匹配二级顺序增压系统的柴油机高原特性仿真

施新，李文祥

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081; 2.中国第一汽车集团公司技术中心，吉林 长春130011)

目前重型车动力普遍采用柴油机，在高原地区工作时，柴油机会出现功率下降、排温升高、排放恶化等问题。我国高原地区面积广阔，青藏高原地区的平均海拔超过4 000 m，柴油机高原功率恢复问题一直受到高度重视。从目前的研究现状来看，高原功率恢复研究中通常采取的技术措施是换用高压比、大流量的增压器［1-3］。换装大增压器虽能提高发动机的海拔适应性，但由于平原和高原地区进气密度的显著差异，柴油机在平原地区工作时，发动机工作范围将向压气机小流量区移动，偏离压气机高效区，同时增压器转子直径增大将使发动机加速性变差。由于我国幅员辽阔的地理特征，运输车辆动力必须兼顾平原和高原特性，如果在保持平原特性不变的同时兼顾高原功率恢复，目前重型车柴油机普遍采用的单级涡轮增压系统将无法满足如此宽广的工作范围要求。本文提出利用二级顺序增压系统解决柴油机高原功率恢复的问题，目标是在平原时保持原发动机特性不变，而海拔5 500 m 时输出功率可恢复到平原状态的80%.

1 方案分析

在不同海拔高度，柴油机若要发出相同的功率，在燃烧情况不变即指示热效率保持不变的条件下，要求过量空气系数保持不变。因此由(1)式可以得知，柴油机在不同海拔高度为了维持相同的功率输出，必须保证相同的进气流量。

式中:m 为质量流量;Pe为有效功率; be为有效燃油消耗率;α 为过量空气系数; ηv为充气系数; ηs为扫气系数; VH为排量; ps为进气压力，Ts为进气温度。

由(1)式还可以得到，在假设充气系数和扫气系数不变的条件下，相同转速下发动机进气流量取决于进气压力和温度。虽然随着海拔高度升高压气机压比提高，会使压气机出口温度有升高的趋势，但是由于随海拔高度升高环境温度也即压气机进口温度下降，因此为简化分析，可以假设中冷器后温度不变，这样就可以得知进气流量与增压压力成正比。由于压气机进口压力随海拔高度升高而下降，因此发动机若要维持相同功率输出，必须靠提高压气机压比来实现。

不同海拔高度下由于压气机进气条件发生变化，根据相似理论，压气机特性需要用通用特性表示［4］。很显然，随海拔高度的增加进气压力大幅下降，若要保证一定的进气流量，要求压气机折合流量增大。

由以上分析可知，随海拔高度增加，发动机如果需要保持一定的功率输出，要求压气机压比和折合流量逐渐增大。因此在本文进行增压系统参数计算时，只需计算得到海拔5 500 m 的压气机压比和流量，即可得到由平原到海拔5 500 m 的压气机工作范围。

本文计算研究的对象是一汽CA6DL2 柴油机，主要用于重型货车和大型客车，其主要结构参数和平原性能参数如表1所示。

表1 CA6DL2 柴油机主要技术参数Tab.1 Parameters of CA6DL2 diesel engine

由发动机的平原特性参数和海拔5 500 m 时功率恢复80%的目标，下面给出海拔5 500 m 增压系统参数计算方法:

1)利用发动机平原负荷特性燃油消耗量试验结果由油耗线法获得平原时发动机机械效率ηm0［5］，由下式计算得到平原时发动机的机械损失功率

2)假定高原时发动机机械损失功率与平原时相同，可由下式计算得到海拔5 500 m 时发动机机械效率

3)由燃油消耗率和机械效率的关系可以得到海拔5 500 m 的发动机燃油消耗率为

4)由(1)式计算得到海拔5 500 m 时发动机进气流量。

5)由于随海拔高度变化发动机进气流量与增压压力成正比，因此海拔5 500 m 时增压压力为

上述各式下标0 为平原状态，下标5 为海拔5 500 m.

在计算得到增压系统参数后，即可将其换算为折合参数。表2列出了代表性的外特性最大扭矩点和标定点2 个工作点的参数。将此表中的数据绘制在原机匹配的压气机特性图上(图1)，可明显看出，发动机在海拔5 500 m 时标定点远远超出了压气机的工作范围。如果要满足高原时的功率恢复要求，必须选择高压比、大流量的压气机，这将损害发动机的平原特性。因此，单级涡轮增压系统无法同时满足发动机兼顾平原和高原特性的要求。

表2 平原和高原时增压系统参数Tab.2 Parameters of turbocharging system on plain or plateau

图1 发动机平原和海拔5 500 m 运行点Fig.1 Engine operation points on plain and up to 5 500 meter

2 二级顺序增压系统

本文所采用的二级顺序增压系统方案如图2所示。高压级增压器选用原机匹配的增压器，同时选用较大流量的增压器作为低压级增压器。整个增压系统通过压气机和涡轮端2 个特殊设计的三通阀门进行调节，可以实现单级增压和二级增压之间的转换。当发动机在平原工作时，将2 个阀门切换到图中的实线端，同时阀门的设计可以使虚线端关闭，此时只有高压级增压器工作，而低压级增压器不工作，柴油机原匹配的单级增压器能够保持平原性能不变。当发动机进入高原地区工作，将压气机侧的阀门完全切换到相反方向，而涡轮端阀门根据海拔高度和工况可以逐渐反向调节开度，使低压级增压器逐步投入工作，以提高压比，恢复高原功率。

