許允， 亓升林， 劉忠長， 田徑， 張龍平， 韓恒

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130025)

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二級(jí)增壓系統(tǒng)壓氣機(jī)效率的優(yōu)化策略研究

許允， 亓升林， 劉忠長， 田徑， 張龍平， 韓恒

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130025)

對(duì)配置在1臺(tái)重型車用柴油機(jī)上的二級(jí)增壓系統(tǒng)進(jìn)行了性能研究。結(jié)果表明：放氣閥開啟的二級(jí)增壓系統(tǒng)存在進(jìn)氣能力不足、壓氣機(jī)效率低的問題；關(guān)閉二級(jí)增壓放氣閥后，在中、低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況僅采用高壓級(jí)增壓器，而其余工況借助高壓級(jí)渦輪旁通閥實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力可調(diào)，增壓系統(tǒng)壓氣機(jī)效率均可超過60%，且最大進(jìn)氣壓力可達(dá)334 kPa；針對(duì)不同工況采用不同增壓形式，通過控制渦輪旁通閥開度使二級(jí)增壓系統(tǒng)進(jìn)氣壓力及壓比分配得到有效調(diào)節(jié)，可以改善壓氣機(jī)效率及燃油經(jīng)濟(jì)性，為二級(jí)增壓系統(tǒng)與重型柴油機(jī)的性能匹配提供技術(shù)參考。

柴油機(jī)； 二級(jí)增壓； 渦輪旁通閥； 壓氣機(jī)效率； 燃油經(jīng)濟(jì)性

在重型乘用車以及輕型商用車領(lǐng)域，增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用日益廣泛，低比排放、高功率密度柴油機(jī)的研發(fā)促進(jìn)了高增壓和超高增壓技術(shù)的發(fā)展，增壓技術(shù)成為降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和尺寸的關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。其中二級(jí)增壓系統(tǒng)既能有效改善VGT結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境差的缺點(diǎn)，也防止了相繼增壓在切換過程中出現(xiàn)的壓力突增現(xiàn)象，是有效實(shí)現(xiàn)高增壓比和寬流量范圍的技術(shù)方案之一[1-4]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)柴油機(jī)匹配二級(jí)增壓系統(tǒng)后的部分規(guī)律進(jìn)行了研究，相比常規(guī)的單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，二級(jí)增壓系統(tǒng)可以克服低速扭矩性能差、EGR引入能力較弱以及瞬態(tài)響應(yīng)性能差等缺點(diǎn)，有利于柴油機(jī)在汽車上更為廣泛的應(yīng)用[3-9]。由于串聯(lián)式二級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)在柴油機(jī)應(yīng)用中具有易啟動(dòng)、低負(fù)荷性能好及高壓級(jí)增壓器損壞時(shí)不需要設(shè)置應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，所以本研究采用串聯(lián)布置的二級(jí)增壓系統(tǒng)[3-10]，其中高壓級(jí)增壓器為流通面積較小的渦輪增壓器，低壓級(jí)增壓器為流通面積較大的渦輪增壓器。

二級(jí)增壓系統(tǒng)的合理選型與匹配對(duì)于柴油機(jī)設(shè)計(jì)性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的作用，而現(xiàn)階段如何為柴油機(jī)匹配合適的二級(jí)增壓系統(tǒng)使兩級(jí)壓氣機(jī)都工作在高效率區(qū)，是二級(jí)增壓系統(tǒng)匹配的一個(gè)難題[6]。因此，如何對(duì)匹配后的二級(jí)增壓進(jìn)行合理改進(jìn)，并改善其匹配性能是實(shí)際研究中經(jīng)常面臨的問題。本研究以串聯(lián)式二級(jí)增壓系統(tǒng)為對(duì)象，開展了二級(jí)增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)優(yōu)化匹配的試驗(yàn)研究，最終確立了以二級(jí)增壓壓氣機(jī)工作效率及燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)來合理選擇進(jìn)氣形式的優(yōu)化策略。

1 試驗(yàn)臺(tái)架構(gòu)建

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)高壓共軌、增壓中冷6缸柴油機(jī)，參數(shù)見表1。發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)見圖1。在二級(jí)增壓的高壓級(jí)渦輪機(jī)入口端配有放氣閥裝置，當(dāng)進(jìn)氣壓力超過一定限值時(shí)，高壓級(jí)放氣閥開啟，使部分廢氣繞過高壓級(jí)渦輪直接到達(dá)低壓級(jí)渦輪，從而降低進(jìn)氣壓力，對(duì)二級(jí)增壓系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

