沈穎剛，楊云春，呂 譽，陳貴升，李 克，楊銳敏

(1.昆明理工大學 云南省內(nèi)燃機重點實驗室，昆明 650500；2.國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100176)

0 概述

中國青藏高原平均海拔在4 000 m以上，面積為2.572 4×106km2，占中國總陸地面積的26.8%[1-2]，且中國青藏公路海拔變化大，對高原環(huán)境下車輛實際運行過程的環(huán)境適應性提出了很高的要求[3]。渦輪增壓技術(shù)是恢復發(fā)動機高海拔性能最重要的技術(shù)手段之一[4]。傳統(tǒng)的單級渦輪增壓技術(shù)由于增壓能力和調(diào)節(jié)能力有限，無法滿足中國高海拔地區(qū)對發(fā)動機變海拔和變工況的運行需求?？烧{(diào)二級增壓技術(shù)不僅可提高增壓壓力，還能實現(xiàn)進氣流量的動態(tài)調(diào)節(jié)，可提高發(fā)動機的變海拔適應性[5]。文獻[6]中對比研究了幾種應用廣泛的單級渦輪增壓系統(tǒng)的高原適應性差異，并開發(fā)了一種在不同海拔高度下進行性能評估和渦輪增壓器匹配的方法。文獻[7]中分析了海拔高度對內(nèi)燃機二級可變渦輪增壓系統(tǒng)性能的影響。文獻[8]中認為不同于單級渦輪增壓發(fā)動機，二級渦輪增壓發(fā)動機需要調(diào)節(jié)渦輪機的功率比，以便充分定義發(fā)動機氣道的平衡點。文獻[9]中通過對壓氣機圖譜的高原修正和高壓級渦輪旁通閥門的控制，進行可調(diào)二級增壓系統(tǒng)的變海拔適應性計算研究。文獻[10-12]中研究了不同海拔條件下二級增壓器與柴油機的匹配特性、柴油機燃燒特性和動力經(jīng)濟性能隨可變幾何截面增壓(variable geometry turbocharger, VGT)葉片開度的變化規(guī)律。文獻[13]中通過試驗研究了重型柴油機配備可調(diào)二級增壓系統(tǒng)的工作特性。

針對高原變海拔條件下不同增壓系統(tǒng)對柴油機性能的影響研究較少，所以結(jié)合中國高原面積占比大及青藏公路海拔變化大的特點，通過建立柴油機一維熱力學模型綜合對比柴油機分別匹配單級增壓、二級增壓和可變二級增壓系統(tǒng)在變海拔環(huán)境下的運行特性，為提高增壓柴油機的高原適應性提供一定的參考。

1 發(fā)動機模型構(gòu)建與驗證

以一臺高壓共軌重型柴油機為研究機型，采用一維熱力學仿真軟件GT-Power構(gòu)建模型。本團隊此前已進行了大量增壓器匹配試驗，并構(gòu)建了單級增壓(1TC)、二級增壓(2TC)和可變二級增壓(regulated two stage turbocharger, RTST)柴油機模型[14-15]。在此基礎上，以增壓系統(tǒng)的高原適應性為開發(fā)目標進行增壓系統(tǒng)的優(yōu)化。柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

本文模型采用準維燃燒模型——Hiroyasu油滴蒸發(fā)模型(DIJet)。DIJet燃燒模型利用熱力學原理分析燃燒過程，通過對燃燒空間作分區(qū)處理，預測精度更加精確。模型在傳熱計算中假設：氣體導熱率和比熱容均為常數(shù)，壓力在空間均勻分布，燃燒放熱視為一個在空間分布的熱源，不同組分之間沒有對流和擴散?；谝陨霞僭O，傳熱模型選用經(jīng)典的半經(jīng)驗Woschni GT傳熱模型。

柴油機NOx排放中包含NO和NO2，NO占據(jù)主導地位。NOx是N2和O2在高溫下化合的結(jié)果，凡是以空氣為助燃劑的任何一種燃料的燃燒都會產(chǎn)生NOx。本文模型中NO的形成采用Zeldovich機理進行預測。NO反應機理如式(1)～式(3)所示，表2為式(1)～式(3)中NO反應機理速率常數(shù)，其中T為反應環(huán)境熱力學溫度。

N2+ONO+N (1)

