任運(yùn)征 程倫 楊珂

摘 要：文章基于GT-Power仿真模擬軟件，以8190柴油機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)建整機(jī)模型對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過更改不同的相繼渦輪增壓系統(tǒng)設(shè)置，如大小增壓器的位置、流量比和增壓器開閉，得到不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)并分析對(duì)比，使8190柴油機(jī)整機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性處于最佳。

關(guān)鍵詞：仿真模擬;相繼渦輪增壓系統(tǒng);流量比

中圖分類號(hào)：U461.99? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-152-03

Simulation Research on Turbocharge System of 8190 Diesel Engine

Based on GT-Power

Ren Yunzheng， Cheng Lun， Yang Ke

（Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract： Based on GT-Power simulation software， this paper builds a model of the whole machine on the basis of 8190 diesel engine to study the turbocharging system. By changing the settings of different successive turbocharging systems， such as the position of the supercharger， the flow ratio and the opening and closing of the supercharger， the engine operating parameters under different operating conditions are obtained and analyzed and compared to make the 8190 diesel engine economic and power is at its best.

Keywords： Simulation; Successive turbocharging system; Flow ratio

CLC NO.： U461.99? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-152-03

引言

傳統(tǒng)的渦輪增壓系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足排放法規(guī)和性能需求。在此背景下，能適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)各種工況的增壓系統(tǒng)呼之欲出。目前有相繼渦輪增壓、可變截面渦輪增壓和廢氣旁通增壓等研究成果得到大家的青睞，而相繼渦輪增壓又以諸多優(yōu)勢(shì)被一直研究使用[1]。本文以8190柴油機(jī)模型為基礎(chǔ)尋找相繼增壓系統(tǒng)的最佳流量比以及大小渦輪的配合使用界限。

1 相繼渦輪增壓系統(tǒng)建模及計(jì)算

1.1 相繼渦輪增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

相繼渦輪增壓系統(tǒng)（Sequential Turbo Charging）簡(jiǎn)稱STC系統(tǒng)，是指由多個(gè)渦輪增壓器并聯(lián)而成的增壓系統(tǒng)，通過不同的控制閥門分別對(duì)各個(gè)增壓器的工作狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。[2]相繼增壓技術(shù)是解決柴油機(jī)與增壓器匹配矛盾，提高柴油機(jī)低工況性能的有效辦法之一，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速增加，增壓器陸續(xù)開始運(yùn)行。在低轉(zhuǎn)速和小負(fù)荷時(shí)，通過控制閥門關(guān)閉其他增壓器渦輪機(jī)的廢氣供給和壓氣機(jī)的空氣流通，使廢氣集中流過工作的一個(gè)或少數(shù)渦輪，從而充分利用廢氣能量，解決小負(fù)荷時(shí)壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)不匹配引起的喘振問題，改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放特性。[3]隨著轉(zhuǎn)速增加和負(fù)荷變大，剩余的增壓器相繼開始工作，增加流通面積來保證發(fā)動(dòng)機(jī)的高工況性能。

1.2 相繼增壓方案設(shè)計(jì)和分析

本文以8190柴油機(jī)模型為基礎(chǔ)，來解決相繼增壓系統(tǒng)大小渦輪的最佳流量比和配合切換點(diǎn)問題。初步考慮此切換點(diǎn)位置與小增壓器布置位置、大小增壓器流量比以及負(fù)荷有關(guān)。由此做出如下設(shè)計(jì)方案：小增壓器的位置設(shè)為邊置和中置兩種形式，每種形式根據(jù)大增壓器和小增壓器的流量比分為3：1、2：1、1：1三種方案，且每種方案有小增壓器開啟和關(guān)閉兩種情況。另外，在同一負(fù)荷下還需模擬出柴油機(jī)從低速到高速的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間，通過仿真模擬求得這12種方案的油耗、排溫、功率等數(shù)據(jù)。然后都其他設(shè)置不變的情況下，分別更改負(fù)荷為80%、60%和40%，取出相應(yīng)數(shù)據(jù)分析對(duì)比得到不同情況對(duì)柴油機(jī)性能的影響，并可對(duì)8190柴油機(jī)的相繼增壓系統(tǒng)做出最優(yōu)化處理方案。

1.3 模型構(gòu)建

將原柴油機(jī)唯一的增壓器改為大小兩個(gè)增壓器并聯(lián)的相繼增壓系統(tǒng)。并將小增壓器設(shè)為邊置和中置兩種布置形式，其中邊置小增壓器的渦輪進(jìn)氣來源于第8缸，而大增壓器是將排氣總管中的廢氣直接導(dǎo)入渦輪機(jī);中置小增壓器的渦輪進(jìn)氣和大增壓器渦輪一樣來自排氣總管。

