柴油机可调两级增压系统变海拔稳态调节特性研究

张来涛， 徐岩， 刘胜， 利奇， 石磊， 邓康耀， 杨震寰

(1. 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室， 上海 200240；2. 中国兵器科学研究院， 北京 100089； 3. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



柴油机可调两级增压系统变海拔稳态调节特性研究

张来涛1， 徐岩2， 刘胜3， 利奇1， 石磊1， 邓康耀1， 杨震寰3

(1. 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室， 上海 200240；2. 中国兵器科学研究院， 北京 100089； 3. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

利用GT-Power软件建立某V型柴油机仿真模型，并进行了可调两级增压系统的匹配。模拟计算了不同海拔条件下发动机全工况运行时高压级涡轮旁通阀开度对燃油消耗率的影响。结果表明，高压级涡轮旁通阀开度是通过发动机指示效率与泵气损失间接影响燃油消耗率。同一工况下，发动机燃油消耗率按其主要影响因素的不同分为示效率主导区、泵气损失主导区以及两者综合影响区。且随着海拔的升高，影响发动机燃油消耗率的指示效率主导区域扩大，泵气损失主导区域减小。最后，以最佳燃油经济性为指标，得到变海拔全工况下涡轮旁通阀最佳阀门开度。

柴油机； 高原； 两级增压； 燃油消耗率； 仿真

我国的高原地区具有面积广、海拔高、起伏大等特点。高原地区大气压力低、空气密度小、温度低，对柴油机的性能影响较大。研究表明，高原地区大气压力低是影响柴油机性能的主要因素。较低的大气压力使得柴油机进气量减少，导致缸内空燃比减小、混合气变浓、燃烧恶化，并最终造成柴油机功率和扭矩的下降以及燃油消耗率的增加[1-3]。

可调两级涡轮增压技术能够有效增加进气量，提高柴油机的功率密度，是改善柴油机高原运行性能的有效措施之一[4-5]。国外关于可调两级增压系统应用于车用柴油机的研究已取得较好结果[6-7]。国内北京理工大学的仿真计算表明，两级涡轮增压系统在不同的海拔范围内均能有效地提升柴油机的功率和低速扭矩[8]。然而，关于变海拔可调两级增压柴油机油耗特性鲜有研究。因而，本研究基于匹配了可调两级增压系统的某V型柴油机仿真模型，计算了变海拔全工况范围内发动机的燃油消耗率与高压级涡轮旁通阀开度的关系。

1 仿真计算模型的搭建

1.1 GT-Power稳态模型的建立与试验数据校核

以某V型涡轮增压中冷柴油机为研究机型，其主要的性能结构参数见表1。

采用GT-Power软件建立上述V型柴油机的仿真计算模型，用于发动机变海拔的性能模拟计算。该计算模型中，环境模块的温度和压力可调，用以模拟不同的海拔环境；发动机本体模块中，气缸选取韦伯燃烧模型；涡轮增压器模块其参数是通过将涡轮和压气机图谱离散成表的方式输入到模型中。其他模块按照发动机实际物理参数进行相应的设置。柴油机模型总体结构示意见图1。

表1 柴油机主要性能和结构参数

采用试验数据对GT-Power仿真模型进行校核。选取工况点较全的海拔3 000 m发动机外特性试验数据，重点考核功率、燃油消耗率和增压压力等性能指标，其校核结果见表2和图2。

表2 仿真模型的试验校核

由校核结果可以看出，仿真计算结果与试验数据一致性较好。功率、燃油消耗率和增压压力的最大误差分别为2.19%，3.35%和4.20%，都在5%的范围内。因此，仿真模型具有较高的计算精度，能够准确地反映发动机的各项性能，满足可调两级增压系统变海拔调节规律研究的需要。

1.2 可调两级增压系统的变海拔匹配

在柴油机原机稳态模型的基础上，匹配可调两级增压系统。匹配的目标是使柴油机能够满足不同海拔条件下功率恢复指标。根据上海交通大学刘博等人提出的等效涡轮增压器原理[9]，可调两级增压系统的匹配主要是确定等效涡轮流通面积的调节范围。而等效涡轮流通面积由不同海拔条件下其功率恢复所需的流量和压比决定。通过计算，不同海拔条件下等效涡轮流通面积见图3。