2 二級(jí)增壓器選型

為使柴油機(jī)匹配合適的二級(jí)增壓器，在不同運(yùn)行工況下，不僅需要增壓器能達(dá)到預(yù)定的進(jìn)氣壓力，同時(shí)需要高、低壓級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)[4]。本研究匹配二級(jí)增壓系統(tǒng)的主要目的為在中、小負(fù)荷使增壓系統(tǒng)具有高效率、高增壓壓力及高進(jìn)氣響應(yīng)性，所以本研究以發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃燒壓力(16 MPa)為匹配極限，選擇最大扭矩點(diǎn)作為二級(jí)增壓器的匹配點(diǎn)。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)初始條件及表2中匹配點(diǎn)基本參數(shù)，計(jì)算得到總壓比π=3.4(參考最高燃燒壓力)。

低壓級(jí)壓氣機(jī)消耗的功：

(1)

高壓級(jí)壓氣機(jī)消耗的功：

(2)

式中：p1和T1分別為低壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力與溫度；p3和T3分別為高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力與溫度；ηcl和ηch分別為低、高壓級(jí)壓氣機(jī)的效率。

以總壓比為3.4，T3和T1分別為313K和298K，中冷器壓力損失為5kPa以及ηcl和ηch均為0.75作為初始條件，以總壓縮功最小為原則初定二級(jí)增壓高、低壓級(jí)壓氣機(jī)間的壓比分配分別為1.57，2.16。以總壓縮功最小為原則，同時(shí)考慮低壓級(jí)壓氣機(jī)應(yīng)在高進(jìn)氣量下起主要增壓作用，并將原機(jī)的進(jìn)氣壓力隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律作為參考依據(jù)，本研究估算標(biāo)定功率點(diǎn)的總壓比為2.9，高、低壓級(jí)壓氣機(jī)間的壓比分配分別為1.62，1.79。

表2 匹配點(diǎn)基本參數(shù)

某增壓器廠根據(jù)上述增壓器設(shè)定配置參數(shù)制造了1臺(tái)二級(jí)增壓器，并在全流量范圍內(nèi)對(duì)增壓器進(jìn)行了驗(yàn)證，繪制出的高、低壓級(jí)壓氣機(jī)效率見圖2。

由圖可知，二級(jí)增壓器在匹配點(diǎn)的高、低壓級(jí)壓氣機(jī)效率分別達(dá)到66%，74%，在標(biāo)定功率點(diǎn)高、低壓級(jí)壓氣機(jī)效率均達(dá)到66%，均運(yùn)行在高效率區(qū)，可以認(rèn)為匹配合理。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 二級(jí)增壓性能測試及改進(jìn)

為測試二級(jí)增壓器在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的運(yùn)行效果，本研究選擇穩(wěn)態(tài)下的外特性工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3示出中、高負(fù)荷下兩級(jí)壓氣機(jī)效率。由圖中可知，中、高負(fù)荷下低壓級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)，效率均超過74%，而高壓級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行在低流量、低增壓比效率區(qū)，效率值遠(yuǎn)低于60%。推測是在進(jìn)氣壓力超過一定限值時(shí)，高壓級(jí)放氣閥開啟，使部分廢氣繞過高壓級(jí)渦輪直接到達(dá)低壓級(jí)渦輪，從而降低高壓級(jí)壓氣機(jī)增壓比造成的。故本試驗(yàn)在進(jìn)氣壓力不超過該增壓系統(tǒng)限值(350 kPa)的前提下，關(guān)閉放氣閥，對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行了研究。

圖4示出外特性工況下原機(jī)與二級(jí)增壓的扭矩與燃油消耗率。由圖中可知，二級(jí)增壓在中低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性較原機(jī)提高；高轉(zhuǎn)速工況下，二級(jí)增壓的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性較原機(jī)稍微惡化，推測是由二級(jí)增壓泵氣損失過大造成的，因此使用二級(jí)增壓可滿足動(dòng)力性需求。圖5示出中、高負(fù)荷工況下兩級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行效率。由圖可知，在中、高負(fù)荷工況關(guān)閉二級(jí)增壓放氣閥使高、低壓級(jí)壓氣機(jī)效率均超過60%，運(yùn)行在高效率區(qū)。關(guān)閉二級(jí)增壓放氣閥使進(jìn)氣壓力提高，最大進(jìn)氣壓力相比放氣閥開啟下的最大進(jìn)氣壓力提高50 kPa，同時(shí)比原機(jī)最大進(jìn)氣壓力(256 kPa)提高78 kPa，達(dá)到334 kPa。