圖1為二級增壓柴油機一維熱力學模型。圖2為二級增壓的高、低壓級壓氣機與柴油機的聯(lián)合運行線。從圖中可知外特性工況下高、低壓級壓氣機的運行工況點同時遠離壓氣機喘振線和堵塞線，增壓器能運行在較高效率區(qū)域。圖3為二級增壓系統(tǒng)的一維熱力學模型驗證。部分燃油噴射控制參數(shù)如表3所示。本文中曲軸轉(zhuǎn)角為相對于上止點的角度，上止點前用負值表示，上止點后用正值表示。圖3(a)、圖3(b)中對1 330 r/min和1 660 r/min的100%負荷條件下的缸內(nèi)壓力和放熱率進行了驗證，兩工況點缸壓和放熱率曲線的模擬值和試驗值吻合程度較高。圖3(c)為外特性條件下柴油機轉(zhuǎn)矩、進氣流量、有效燃油消耗率和NOx排放的模型驗證，各性能指標的模擬值與試驗值趨勢一致，且吻合度較高，表明模型較為準確，可以用于對柴油機實際工作過程的預測。

圖1 二級增壓柴油機一維熱力學模型

圖2 外特性工況下二級增壓器與柴油機的聯(lián)合運行線

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機性能的影響

表4為不同海拔高度下對應的氣壓和空氣溫度。

表4 不同海拔高度下對應的氣壓和空氣溫度

根據(jù)表4，通過改變模型的環(huán)境邊界條件進行變海拔變工況模擬仿真。圖4為不同海拔下增壓系統(tǒng)增壓比對比圖。1TC柴油機增壓比隨轉(zhuǎn)速上升先升高后略微下降，這是因為隨著轉(zhuǎn)速上升，排氣能量增加，增壓比升高，轉(zhuǎn)速過大，為避免增壓器超速，渦輪機旁通閥打開，增壓比略有下降。2TC高壓級配備旁通閥，高壓級渦輪機能量利用基本穩(wěn)定，因此2TC柴油機高壓級壓氣機增壓比變化不大，低壓級增壓器增壓比隨轉(zhuǎn)速上升而增大。隨著海拔上升，因進口端大氣壓力下降顯著，1TC和2TC增壓比均增加。

圖4 不同海拔下增壓系統(tǒng)增壓比對比圖

圖5為不同海拔下增壓系統(tǒng)對增壓效率的影響。1TC柴油機增壓效率隨海拔上升而下降。隨著海拔升高，大氣壓力和空氣密度下降，柴油機排氣流量下降，增壓器的進氣流量偏離設計工作流量，增壓效率下降。柴油機處于中低轉(zhuǎn)速時，2TC高低壓級增壓器效率均高于1TC，說明采用二級增壓技術(shù)有利于提高渦輪增壓器對海拔變化的適應能力；柴油機處于高轉(zhuǎn)速時，高壓級增壓器旁通閥打開導致其效率下降，低壓級增壓器仍能維持較高效率。

圖5 不同海拔下增壓系統(tǒng)對增壓效率的影響

圖6為不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機動力性和燃燒的影響。圖7為不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機進氣特性的影響。

圖6 不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機動力性和燃燒的影響

由圖6(a)可知，隨著海拔上升，1TC柴油機轉(zhuǎn)矩和功率下降，低轉(zhuǎn)速時下降更加明顯；2TC柴油機轉(zhuǎn)矩和功率受海拔變化影響較小。這是由于在低轉(zhuǎn)速高負荷工況下柴油機排氣能量有所降低，匹配的1TC流量較大，適應范圍小，對海拔變化的適應性差，海拔上升使得1TC壓氣機接近喘振邊界線，總增壓比較低(見圖4(a))導致進氣流量明顯下降，空燃比降低(見圖7)，柴油機燃燒過程變差。且在高海拔條件下溫度較低導致油氣混合不充分，進一步加劇燃燒惡化。2TC柴油機由于二級增壓技術(shù)提高了排氣能量的利用率，使柴油機在高海拔條件下動力性恢復較好。