由图可以看出，同一海拔下，随着转速的上升，发动机进气流量增大，因而涡轮可用能量变大，所需的等效涡轮流通面积变大。同一转速下，随着海拔的升高，大气压力降低，发动机进气量减小，因而涡轮的可用能量变小，所需的等效涡轮流通面积变小。综上所示，可调两级增压系统的等效涡轮流通面积应在最高海拔最大扭矩点处取最小值，而在平原最大功率点处取最大值。由等效涡轮增压器原理可知，高压级旁通阀门全开时，其等效模型的涡轮等效流通截面最大，此时只有低压级涡轮增压器工作；而当阀门全关时，等效模型的涡轮等效流通截面最小。因此可得到可调两级增压系统与柴油机的匹配方法：首先，以平原标定功率转速点为匹配点，匹配单级涡轮增压器，并以此作为可调两级增压系统的低压级；然后，以最高海拔的最大扭矩点作为匹配点，并与之前的低压级联合，匹配计算得到旁通阀处于全关状态高压级增压系统；最后，选取旁通阀并对整个系统进行适当微调。

2 变海拔全工况燃油消耗率调节规律

2.1 高压级旁通阀调节对燃油消耗率的影响

高压级旁通阀的开度直接决定了等效涡轮流通面积，进而决定进气增压压比，对发动机的性能有较大的影响。在保证发动机动力性能的前提下，研究高压级旁通阀开度对燃油消耗率的影响规律，对于实现发动机较好的变海拔环境燃油经济性有重要意义。

考虑到车辆大部分时间运行于部分负荷的实际情况，选取海拔1 000 m，转速为1 500 r/min，负荷为25%的工况点进行仿真计算。此外，GT-Power中的阀门部件的直径是一输入量，通过改变其值可以模拟不同的阀门开度。计算中，阀门当量开度直径变化范围为0～60 mm，每间隔5 mm计算一次。得到的发动机指示效率、泵气损失及燃油消耗率与阀门开度的关系见图4。

对于匹配了可调两级增压系统的发动机而言，在其他条件相同的情况下，燃油消耗率主要由发动机的指示效率与泵气损失决定，而指示效率与泵气损失又直接受高压级旁通阀开度的影响。一方面，阀门开度越小，增压系统增压压比越高，空燃比越大，在发动机转速不变的情况下，指示效率随之提高，燃油消耗率降低。另一方面，泵气损失随阀门开度的减小而增大，进而导致燃油消耗率升高。

从图4可以看出，发动机指示效率随着阀门开度直径的增大而减小，泵气损失随着阀门开度直径的增大也呈减小趋势。而发动机燃油消耗率与阀门开度直径的关系较复杂，为此，将燃油消耗率曲线依据阀门开度直径分成三个阶段。在第一阶段和第三阶段，燃油消耗率随着阀门开度直径的增大而增大，在第二阶段，燃油消耗率随着阀门开度直径的增大而减小。这是因为，阀门开度直径在第一阶段和第三阶段对发动机指示效率影响较大，而对泵气损失影响较小，因而此时随着阀门开度直径的增大，指示效率降低导致的燃油消耗率上升幅度大于泵气损失减小导致的燃油消耗率降低幅度，燃油消耗率随着阀门开度直径的增大而增大。而在第二阶段，阀门开度直径对发动机指示效率影响较小，对泵气损失影响较大，此时随着阀门开度直径的增大，泵气损失减小导致的燃油消耗率降低幅度大于指示效率降低导致的燃油消耗率上升幅度，燃油消耗率随着阀门开度直径的增大而减小。

2.2 变海拔全工况高压级旁通阀调节对燃油消耗率的影响

为研究高压级旁通阀开度在全工况范围内对发动机燃油经济性的影响，在上节的基础上，增加海拔、转速、负荷等变量，在保证发动机动力性能的前提下，分析燃油经济性随高压级涡轮旁通阀开度的变化规律。

2.2.1 低负荷区域变海拔调节规律

计算中，发动机负荷设为满负荷的25%，选取1 500 r/min为低转速，1 800 r/min为中转速，2 200 r/min为高转速，海拔变量选取0 m，1 000 m和3 000 m。计算得到低负荷区域发动机燃油消耗率随涡轮旁通阀开度直径的变化关系(见图5、图6和图7)。

低转速时，在平原和海拔1 000 m工况，燃油消耗率在阀门开度直径30 mm左右存在极小值点。由上节分析可知，阀门开度直径在20～30 mm区间时，泵气损失对燃油消耗率起主导作用，因而随着阀门开度直径的增大，泵气损失减小导致发动机燃油消耗率减小。当海拔达到3 000 m时，进气压力的降低导致泵气损失的主导作用减弱，燃油消耗率在阀门开度直径在20～30 mm区间的下降趋势基本消失。