3.2 渦輪旁通閥調(diào)節(jié)特性

關(guān)閉二級(jí)增壓放氣閥使中、高負(fù)荷下高壓級(jí)壓氣機(jī)效率提升、進(jìn)氣能力增加，但渦前壓力也有較大程度提升，瞬時(shí)峰值壓力在1 960 r/min轉(zhuǎn)速下達(dá)469 kPa，長期運(yùn)行可能會(huì)造成蝸殼受損、渦輪使用壽命降低。同時(shí)在不同工況下合理調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)，可改善增壓系統(tǒng)的進(jìn)氣能力“不可兼顧”不同工況需求的缺點(diǎn)，使二級(jí)增壓柴油機(jī)獲得更優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性。故本研究在二級(jí)增壓系統(tǒng)上增設(shè)高壓級(jí)渦輪旁通閥，通過對(duì)旁通閥開度的調(diào)節(jié)，以降低渦前壓力，同時(shí)提高燃油經(jīng)濟(jì)性。為避免高壓級(jí)壓氣機(jī)出現(xiàn)“惰轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，研究中將旁通閥開度變化范圍定為0%～80%，在40%～60%開度范圍內(nèi)變化步長為5%，其余開度范圍內(nèi)變化步長為10%。

本研究選擇穩(wěn)態(tài)下的低、中、高轉(zhuǎn)速(A：1 330 r/min，B：1 650 r/min，C：1 960 r/min)不同負(fù)荷工況(A75為A轉(zhuǎn)速75%負(fù)荷率，其余類同)為試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)。圖6以A100，B100，C100工況點(diǎn)為例，說明不同旁通閥開度對(duì)二級(jí)增壓燃油消耗率、過量空氣系數(shù)、渦前瞬時(shí)峰值壓力、高壓循環(huán)指示熱效率和泵氣過程平均有效壓力(pMEP)的影響。從圖中可以看出，渦前瞬時(shí)峰值壓力隨旁通閥開度增大單調(diào)降低，最大幅值均超過30%；不同旁通閥開度下過量空氣系數(shù)、高壓循環(huán)指示熱效率及pMEP的數(shù)值較原機(jī)有所提高，幅值均超過10%，且隨旁通閥開度增大，以上參數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。圖6中pMEP值均為負(fù)，代表換氣過程工質(zhì)對(duì)活塞做負(fù)功，換氣過程存在泵氣損失；pMEP數(shù)值越小，表示泵氣損失越低。

如圖6所示，在A100工況下，關(guān)閉旁通閥有效增加了過量空氣系數(shù)與高壓循環(huán)指示熱效率，使燃油消耗率降低，最大降幅達(dá)7.5%；分析可知，A100工況過量空氣系數(shù)低，燃燒存在進(jìn)一步改善的潛力，所以關(guān)閉旁通閥以增加進(jìn)氣可提高燃油經(jīng)濟(jì)性。但以上規(guī)律并不適用于所有工況，增加進(jìn)氣使C100工況燃燒過程改善，而泵氣損失較大程度增加，且泵氣損失增加相比燃燒過程的改善對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性有更大影響，使燃油消耗率隨旁通閥開度增大單調(diào)降低，最大降幅達(dá)3.0%。因此，旁通閥開度變化對(duì)不同工況燃油經(jīng)濟(jì)性影響不同，旁通閥開度減小使燃燒過程改善，同時(shí)泵氣損失增加，兩者對(duì)燃油消耗率影響作用的大小決定了燃油經(jīng)濟(jì)性隨旁通閥開度調(diào)節(jié)的變化規(guī)律。

因此，在中、高負(fù)荷下合理調(diào)節(jié)旁通閥開度使進(jìn)氣壓力與柴油機(jī)運(yùn)行工況得到進(jìn)一步匹配，燃油經(jīng)濟(jì)性提高，同時(shí)有效降低了二級(jí)增壓系統(tǒng)過高的渦前壓力。

