力渦輪的匹配方法及流通模型可參考文獻［8］。

表1 發動機基本參數

其中，發動機模型選取的轉速范圍在800rpm到2200rpm之間。外特性下發動機功率和扭矩的計算結果與實測數據（如圖2所示）基本吻合，最大誤差在4%左右。該仿真模型具有一定的精度和可信度，滿足計算要求。

圖2 計算數據與實驗數據對比（功率）

3 計算結果分析

3.1 復合渦輪全工況運行分析

從圖4（a）可以看出，增壓渦輪與動力渦輪的膨脹比均隨發動機轉速的升高而升高。其中增壓渦輪的膨脹比在低轉速時增長迅速，動力渦輪的膨脹比相比增壓渦輪延時性大。這是因為隨著發動機轉速的增加，排氣質量流量增加，但排氣首先進入增壓渦輪膨脹做功，之后流向動力渦輪的排氣壓力較低輪，因此膨脹比較低。

圖3 計算數據與實驗數據對比（扭矩）

圖4 發動機工況對復合渦輪影響

從圖（4）b中可以看出，兩級渦輪的速度比均隨發動機轉速上升而升高，然而，動力渦輪的速比上升幅度幾乎是增壓渦輪上升幅度的50%。由于速度比是衡量動力渦輪內部能量分配，影響渦輪等熵效率的一個重要因素，偏離最優速比將導致渦輪等熵效率的顯著下降。因此在低轉速下合理設計動力渦輪使至關重要的。

從圖（4）c中可以看出，隨著發動機轉速增高，排氣流量增加，復合渦輪轉速加快，尤其在高轉速區時，增壓渦輪轉速大幅上升。這是因為發動機進氣量需求增加，需要更大的進氣壓力，導致增壓渦輪轉速迅速上升。縱坐標使用折合轉速就為了能更加清楚的表達渦輪轉速走向，單位為 。而動力渦輪轉速因為進口排氣參數變化相對穩定，因此轉速沒有大幅度變化。

從圖（4）d中可以看出，隨著發動機轉速的增大，兩級渦輪的效率的相對趨勢都在上升，由于增壓渦輪速比變化較小，其效率的變化幅度也很小，而動力渦輪速度比變化較大，在排氣能量較多的高轉速區也能有與增壓渦輪相近的效率。

3.2 復合渦輪系統對發動機性能的影響

將復合渦輪發動機系統與單增壓發動機系統進行對比，能更好的分析復合渦輪系統對發動機的性能影響，分析復合渦輪系統的節油潛力。其中的增壓渦輪都選用發動機原廠匹配的增壓渦輪。保證對比試驗的一致性。

復合渦輪發動機與原機排氣背壓的對比如圖5所示。在中低轉速下，單增壓發動機的排氣背壓相對較低，而對復合渦輪發動機，排氣能量需要驅動兩個渦輪一起開始轉動才能使排氣通暢。因此在發動機啟動初期，復合渦輪發動機的排氣背壓較高。在中高轉速下，動力渦輪能更好的利用轉動慣性幫助增壓渦輪排氣，因此復合渦輪發動機的排氣背壓較低。

圖5 不同渦輪系統對排氣背壓影響

復合渦輪發動機與原機泵氣功率的對比如圖5所示。兩種渦輪系統對發動機泵氣功率的影響相差不大。都從低轉速下的負功開始隨著轉速的升高而升高。但在高轉速時，泵氣功率趨近于線性增長，這是因為而動機的空氣流量正比于發動機轉速（在高轉速充量系數和增壓比變化不大的情況下），同時由于動力渦輪的輸出功率與排氣流量成正比，因此動力渦輪的回收功率與發動機轉速存在簡單的倍數關系。

圖6 不同渦輪系統對泵氣功率的影響

復合渦輪發動機與原機節油率的對比如圖7所示。復合渦輪發動機的節油率對比原機有所提升。從低轉速下的1.68%到高轉速下最高時的7.85%。復合渦輪發動機的優勢在中高轉速下開始發揮作用，要實現渦輪復合的最大節油率，增壓渦輪膨脹比和動力渦輪膨脹比的設計均需要根據具體參數的變化而變化。對于發動機某一運行工況，發動機背壓、排氣溫度等因素很大程度上由內燃機本身特性所限制，提高潛力有限。因此渦輪復合系統節油潛力的提高一方面要通過合理調整兩級渦輪的膨脹比分配，使其根據實際運行參數的變化工作于最優膨脹比；另一方面，需要提高兩級渦輪的效率。

圖7 復合渦輪對比原機節油率的影響

4 結語

本文對復合渦輪發動機系統全工況下的性能做了分析，包括不同工況下的渦輪轉速、效率、速度比、膨脹比的影響。同時分析了復合渦輪發動機對比但增壓發動機的性能特點，結果如下。

發動機工況對復合渦輪轉速、膨脹比在全工況下都有較大影響。速度比與效率受匹配設計影響，變化不大。復合渦輪發動機在低轉速工況下的節油率不高且排氣背壓比單增壓發動機更高，但在高轉速時的節油率能達到8%左右，節油效果明顯。泵氣損失與傳統發動機相差不大。