中等转速时，在平原和海拔1 000 m工况，当阀门开度直径大于20 mm时，燃油消耗率呈现随着阀门开度直径的增大而降低的趋势，意味着泵气损失的主导作用区域变大。这是因为，中等转速时发动机进气匮乏现象减弱，缸内燃油能够充分燃烧，此时指示效率基本不变，燃油消耗率主要受泵气损失影响。因而，平原地区发动机在阀门开度最大处亦即泵气损失最小处燃油消耗率最小。而在海拔3 000 m处，环境压力的大幅降低使得指示效率的影响变大，因而燃油消耗率在阀门全关时取得最小值。此外，当阀门开度直径大于45 mm时，阀门开度已足够大，发动机指示效率和泵气损失基本不变，因而燃油消耗率亦基本不变。

高转速时，进气量更加充足，燃油消耗率与阀门开度的关系更加复杂。随着阀门开度直径的不断增大，燃油消耗率呈现出先减小后增大之后又减小的趋势。平原和海拔1 000 m阀门全开时燃油消耗率最小，海拔3 000 m处阀门开度直径为15 mm时燃油消耗率最小。这是因为，阀门开度直径在0 mm到15 mm区间时，较小的阀门开度下发动机进气量仍然充足，其指示效率基本不变，而泵气损失减小，两者综合作用导致燃油消耗率随阀门开度的增大而减小。而当阀门开度继续增大时，较大的阀门开度减小了进气量，使得发动机指示效率的主导作用加强，燃油消耗率增加。之后，在燃油消耗率达到极大值后，随着阀门开度的进一步增大，发动机指示效率减小趋缓，而泵气损失大幅减小，最终导致燃油消耗率减小。

2.2.2 中高负荷区域变海拔调节规律

中高负荷时，由于发动机的燃油消耗率随阀门开度直径的变化规律类似，因而只计算75%负荷工况。如上节所述，选取1 500，1 800，2 200 r/min为低、中、高转速，选取0，1 000，3 000 m不同海拔。计算得到中高负荷区域发动机燃油消耗率随涡轮旁通阀开度直径的变化关系(见图8和图9)。

可以看出，高负荷中等转速和低转速的燃油消耗率都在阀门全关的时候取得最小值。这是因为，同低负荷工况相比，高负荷下发动机所需的空气量随着喷油量的增大而增大，导致指示效率成为影响燃油消耗率的主导因素。因而，当高压级涡轮阀门全关时，此时压气机压比最大，进气量最充足，发动机指示效率最高，燃油消耗率最低。

高负荷高转速工况下，燃油消耗率最小值出现在阀门开度直径10 mm左右。这是由发动机转速升高，进气量逐渐充足导致的。在阀门开度直径从0 mm开到10 mm的过程中，发动机的指示效率基本不变，而泵气损失减小，两者的综合作用导致燃油消耗率减小。

3 变海拔全工况燃油消耗特性影响因素分布及最佳阀门开度

3.1 变海拔全工况燃油消耗特性影响因素分布

由上节高压级涡轮旁通阀开度对发动机燃油消耗率的影响关系可知，当发动机运行在不同转速、不同负荷以及不同海拔下时，影响发动机燃油消耗率的主导因素是不同的。部分工况下泵气损失起主导作用，而部分工况下指示效率起主导作用。变海拔全工况燃油消耗特性影响因素分布见图10。

可以看出，同一海拔下，柴油机燃油消耗率的主要影响因素区域分为三块。高负荷、低转速区域，发动机指示效率对燃油消耗率起主导作用。低负荷、高转速区域，发动机泵气损失对燃油消耗率起主导作用。而中间区域则是指示效率与泵气损失的综合影响区域。这是因为，当发动机运行在高负荷低转速工况时，进气量不足导致发动机指示效率较低，此时提高进气量能够明显改善燃烧，降低燃油消耗率。当发动机运行在低负荷高转速工况时，进气量充足，发动机指示效率高，燃烧充分，此时提高进气量只会造成泵气损失的增加，燃油消耗率下降。总的来说，随着发动机转速的升高、负荷的减小，泵气损失对燃油消耗率的影响作用逐渐变大。