圖7 不同海拔下增壓系統(tǒng)對進氣特性的影響

隨海拔上升，1TC柴油機在低轉(zhuǎn)速區(qū)域動力性下降最大。雖然中高轉(zhuǎn)速進氣壓力和進氣流量下降的絕對值更大，但由于低轉(zhuǎn)速時進氣流量和排氣能量本身較低，海拔上升導致進氣壓力和進氣流量的下降對空燃比的影響更大，低轉(zhuǎn)速時空燃比嚴重下降(見圖7)，燃燒過程變差。由圖6(b)可知，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，1TC柴油機的燃燒放熱率隨海拔上升迅速下降，缸內(nèi)壓力也急劇下降，導致動力性嚴重下降。2TC柴油機的進氣壓力和進氣流量隨海拔上升變化較小，空燃比受海拔變化的影響不大，放熱率和缸內(nèi)壓力略有下降。由此可見，二級增壓相比單級增壓具有更強的高原適應能力。

圖8為不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機經(jīng)濟性的影響。相較于2TC柴油機，海拔變化對1TC柴油機有效燃油消耗率(break specific fuel consumption, BSFC)和有效熱效率的影響更大，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，隨海拔上升，1TC柴油機經(jīng)濟性急劇下降。低轉(zhuǎn)速時，隨海拔上升，1TC柴油機空燃比急劇下降，導致燃燒速率反而更低，使熱效率下降。

圖8 不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機經(jīng)濟性的影響

圖9為不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機NOx排放的影響。低轉(zhuǎn)速時，1TC柴油機空燃比低，氧濃度不足不利于NOx的形成，所以NOx排放低于2TC時。中高轉(zhuǎn)速時，2TC NOx排放低于1TC，這是因為1TC進氣流量增加，氧濃度和溫度同時滿足NOx的形成條件，2TC柴油機雖然進氣量更加充足，但空燃比過大使缸內(nèi)溫度下降，NOx排放降低。

圖9 不同海拔下增壓系統(tǒng)對柴油機NOx排放的影響

綜合不同海拔條件下1TC和2TC對柴油機動力性、經(jīng)濟性和NOx排放的影響，2TC可提高柴油機的高海拔適應性，對柴油機低轉(zhuǎn)速時綜合性能的恢復效果比1TC更加明顯。

2.2 高原環(huán)境下葉片開度對發(fā)動機性能的影響

基于對1TC和2TC對柴油機高海拔適應性的研究，為進一步提高2TC對高海拔的適應能力，將2TC的高壓級更換為可變截面渦輪增壓器，調(diào)整方法是在模型中的高壓級渦輪機模塊“Map Object or File”中導入詳細Map離散數(shù)據(jù)，通過設置不同“Rack Position”大小(其開度范圍為0～1，分別對應實際過程中的最小與最大開度)來模擬實際過程中的開度變化，其余參數(shù)保持不變，在4 km海拔條件下研究了2TC增壓系統(tǒng)葉片開度對柴油機性能的影響。

2.2.1 VGT葉片開度對柴油機進氣特性的影響

圖10為VGT葉片開度對柴油機進氣特性的影響。隨著VGT葉片開度的增大，進氣流量下降，轉(zhuǎn)速越低，進氣流量隨葉片開度增大而下降越明顯。泵氣損失隨葉片開度增大而降低，柴油機高轉(zhuǎn)速時的泵氣損失對葉片開度更加敏感(見圖10(b))。這是因為轉(zhuǎn)速越高，排氣流量越大，葉片開度太小會使排氣不暢，增大泵氣損失。

圖10 葉片開度對柴油機進氣特性的影響

圖10(c)為柴油機空燃比隨轉(zhuǎn)速和VGT葉片開度的變化。柴油機處于低轉(zhuǎn)速時，空燃比受葉片開度變化的影響較大；中轉(zhuǎn)速時空燃比在葉片開度為30%時達到最大值；高轉(zhuǎn)速時，VGT葉片開度對空燃比的影響減小。這是因為低轉(zhuǎn)速時排氣流量較低，葉片開度的增大降低了渦輪增壓器對排氣能量的利用，隨著轉(zhuǎn)速的上升，排氣流量增加，增大葉片開度對增壓器效率的影響程度下降，因而空燃比的降低幅度減小。