在這兩種模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)上述十二種情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。然后在原機(jī)案例設(shè)置中增添600、700和1600r/min三個(gè)轉(zhuǎn)速的案例，以此來模擬出一個(gè)大范圍運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間，此時(shí)轉(zhuǎn)速分別為600、700、800、900、1000、1199、1300、1499、1600r/min，其余設(shè)置如點(diǎn)火提前角、噴射正時(shí)等全部相同，在同一負(fù)荷下噴油質(zhì)量流量也相同，因?yàn)椴裼蜋C(jī)的負(fù)荷大小是由噴油量決定。另外根據(jù)大增壓器和小增壓器的流量比是3：1，還需在保證大小渦輪及大小壓氣機(jī)葉輪的質(zhì)量流量系數(shù)是原機(jī)質(zhì)量流量系數(shù)的前提下，將其按大增壓器/小增壓器為3：1修改后寫入案例設(shè)置中，其中原機(jī)的增壓器渦輪質(zhì)量流量系數(shù)為3.95，壓氣機(jī)葉輪質(zhì)量流量系數(shù)為1.15。其余的都按照相同方法設(shè)置，然后保存運(yùn)行。將同一負(fù)荷下12種情況運(yùn)算完之后，分別將負(fù)荷變?yōu)?0%、60%和40%即將噴油量變?yōu)樵瓉淼?0%、60%和40%，其余不變依次按照上述步驟進(jìn)行模擬運(yùn)算。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 油耗結(jié)果分析

小增壓器中置和邊置時(shí)各種相同情況下油耗一樣，可認(rèn)為小增壓器的位置對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性無影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，小增壓器關(guān)閉的情況比開啟時(shí)油耗要低，而高轉(zhuǎn)速時(shí)則相反。因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)氣少，廢氣能量不足以使增壓器渦輪達(dá)到合適轉(zhuǎn)速，此時(shí)開啟增壓器反而使柴油機(jī)負(fù)載增大，油耗因此升高;而高轉(zhuǎn)速時(shí)兩個(gè)增壓器一塊使用增加了渦輪的流通面積，使得油耗降低。[4]另外大增壓器/小增壓器的流量比3：1時(shí)，在1200r/min，由大增壓器開啟切換到大小增壓器同時(shí)開啟可保證柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性最好;在大小增壓器流量比為2：1時(shí)，1100r/min時(shí)切換最合適;在流量比為1：1時(shí)，950r/min時(shí)切換最合適。大小增壓器流量比在1：1時(shí)有最低的油耗。其他條件不變，負(fù)荷減小時(shí)整體油耗上升，而且隨著負(fù)荷減小，大小增壓器切換時(shí)的轉(zhuǎn)速也有相應(yīng)的提前。

2.2 排氣溫度結(jié)果分析

小增壓器位置與排溫?zé)o關(guān)。隨著大小增壓器流量比減小，最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的排氣溫度也降低。當(dāng)負(fù)荷不變，不論其他條件如何變化，小增壓器開啟時(shí)的排氣溫度都保持不變，這個(gè)溫度整體高于小增壓器關(guān)閉時(shí)的溫度。在負(fù)荷為100%中，大小增壓器流量比為3：1和2：1時(shí)，在600-1600r/min區(qū)間內(nèi)，小增壓器關(guān)閉時(shí)的排溫一直低于開啟時(shí)的排溫;而當(dāng)流量比變?yōu)?：1，在1360r/min時(shí)，小增壓器關(guān)閉時(shí)的溫度升高超過開啟時(shí)的溫度。在負(fù)荷減小時(shí)，小增壓器關(guān)閉和開啟時(shí)排溫的重合點(diǎn)相較于大負(fù)荷往后推遲。

2.3 有效功率結(jié)果分析

小增壓器位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也無影響;在低轉(zhuǎn)速時(shí)，小增壓器關(guān)閉的情況發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性要比小增壓器開啟時(shí)的好，高轉(zhuǎn)速時(shí)，雙增壓器開啟的動(dòng)力性要好;每種情況運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力性的好壞都有一個(gè)切換點(diǎn)，并且也是在大增壓器/小增壓器流量是1：1時(shí)，整個(gè)運(yùn)行工作過程中發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性最好。

3 結(jié)論

本文介紹了研究相繼增壓系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程，得出了8190柴油機(jī)在各種不同工況下最佳的大小渦輪流量比分配以及大小增壓器配合切換點(diǎn)，并且小增壓器位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能無影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 于恩程.柴油機(jī)相繼增壓切換過程的穩(wěn)定性研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)， 2012.

[2] 吳旭艷，張克松，劉瑩，等.相繼渦輪增壓的發(fā)展[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2010，6：1-6.

[3] 張哲，王希波，鄧康耀.相繼渦輪增壓系統(tǒng)對(duì)D6114型柴油機(jī)性能的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008， 39（5）： 30-35.

[4] 王希波，張哲，鄧康耀.相繼增壓柴油機(jī)切換過程瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2007， 38（7）： 46-48.