比较不同海拔下燃油消耗特性影响因素分布图可以发现，随着海拔的升高，指示效率主导区逐渐变大，综合影响区与泵气功主导区逐渐变小。分析可知，随着海拔的升高，大气环境压力的降低导致发动机进气不足的程度加大，因而海拔越高，指示效率主导区越大，综合影响区和泵气功损失区相对越小。

3.2 变海拔全工况最佳阀门开度

以最佳燃油经济性为指标并考虑发动机全负荷运行时的安全性，结合上述计算结果得到变海拔全工况最佳阀门开度(见图11)。由图11可以看出，在转速和负荷相同的情况下，高压级涡轮旁通阀的开度随着海拔的上升而减小。平原地区，旁通阀开度普遍较大，用以防止高压级涡轮的超速以及最高燃烧压力过高等不良现象。而高海拔地区，旁通阀开度普遍较小，大部分处于关闭状态，主要是为了保障发动机足够的进气量，从而使发动机具有良好的动力性能。

4 结论

a) 通过仿真计算，发现阀门开度是通过发动机指示效率及泵气损失对燃油消耗率产生影响的，提高指示效率和降低泵气损失都能够达到降低燃油消耗率的目的；

b) 变海拔全工况燃油消耗特性影响因素分布区域主要分为指示效率主导区、泵气功主导区以及综合影响区三块，随着海拔的升高，指示效率主导区逐渐扩大，泵气功主导区域与综合影响区域逐渐减小；

c) 变海拔全工况下涡轮旁通阀最佳阀门开度规律是，随着海拔的升高，阀门开度不断减小；平原和低海拔地区，较大的阀门开度能够避免增压器超速和最高燃烧压力过高；高海拔地区，较小的阀门开度能够保障发动机的进气量，使燃烧充分。

[1] 张志强,何勇灵,韩志强,等.高原环境对车用柴油机的影响分析及对策[J].装备环境工程,2009,6(2):27-31.

[2] 靳生盛.高原环境对工程机械运行可靠性的影响[J].青海交通科技, 2004(6):43-44.

[3] 李华雷,石磊,邓康耀,等.D6114 柴油机高海拔功率恢复计算研究[J].车用发动机,2013(4):30-35.

[4] 刘刚,周平,任晓江,等.车辆发动机高原增压措施探讨[J].内燃机,2011(2):15-17.

[5] 董素荣,许翔,周广猛,等. 车用柴油机高原性能提升技术研究现状与发展[J].装备环境工程,2013(2):67-70.

[6] Steinparzer F,Stütz W,Kratochwill H, et al.BMW’s new six-cylinder diesel engine with two-stage turbocharging[J].MTZ worldwide,2005,66(5):2-5.

[7] Hall D I W, Nefischer P, Hiemesch D I D. The new two-stage turbocharged six-cylinder diesel engine of the BMW 740D[J].MTZ worldwide,2010,71(4):4-11.

[8] 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究[M].北京:北京理工大学出版社,2013.

[9] 刘博.柴油机可调二级涡轮增压系统研究[D].上海:上海交通大学,2011.

[编辑： 潘丽丽]

Steady Regulation on Plateau for Diesel Engine with Two-stage Turbocharging System

ZHANG Laitao1， XU Yan2， LIU Sheng3， LI Qi1， SHI Lei1， DENG Kangyao1， YANG Zhenhuan3

(1. Key Laboratory for Power Machinery & Engineering of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China; 2. Academy of chinese weapon science, Beijing 100089, China;3. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The model of a V-type diesel engine was built with GT-Power and was matched with the adjustable two-stage turbocharging system. The effect of bypass valve opening for high pressure turbine on fuel consumption rate was calculated at different altitudes. The results show that the bypass valve opening has an indirect effect on fuel consumption rate through engine indicated efficiency and pumping loss. Under the same condition, the regulation regions are divided into engine indicated efficiency dominant region, pumping loss dominant region and their joint working region according to the main influencing factors. Moreover, the engine indicated efficiency dominant region expands and the pumping loss dominant region shrinks with the rise of altitude. Finally, the best valve opening for engine full working conditions at different altitudes is acquired based on the best fuel consumption rate.

diesel engine； plateau； two-stage turbocharging； brake specific fuel consumption; simulation

2015-05-04；

2015-07-09

张来涛(1986—)，男，硕士，研究方向为内燃机增压与性能；ltzhang89@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.006

TK421.8

B

1001-2222(2015)05-0031-06