許允， 亓升林， 劉忠長， 田徑， 張龍平， 韓恒

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130025)

?

二級增壓系統(tǒng)壓氣機效率的優(yōu)化策略研究

許允， 亓升林， 劉忠長， 田徑， 張龍平， 韓恒

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130025)

對配置在1臺重型車用柴油機上的二級增壓系統(tǒng)進行了性能研究。結果表明：放氣閥開啟的二級增壓系統(tǒng)存在進氣能力不足、壓氣機效率低的問題；關閉二級增壓放氣閥后，在中、低轉速低負荷工況僅采用高壓級增壓器，而其余工況借助高壓級渦輪旁通閥實現(xiàn)進氣壓力可調，增壓系統(tǒng)壓氣機效率均可超過60%，且最大進氣壓力可達334 kPa；針對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增壓系統(tǒng)進氣壓力及壓比分配得到有效調節(jié)，可以改善壓氣機效率及燃油經濟性，為二級增壓系統(tǒng)與重型柴油機的性能匹配提供技術參考。

柴油機； 二級增壓； 渦輪旁通閥； 壓氣機效率； 燃油經濟性

在重型乘用車以及輕型商用車領域，增壓技術在柴油機上的應用日益廣泛，低比排放、高功率密度柴油機的研發(fā)促進了高增壓和超高增壓技術的發(fā)展，增壓技術成為降低柴油機轉速和尺寸的關鍵技術[1-4]。其中二級增壓系統(tǒng)既能有效改善VGT結構復雜、工作環(huán)境差的缺點，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，是有效實現(xiàn)高增壓比和寬流量范圍的技術方案之一[1-4]。國內外眾多學者對柴油機匹配二級增壓系統(tǒng)后的部分規(guī)律進行了研究，相比常規(guī)的單級渦輪增壓系統(tǒng)，二級增壓系統(tǒng)可以克服低速扭矩性能差、EGR引入能力較弱以及瞬態(tài)響應性能差等缺點，有利于柴油機在汽車上更為廣泛的應用[3-9]。由于串聯(lián)式二級渦輪增壓系統(tǒng)在柴油機應用中具有易啟動、低負荷性能好及高壓級增壓器損壞時不需要設置應急鼓風機的優(yōu)點，所以本研究采用串聯(lián)布置的二級增壓系統(tǒng)[3-10]，其中高壓級增壓器為流通面積較小的渦輪增壓器，低壓級增壓器為流通面積較大的渦輪增壓器。

二級增壓系統(tǒng)的合理選型與匹配對于柴油機設計性能目標的實現(xiàn)具有重要的作用，而現(xiàn)階段如何為柴油機匹配合適的二級增壓系統(tǒng)使兩級壓氣機都工作在高效率區(qū)，是二級增壓系統(tǒng)匹配的一個難題[6]。因此，如何對匹配后的二級增壓進行合理改進，并改善其匹配性能是實際研究中經常面臨的問題。本研究以串聯(lián)式二級增壓系統(tǒng)為對象，開展了二級增壓系統(tǒng)與柴油機優(yōu)化匹配的試驗研究，最終確立了以二級增壓壓氣機工作效率及燃油經濟性為目標來合理選擇進氣形式的優(yōu)化策略。

1 試驗臺架構建

試驗發(fā)動機為1臺高壓共軌、增壓中冷6缸柴油機，參數(shù)見表1。發(fā)動機測試系統(tǒng)見圖1。在二級增壓的高壓級渦輪機入口端配有放氣閥裝置，當進氣壓力超過一定限值時，高壓級放氣閥開啟，使部分廢氣繞過高壓級渦輪直接到達低壓級渦輪，從而降低進氣壓力，對二級增壓系統(tǒng)起到保護作用。

表1 試驗發(fā)動機基本參數(shù)

2 二級增壓器選型

為使柴油機匹配合適的二級增壓器，在不同運行工況下，不僅需要增壓器能達到預定的進氣壓力，同時需要高、低壓級壓氣機運行在高效率區(qū)[4]。本研究匹配二級增壓系統(tǒng)的主要目的為在中、小負荷使增壓系統(tǒng)具有高效率、高增壓壓力及高進氣響應性，所以本研究以發(fā)動機的最高燃燒壓力(16 MPa)為匹配極限，選擇最大扭矩點作為二級增壓器的匹配點。