圖11為葉片開度對柴油機動力性的影響。柴油機轉(zhuǎn)速較低時，轉(zhuǎn)矩在葉片開度在40%～70%范圍內(nèi)時最大；隨著轉(zhuǎn)速上升，葉片對柴油機轉(zhuǎn)矩的影響增加，在較高轉(zhuǎn)速時葉片開度越大，轉(zhuǎn)矩越大。在低轉(zhuǎn)速時，葉片開度太小，排氣背壓太高，缸內(nèi)殘余廢氣量增加，進氣流量下降；葉片開度過大，排氣能量利用率低，增壓器效率下降。隨著轉(zhuǎn)速上升，排氣流量增加，葉片開度太小，一方面排氣容易堵塞，泵氣損失增加，渦輪增壓器效率下降，另一方面葉片開度較小會造成排氣背壓過高，缸內(nèi)殘余廢氣增加，降低柴油機輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速較高時排氣能量較大，葉片開度增加對增壓器效率的影響減小。中低轉(zhuǎn)速時葉片開度對柴油機功率的影響較小，高轉(zhuǎn)速區(qū)域功率隨葉片開度增大而升高。

圖11 葉片開度對柴油機動力性的影響

圖12為葉片開度對柴油機經(jīng)濟性的影響。由圖12(a)可知，柴油機低轉(zhuǎn)速時，葉片開度在40%～70%之間時BSFC最低，有效熱效率最高；隨著轉(zhuǎn)速上升，葉片開度對BSFC影響增大，在較高轉(zhuǎn)速時，葉片開度越大，BSFC越低。這是因為轉(zhuǎn)速較低時，葉片開度太小泵氣損失增加，葉片開度太大進氣流量下降，柴油機工作過程有效熱效率都會下降，BSFC升高。隨著轉(zhuǎn)速升高，排氣流量增加，葉片開度增加有利于降低排氣背壓，減少缸內(nèi)殘余廢氣，同時葉片開度增加對增壓器效率的影響減小，有效熱效率升高，BSFC下降。高轉(zhuǎn)速區(qū)域，葉片開度越小，排氣背壓升高，空燃比下降，因而排氣溫度升高(見圖12(c))，有效熱效率降低。

圖12 葉片開度對柴油機經(jīng)濟性的影響

圖13為葉片開度對柴油機NOx排放的影響。高原環(huán)境下，大氣壓力和空氣密度下降，導致進氣流量相較平原減少，柴油機后燃現(xiàn)象加劇，同時由于新鮮工質(zhì)較少，混合氣熱容降低，使得渦前排溫普遍較高(見圖12(c))。在低轉(zhuǎn)速工況下，葉片開度減小，空燃比增大，使得發(fā)動機燃燒更充分，缸內(nèi)氧濃度增加，NOx排放上升。而在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速工況，增大葉片開度使排氣背壓減小，渦前排溫下降，NOx排放減少。

圖13 葉片開度對柴油機NOx排放的影響

2.2.2 葉片開度對柴油機能量損失流向的影響

圖14為葉片開度對柴油機能量損失流向的影響。隨著葉片開度的增加，排氣壓力損失降低，缸內(nèi)殘余廢氣減小，燃燒重心提前，能量利用率提高，排氣損失率下降。低轉(zhuǎn)速時，傳熱損失率隨葉片開度增加先減小后增加。這是因為葉片開度增加降低了排氣背壓，排氣更加順暢，降低了傳熱損失率；繼續(xù)增加葉片開度，進氣量減小，空燃比降低，燃燒溫度有所升高，傳熱損失率增加。中高轉(zhuǎn)速時，由于葉片開度增加對降低進氣量的效果變?nèi)?，排氣背壓降低導致傳熱損失率降低的效果更加明顯，因此隨葉片開度增加，傳熱損失一直降低。

圖14 葉片開度對柴油機能量損失流向的影響

3 結(jié)論

(1) 變海拔條件下，相較于1TC，2TC排氣能量利用率和增壓器效率更高，進氣流量增大。特別在低轉(zhuǎn)速工況，2TC相較于1TC有更好的變海拔適應性，但NOx排放相對1TC上升。

(2) 海拔4 km條件下，轉(zhuǎn)速較低時，可變二級增壓柴油機葉片開度在40%～70%轉(zhuǎn)矩最大，有效熱效率最高，BSFC最低；中高轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩隨葉片開度增大而升高；高轉(zhuǎn)速工況下，增大葉片開度可以降低排氣背壓，減少缸內(nèi)殘余廢氣，提高增壓器效率，NOx排放減少，BSFC下降，有效熱效率升高。

(3) 在4 km海拔下，可變二級增壓柴油機在低速工況運行時，隨著葉片開度增加，排氣損失率下降，傳熱損失率先增加后減少。中高轉(zhuǎn)速工況下，隨著葉片開度增大，傳熱損失有所下降。