吳旭陵,

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

0 前言

隨著增壓技術(shù)的不斷發(fā)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(fā)動機的過量空氣系數(shù)，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(huán)(EGR)率要求高的柴油機，使用單級增壓已經(jīng)不能滿足壓力提高的要求，因此采用兩級增壓系統(tǒng)來滿足需求是較好的選擇。

發(fā)動機上使用兩級增壓器的主要優(yōu)點有：(1)獲得更高的進氣壓力，提高發(fā)動機的動力性和高原適應(yīng)能力；(2)拓寬增壓系統(tǒng)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(qū)域采用較小慣量的增壓器，高速區(qū)域采用較大慣量的增壓器，這樣既能有效解決低速時系統(tǒng)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(tǒng)主要有兩種類型：兩級串聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)和兩級并聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)。兩級串聯(lián)式增壓系統(tǒng)可以在發(fā)動機較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)高增壓比，提高低速扭矩特性，以拓寬發(fā)動機的高扭矩轉(zhuǎn)速范圍[2]。圖1示出了兩級串聯(lián)式增壓系統(tǒng)。

圖1 兩級串聯(lián)式增壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)配有高低壓級增壓系統(tǒng)，通常高壓級渦輪內(nèi)裝有放氣閥，當(dāng)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(jīng)濟性差的情況出現(xiàn)。一般來說，高壓級渦輪比低壓級渦輪小，這是為了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，較少的廢氣流量能夠推動小型高壓級渦輪機運轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生足夠的增壓壓力來提升低速扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)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(fā)動機所需增壓壓力，此時發(fā)動機運行工況點向低壓級過渡。發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時低壓級基本不提供增壓壓力；中高轉(zhuǎn)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(chǎn)生渦輪功從而提供發(fā)動機扭矩。

兩級并聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)主要用來解決進氣系統(tǒng)流量過大的問題。其中一種典型結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 兩級并聯(lián)式增壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)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(tǒng)在1～2個增壓器之間進行轉(zhuǎn)換。在中、低速時，排氣系統(tǒng)的蝶片閥關(guān)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(tǒng)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，廢氣流量也相應(yīng)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(lián)渦輪增壓系統(tǒng)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(qū)，大增壓器正常工作。這種類型的增壓系統(tǒng)通過兩個增壓器交替工作來覆蓋發(fā)動機寬廣的流量范圍，但它很難滿足發(fā)動機高增壓度要求，因此兩級并聯(lián)式增壓系統(tǒng)的應(yīng)用不及兩級串聯(lián)式增壓系統(tǒng)廣泛。

1 兩級串聯(lián)式增壓器的工作原理

根據(jù)以上分析并結(jié)合開發(fā)目標(biāo)及同類發(fā)動機對標(biāo)分析，決定采用串聯(lián)式兩級增壓系統(tǒng)，其系統(tǒng)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(qū)域增壓壓力及低壓級增壓器轉(zhuǎn)速，渦端控制閥(TBV)，控制高、低壓增壓器工作區(qū)域切換及同時工作時的排氣能量分配，壓端控制開關(guān)閥(CBV)，與TBV閥一起控制高、低壓增壓器的工作區(qū)域及共同作用時的貢獻量。

2 增壓器參數(shù)選擇

通過對標(biāo)以及產(chǎn)品定位，確定了發(fā)動機開發(fā)目標(biāo)，如外特性、比油耗目標(biāo)、最大爆發(fā)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(shù)。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(fā)周期、降低試驗成本。兩級增壓發(fā)動機一維模型建立見圖4。一維模型除發(fā)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(fā)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(nèi)容如下：

(1)發(fā)動機功率、扭矩、油耗是否滿足目標(biāo)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(jù)計算結(jié)果綜合考慮上述內(nèi)容選出了最優(yōu)方案(圖5)。該方案中發(fā)動機各運行工況點大部分運行在脈譜圖中高效區(qū)域，且有足夠的喘振及阻塞裕度。

圖5 最優(yōu)方案增壓器性能分析

圖6示出了對于兩級增壓器的協(xié)同工作情況，外特性工況下，兩級增壓器的配合情況良好。發(fā)動機轉(zhuǎn)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(guān)閉狀態(tài)，低壓級增壓器(LP-TC)僅起到氣體流通作用；發(fā)動機轉(zhuǎn)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(guān)閉狀態(tài)，兩級增壓器協(xié)同工作；發(fā)動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。

圖6 兩級增壓器協(xié)同運行情況

3 增壓器設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

研究的柴油機使用了串聯(lián)式的兩級增壓器，由于總布置限制，留給增壓器的設(shè)計空間有限，采用了兩種量產(chǎn)的增壓器平臺集成在一起的方式構(gòu)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(yōu)良的低速響應(yīng)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(tǒng)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(shè)計及仿真

充量系數(shù)反映了進氣過程的完善程度，是衡量發(fā)動機性能的重要指標(biāo)。提高充量系數(shù)最重要的措施就是降低進氣系統(tǒng)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(shù)進而影響發(fā)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(chǎn)產(chǎn)品，已經(jīng)得到驗證，因此兩級增壓器間的流道設(shè)計優(yōu)劣直接影響增壓器的性能。根據(jù)總體方案，設(shè)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(yōu)劣主要根據(jù)總壓降及速度均勻性來評估。 通過計算流體力學(xué)(CFD)分析，3種方案的計算結(jié)果見圖9，具體數(shù)值見表1。

圖9 壓端進氣流道壓力和速度分布結(jié)果

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

根據(jù)上述兩個指標(biāo)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(jù)發(fā)動機應(yīng)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(yīng)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(qū)別，選出適合這兩類車型的試驗點。經(jīng)過綜合考慮，依據(jù)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(fù)荷點，盡量覆蓋輕型車和重型車排放測試循環(huán)的原則；

(3)考慮重型車的高負(fù)荷并使用EGR的點。

根據(jù)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(jié)果分析選定增壓器基本型號后，在該系列內(nèi)選擇了幾種增壓器的細(xì)化方案進行對比試驗，最終確定兩級增壓器詳細(xì)參數(shù)。表3示出了兩種方案增壓器的主要參數(shù)，通過試驗對比，由于方案2在低轉(zhuǎn)速工況油耗較高，排放較差，并且在額定點功率無法達到設(shè)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(shù)

4.3 發(fā)動機性能

確定了增壓器參數(shù)后，經(jīng)過一系列其他系統(tǒng)的優(yōu)化，最終經(jīng)過發(fā)動機臺架試驗，得出的結(jié)果見圖10。

圖10 匹配外特性曲線

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

5 總結(jié)

雙級增壓器能夠有效提升發(fā)動機的功率密度，從而達到發(fā)動機小型化、輕量化的要求。采用該技術(shù)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(jīng)過一維性能分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計與CFD流道優(yōu)化，最終在臺架上完成了性能驗證，達到開發(fā)指標(biāo)。

提出的雙級增壓器選型匹配方案中，仿真分析、流道優(yōu)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(fā)思路所借鑒。