基于發(fā)動機初始條件及表2中匹配點基本參數(shù)，計算得到總壓比π=3.4(參考最高燃燒壓力)。

低壓級壓氣機消耗的功：

(1)

高壓級壓氣機消耗的功：

(2)

式中：p1和T1分別為低壓級壓氣機進氣壓力與溫度；p3和T3分別為高壓級壓氣機進氣壓力與溫度；ηcl和ηch分別為低、高壓級壓氣機的效率。

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增壓高、低壓級壓氣機間的壓比分配分別為1.57，2.16。以總壓縮功最小為原則，同時考慮低壓級壓氣機應在高進氣量下起主要增壓作用，并將原機的進氣壓力隨轉速變化規(guī)律作為參考依據(jù)，本研究估算標定功率點的總壓比為2.9，高、低壓級壓氣機間的壓比分配分別為1.62，1.79。

表2 匹配點基本參數(shù)

某增壓器廠根據(jù)上述增壓器設定配置參數(shù)制造了1臺二級增壓器，并在全流量范圍內對增壓器進行了驗證，繪制出的高、低壓級壓氣機效率見圖2。

由圖可知，二級增壓器在匹配點的高、低壓級壓氣機效率分別達到66%，74%，在標定功率點高、低壓級壓氣機效率均達到66%，均運行在高效率區(qū)，可以認為匹配合理。

3 試驗結果分析

3.1 二級增壓性能測試及改進

為測試二級增壓器在試驗發(fā)動機上的運行效果，本研究選擇穩(wěn)態(tài)下的外特性工況進行試驗驗證。

圖3示出中、高負荷下兩級壓氣機效率。由圖中可知，中、高負荷下低壓級壓氣機運行在高效率區(qū)，效率均超過74%，而高壓級壓氣機運行在低流量、低增壓比效率區(qū)，效率值遠低于60%。推測是在進氣壓力超過一定限值時，高壓級放氣閥開啟，使部分廢氣繞過高壓級渦輪直接到達低壓級渦輪，從而降低高壓級壓氣機增壓比造成的。故本試驗在進氣壓力不超過該增壓系統(tǒng)限值(350 kPa)的前提下，關閉放氣閥，對試驗工況進行了研究。

圖4示出外特性工況下原機與二級增壓的扭矩與燃油消耗率。由圖中可知，二級增壓在中低轉速的動力性與經濟性較原機提高；高轉速工況下，二級增壓的動力性及經濟性較原機稍微惡化，推測是由二級增壓泵氣損失過大造成的，因此使用二級增壓可滿足動力性需求。圖5示出中、高負荷工況下兩級壓氣機運行效率。由圖可知，在中、高負荷工況關閉二級增壓放氣閥使高、低壓級壓氣機效率均超過60%，運行在高效率區(qū)。關閉二級增壓放氣閥使進氣壓力提高，最大進氣壓力相比放氣閥開啟下的最大進氣壓力提高50 kPa，同時比原機最大進氣壓力(256 kPa)提高78 kPa，達到334 kPa。

3.2 渦輪旁通閥調節(jié)特性

關閉二級增壓放氣閥使中、高負荷下高壓級壓氣機效率提升、進氣能力增加，但渦前壓力也有較大程度提升，瞬時峰值壓力在1 960 r/min轉速下達469 kPa，長期運行可能會造成蝸殼受損、渦輪使用壽命降低。同時在不同工況下合理調節(jié)過量空氣系數(shù)，可改善增壓系統(tǒng)的進氣能力“不可兼顧”不同工況需求的缺點，使二級增壓柴油機獲得更優(yōu)的燃油經濟性。故本研究在二級增壓系統(tǒng)上增設高壓級渦輪旁通閥，通過對旁通閥開度的調節(jié)，以降低渦前壓力，同時提高燃油經濟性。為避免高壓級壓氣機出現(xiàn)“惰轉”現(xiàn)象，研究中將旁通閥開度變化范圍定為0%～80%，在40%～60%開度范圍內變化步長為5%，其余開度范圍內變化步長為10%。