圖7示出中、高負(fù)荷工況下兩級(jí)壓氣機(jī)效率。在中、高負(fù)荷下高壓級(jí)壓氣機(jī)效率在不同旁通閥開度下最大值均可達(dá)到60%，而低壓級(jí)壓氣機(jī)效率在不同旁通閥開度下均超過60%；與放氣閥開啟的二級(jí)增壓相比，高、低壓級(jí)壓氣機(jī)同時(shí)運(yùn)行在較高效率區(qū)。

壓氣機(jī)效率主要與增壓比有關(guān)，增壓比隨流量的變化規(guī)律決定了效率隨流量的變化趨勢，圖8中以中轉(zhuǎn)速中、高負(fù)荷為例說明了旁通閥開度對(duì)壓比分配的影響。隨旁通閥開度減小，高壓級(jí)增壓器所占總增壓比的比例增大，低壓級(jí)所占比例減小。因此高壓級(jí)壓氣機(jī)效率隨旁通閥開度減小往大流量、高壓比效率區(qū)移動(dòng)，逐漸進(jìn)入高效率區(qū)；低壓級(jí)壓氣機(jī)效率隨旁通閥開度減小向大流量、低壓比效率區(qū)移動(dòng)，遠(yuǎn)離高效率區(qū)。

圖9示出低負(fù)荷下兩級(jí)壓氣機(jī)效率。從圖中可以看出，低負(fù)荷下高、低壓級(jí)壓氣機(jī)均工作在低效率區(qū)，且低壓級(jí)壓氣機(jī)在部分工況下甚至未起到增壓作用。故本研究擬對(duì)進(jìn)氣形式改進(jìn)以使壓氣機(jī)工作在更高效率區(qū)。

3.3 調(diào)節(jié)進(jìn)氣形式以提高增壓系統(tǒng)效率

為提高低負(fù)荷工況壓氣機(jī)效率，本研究設(shè)計(jì)了新的進(jìn)排氣控制系統(tǒng)，見圖10，圖中加粗部分為新增管路及控制開關(guān)。本系統(tǒng)旨在通過調(diào)節(jié)三通球閥的控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)增壓與單級(jí)增壓之間的有效切換，即可調(diào)進(jìn)氣形式。在不同轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下對(duì)兩種進(jìn)氣形式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。圖11示出低負(fù)荷工況下僅采用高壓級(jí)增壓器的壓氣機(jī)效率。從圖中可以看出，僅采用高壓級(jí)增壓器提升了低負(fù)荷工況壓氣機(jī)效率，其值均超過60%。低負(fù)荷工況進(jìn)氣量小，壓比成為影響增壓器效率的關(guān)鍵因素；唯一使用高壓級(jí)增壓器使增壓過程僅在單個(gè)增壓器上進(jìn)行，進(jìn)而使高壓級(jí)壓氣機(jī)壓比增加，效率提高。

圖12示出二級(jí)增壓與僅采用高壓級(jí)增壓的pMEP、燃油消耗率、過量空氣系數(shù)的對(duì)比。從圖中可以看出，與旁通閥處在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性開度下的二級(jí)增壓器相比，中、低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下僅采用高壓級(jí)增壓器使pMEP數(shù)值降低，幅值均超過10%。這是因?yàn)榕酝ㄩy關(guān)閉使中、低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性最佳，此時(shí)排氣能量小，兩級(jí)增壓器同時(shí)運(yùn)行下的低壓級(jí)壓氣機(jī)在部分工況下產(chǎn)生“惰轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，進(jìn)而使低壓級(jí)增壓器對(duì)進(jìn)排氣過程產(chǎn)生阻礙作用，泵氣損失增加，而僅采用高壓級(jí)增壓器能有效改善以上現(xiàn)象。但在高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況，僅采用高壓級(jí)增壓器使pMEP數(shù)值增加，幅值均超過40%，這是因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)應(yīng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性旁通閥開度均為80%，唯一運(yùn)行的低壓級(jí)增壓器相比僅采用高壓級(jí)增壓器具有較大流通面積，使整個(gè)增壓系統(tǒng)泵氣損失降低。