本研究選擇穩(wěn)態(tài)下的低、中、高轉速(A：1 330 r/min，B：1 650 r/min，C：1 960 r/min)不同負荷工況(A75為A轉速75%負荷率，其余類同)為試驗工況進行試驗。圖6以A100，B100，C100工況點為例，說明不同旁通閥開度對二級增壓燃油消耗率、過量空氣系數(shù)、渦前瞬時峰值壓力、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，渦前瞬時峰值壓力隨旁通閥開度增大單調降低，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，代表換氣過程工質對活塞做負功，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7.5%；分析可知，A100工況過量空氣系數(shù)低，燃燒存在進一步改善的潛力，所以關閉旁通閥以增加進氣可提高燃油經濟性。但以上規(guī)律并不適用于所有工況，增加進氣使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燃油經濟性有更大影響，使燃油消耗率隨旁通閥開度增大單調降低，最大降幅達3.0%。因此，旁通閥開度變化對不同工況燃油經濟性影響不同，旁通閥開度減小使燃燒過程改善，同時泵氣損失增加，兩者對燃油消耗率影響作用的大小決定了燃油經濟性隨旁通閥開度調節(jié)的變化規(guī)律。

因此，在中、高負荷下合理調節(jié)旁通閥開度使進氣壓力與柴油機運行工況得到進一步匹配，燃油經濟性提高，同時有效降低了二級增壓系統(tǒng)過高的渦前壓力。

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

壓氣機效率主要與增壓比有關，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中以中轉速中、高負荷為例說明了旁通閥開度對壓比分配的影響。隨旁通閥開度減小，高壓級增壓器所占總增壓比的比例增大，低壓級所占比例減小。因此高壓級壓氣機效率隨旁通閥開度減小往大流量、高壓比效率區(qū)移動，逐漸進入高效率區(qū)；低壓級壓氣機效率隨旁通閥開度減小向大流量、低壓比效率區(qū)移動，遠離高效率區(qū)。

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

3.3 調節(jié)進氣形式以提高增壓系統(tǒng)效率

為提高低負荷工況壓氣機效率，本研究設計了新的進排氣控制系統(tǒng)，見圖10，圖中加粗部分為新增管路及控制開關。本系統(tǒng)旨在通過調節(jié)三通球閥的控制開關，實現(xiàn)二級增壓與單級增壓之間的有效切換，即可調進氣形式。在不同轉速低負荷工況下對兩種進氣形式進行了試驗研究。圖11示出低負荷工況下僅采用高壓級增壓器的壓氣機效率。從圖中可以看出，僅采用高壓級增壓器提升了低負荷工況壓氣機效率，其值均超過60%。低負荷工況進氣量小，壓比成為影響增壓器效率的關鍵因素；唯一使用高壓級增壓器使增壓過程僅在單個增壓器上進行，進而使高壓級壓氣機壓比增加，效率提高。

圖12示出二級增壓與僅采用高壓級增壓的pMEP、燃油消耗率、過量空氣系數(shù)的對比。從圖中可以看出，與旁通閥處在最優(yōu)經濟性開度下的二級增壓器相比，中、低轉速低負荷工況下僅采用高壓級增壓器使pMEP數(shù)值降低，幅值均超過10%。這是因為旁通閥關閉使中、低轉速低負荷燃油經濟性最佳，此時排氣能量小，兩級增壓器同時運行下的低壓級壓氣機在部分工況下產生“惰轉”現(xiàn)象，進而使低壓級增壓器對進排氣過程產生阻礙作用，泵氣損失增加，而僅采用高壓級增壓器能有效改善以上現(xiàn)象。但在高轉速低負荷工況，僅采用高壓級增壓器使pMEP數(shù)值增加，幅值均超過40%，這是因為此時對應最優(yōu)經濟性旁通閥開度均為80%，唯一運行的低壓級增壓器相比僅采用高壓級增壓器具有較大流通面積，使整個增壓系統(tǒng)泵氣損失降低。