從圖12中可以看出，與旁通閥處在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性開度下的二級(jí)增壓器相比，中、低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下僅采用高壓級(jí)增壓器使燃油消耗率降低，最大降幅為4.9%；高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況，僅采用高壓級(jí)增壓器使燃油消耗率增加，最大增幅為5.5%。中、低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下，旁通閥處在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性開度下的二級(jí)增壓與單級(jí)增壓的過量空氣系數(shù)均超過2.0，進(jìn)氣量可較大程度滿足燃燒需求，且泵氣平均有效壓力均低于100 kPa，泵氣損失小；與二級(jí)增壓器相比，僅采用高壓級(jí)增壓器的增壓系統(tǒng)效率提高，使泵氣平均有效壓力降低幅度高于過量空氣系數(shù)降低幅度，進(jìn)而使燃油經(jīng)濟(jì)性提高。高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下過量空氣系數(shù)進(jìn)一步增大，最大值達(dá)3.4，因此在影響燃油經(jīng)濟(jì)性的主要因素中，泵氣損失相比進(jìn)氣量更為重要；唯一運(yùn)行的低壓級(jí)增壓器相比僅采用高壓級(jí)增壓器泵氣損失降低，使燃油經(jīng)濟(jì)性提高。

在整車瞬態(tài)運(yùn)行過程中，二級(jí)增壓系統(tǒng)的單雙級(jí)增壓的轉(zhuǎn)換過程必然會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣壓力突變以及扭矩、轉(zhuǎn)速大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，后續(xù)研究將從單雙級(jí)增壓器的切換時(shí)刻與切換時(shí)對(duì)應(yīng)旁通閥開度控制的角度出發(fā)，以提高二級(jí)增壓切換過程中轉(zhuǎn)速及扭矩的平順性。

4 結(jié)論

a) 對(duì)配置在1臺(tái)重型車用柴油機(jī)上的二級(jí)增壓系統(tǒng)進(jìn)行了性能研究，結(jié)果表明：放氣閥開啟的二級(jí)增壓器存在進(jìn)氣能力不足及高壓級(jí)壓氣機(jī)效率低的問題；

b) 關(guān)閉高壓級(jí)放氣閥，在中、低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況僅采用高壓級(jí)增壓器，壓氣機(jī)效率均超過60%；其余工況采用進(jìn)氣壓力可變的二級(jí)增壓，高、低壓級(jí)壓氣機(jī)效率在不同旁通閥開度下最大值達(dá)到60%，且最大進(jìn)氣壓力可達(dá)334 kPa，比原機(jī)最大進(jìn)氣壓力提高30%；

c) 與放氣閥開啟二級(jí)增壓相比，對(duì)放氣閥關(guān)閉下的單雙級(jí)增壓的轉(zhuǎn)換以及渦輪旁通閥開度的控制，使得二級(jí)增壓系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力及壓比分配得到有效調(diào)節(jié)，從而改善了壓氣機(jī)效率與燃油經(jīng)濟(jì)性。

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[編輯： 潘麗麗]

Optimization Strategy of Compressor Efficiency for Two-stage Turbocharging System

XU Yun， QI Shenglin， LIU Zhongchang， TIAN Jing， ZHANG Longping， HAN Heng

(Department of Internal Combustion Engine, Jilin University, Changchun 130025, China)

The performance of a two-stage turbocharging system equipped on a heavy-duty diesel engine was studied. The results show that the two-stage turbocharging system opened by air bleed valve has the problems of pressure boost deficiency and low compressor efficiency. The compressor efficiency can surpass 60% and the maximum intake pressure may increase to 334 kPa by using the high pressure stage compressor in low load at medium and low speed and adjusting the intake pressure with high pressure stage turbine bypass valve in the remaining conditions after closing the air bleed valve. According to different supercharging forms under different working conditions, the intake pressure and pressure ratio distribution of two-stage turbocharging system is effectively adjusted by controlling the opening of turbine bypass valve. Accordingly, the compressor efficiency and fuel economy improved, which provided the reference for performance matching between heavy-duty diesel engine and two-stage turbocharging system.

diesel engine; two-stage turbocharging; turbine bypass valve; compressor efficiency; fuel economy

2015-04-10；

2015-05-11

國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(“973”項(xiàng)目)(2013CB228402)；吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2014015)

許允(1964—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)公害與控制；xuyun@jlu.edu.cn。

田徑(1981—)，男，講師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)公害與控制；jingtian@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.012

TK421.8

B

1001-2222(2015)04-0060-07