從圖12中可以看出，與旁通閥處在最優(yōu)經濟性開度下的二級增壓器相比，中、低轉速低負荷工況下僅采用高壓級增壓器使燃油消耗率降低，最大降幅為4.9%；高轉速低負荷工況，僅采用高壓級增壓器使燃油消耗率增加，最大增幅為5.5%。中、低轉速低負荷工況下，旁通閥處在最優(yōu)經濟性開度下的二級增壓與單級增壓的過量空氣系數(shù)均超過2.0，進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??；與二級增壓器相比，僅采用高壓級增壓器的增壓系統(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，進而使燃油經濟性提高。高轉速低負荷工況下過量空氣系數(shù)進一步增大，最大值達3.4，因此在影響燃油經濟性的主要因素中，泵氣損失相比進氣量更為重要；唯一運行的低壓級增壓器相比僅采用高壓級增壓器泵氣損失降低，使燃油經濟性提高。

在整車瞬態(tài)運行過程中，二級增壓系統(tǒng)的單雙級增壓的轉換過程必然會出現(xiàn)進氣壓力突變以及扭矩、轉速大幅度波動的現(xiàn)象。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，后續(xù)研究將從單雙級增壓器的切換時刻與切換時對應旁通閥開度控制的角度出發(fā)，以提高二級增壓切換過程中轉速及扭矩的平順性。

4 結論

a) 對配置在1臺重型車用柴油機上的二級增壓系統(tǒng)進行了性能研究，結果表明：放氣閥開啟的二級增壓器存在進氣能力不足及高壓級壓氣機效率低的問題；

b) 關閉高壓級放氣閥，在中、低轉速小負荷工況僅采用高壓級增壓器，壓氣機效率均超過60%；其余工況采用進氣壓力可變的二級增壓，高、低壓級壓氣機效率在不同旁通閥開度下最大值達到60%，且最大進氣壓力可達334 kPa，比原機最大進氣壓力提高30%；

c) 與放氣閥開啟二級增壓相比，對放氣閥關閉下的單雙級增壓的轉換以及渦輪旁通閥開度的控制，使得二級增壓系統(tǒng)的進氣壓力及壓比分配得到有效調節(jié)，從而改善了壓氣機效率與燃油經濟性。

[1] 鄭尊清，張文強，堯命發(fā)，等.高/低壓EGR對兩級增壓柴油機性能和排放影響的試驗研究[J].內燃機工程，2014，35(1)：1-7.

[2] José Galindo，José M Lujan，Hector Climent.A New Model for Matching Advanced Boosting Systems to Automotive Diesel Engines[C].SAE Paper 2014-01-1078.

[3] 袁鋒，鄭尊清，堯命發(fā)，等.二級增壓重型柴油機排放和燃燒特性的試驗研究[J].內燃機工程，2012，33(4)：9-16.

[4] 鄔斌揚，樸有哲，余浩，等.基于兩級增壓與進氣門晚關協(xié)同作用對柴油機熱效率和排放的影響[J].內燃機學報，2013，31(6)：481-488.

[5] Jinsuk Kang，Jaeyeon Lee，Hyun-soo Song， et al. Enhancing Power Density with Two-Stage Turbochargers[C].SAE Paper 2012-01-0709.

[6] 何義團，馬朝臣，魏名山，等.二級增壓系統(tǒng)壓氣機性能試驗研究[J].北京理工大學學報，2007，27(6)：496-500.

[8] Naresh Gandhi，Nitin Gokhale，Yogesh Aghav.Develop-ment of Two Stage Turbo-Charging for Medium Duty Diesel Engine of Power Generation Application[C].SAE Paper 2012-28-0007.

[9] Federico Millo，Marco Gianoglio Bernardi，Diego Delneri.Computational Analysis of Internal and External EGR Strategies Combined with Miller Cycle Concept for a Two Stage Turbocharged Medium Speed Marine Diesel Engine[C].SAE Paper 2011-01-1142.

[10] 劉博，胡志龍，李華雷.二級增壓柴油機旁通閥特性和調節(jié)規(guī)律的試驗[J].內燃機學報，2010，30(1)：72-78.

[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

國家重大基礎研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(“973”項目)(2013CB228402)；吉林大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(2014015)

許允(1964—)，男，高級工程師，研究方向為內燃機公害與控制；xuyun@jlu.edu.cn。

田徑(1981—)，男，講師，研究方向為內燃機公害與控制；jingtian@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.012

TK421.8

B

1001-2222(2015)04-0060-07