二级顺序增压方案中高压级增压器保持不变，增压系统设计的关键是确定低压级增压器。本文以海拔5 500 m 发动机最大扭矩点为设计点，对低压级增压器进行了计算和选型，具体计算过程为:

图2 二级顺序增压原理图Fig.2 Principle of two-stage sequential turbocharging

1)由于高压级涡轮特性曲线已知，因此可以由设计点流量、压比、排温等参数，根据压气机和涡轮功率平衡计算得到高压级压气机压比，从而得到低压级压气机压比。计算结果为高低压级压比分配比例接近5∶5.对于标定点压比分配比例，按照使发动机运行在2 个压气机合理工作范围内的原则初步确定为4∶6，准确值在循环模拟计算中可以根据高压级增压器放气阀开启情况通过调节涡轮端控制阀门来调节，实现预计的总压比。

2)根据计算出的低压级压气机参数，初步选定J112 型增压器为低压级增压器。

3)能否实现设计点低压级压气机压比，主要取决于涡轮能否发出需要的功率，即涡轮的流通特性能否满足设计要求。涡轮箱0-0 截面A/R 值对于涡轮流通特性具有重要的作用，增压器制造中经常利用一系列不同流通截面的涡轮箱来匹配同一叶轮，获得不同的涡轮流量特性，实现与不同发动机的匹配［6］。本文根据文献［6］中的方法，在保持J112 增压器涡轮叶轮不变的基础上进行了涡轮箱的重新设计，其0-0 截面A/R 值为47 mm.利用径流叶轮机械设计和分析软件RITAL，对重新设计的低压涡轮进行了特性仿真，图3为计算得到的流量特性曲线，并将其用于发动机循环模拟计算。

图4为根据上述计算结果绘制的发动机标定点和最大扭矩点2 种典型工况的耗气特性，可以看出，对于高、低压级压气机，高原时发动机均运行在合理的工作范围内。

3 柴油机高原特性循环模拟计算

3.1 原机模型校验

仿真计算采用的是GT-Power 软件，建模中压气机和涡轮的模型是输入其性能曲线得到，由于软件中没有膜片式放气阀的模型，因此建模中采用了一个PID 控制模型来代替。

首先进行了匹配单级增压系统的发动机原机平原特性循环模拟计算，并与原机平原试验数据进行了校验，图5为功率和比油耗的校验结果。由图可以看出，除800 r/min 工况比油耗偏差稍大外，仿真值与试验结果吻合较好。

图3 J112 涡轮流量特性仿真结果Fig.3 Simulation results of flow characteristic for J112 turbine

图4 发动机运行点在高、低压压气机特性图上的位置Fig.4 Engine operation points on compressor’s map

图5 原机仿真与试验结果比较Fig.5 Comparison between simulation and experiment results for original engine

3.2 高原特性计算

建立了匹配二级顺序增压系统的柴油机计算模型，进行了不同海拔高度的循环模拟计算，高原环境条件参照我国大气数据［7］。

为了简化计算，功率恢复的目标设定为: 海拔2 000 m(包含2 000 m)以下功率恢复到平原水平，海拔5 500 m 时功率恢复至平原的80%，2 000～5 500 m区间随海拔高度升高功率近似线性递减。按照上述功率恢复目标，在GT-Power 中按如下原则调整模型中的参数，以达到功率恢复的目标:

1)根据海拔高度不同，改变模型中环境状态参数。

2)以发动机空燃比基本保持与平原时相同为基本的调整策略，调节发动机模型中循环喷油量。

3)随海拔高度升高，首先只将原机增压器即高压级增压器投入工作，考察功率恢复情况，若能满足功率目标且增压器运行参数合理，则低压级增压器不投入工作;若随海拔高度升高，功率恢复不能达到目标，调节压气机端控制阀门和涡轮端控制阀门，使低压级增压器逐渐投入工作，以增大进气量，使发动机在其他参数不恶化的前提下功率恢复到要求值，同时考察高、低压级增压器的工作参数是否合理，以确定最终的阀门开度。

图6为不同海拔高度下发动机外特性计算结果，图中同时绘出了平原时的外特性数据。由图可以看出，在海拔2 000 m 以下，发动机功率保持与原机相当; 在海拔2 000 m 以上，发动机功率逐渐下降，基本符合预期的功率恢复要求。这主要是由于采用了二级增压系统后，随海拔高度升高时增压系统压比升高，保证了足够的进气量。比油耗除低速时上升较多外，其余工况下比油耗较平原状态仅略有上升。

图6 不同海拔高度柴油机外特性计算结果Fig.6 Engine simulation results at different altitudes

为了达到不同海拔高度发动机功率恢复的目标，在不同海拔处增压系统的运行也有所不同。在海拔1 000 m 处，由于空气密度下降不是很多，加上涡轮的补偿作用，此时只需高压级增压器工作即可达到功率恢复的要求。从平原和海拔1 000 m 压气机与发动机的联合工作曲线可看到(图8(a))，1 000 m处压比较平原要稍微高些，同一转速下的流量也大些。正是由于这样的增压补偿作用，才能保持在空燃比基本不变的情况下发动机恢复到平原功率。同时，发动机外特性工作线具有足够的喘振裕度，依然工作于压气机效率较高的区域。

在海拔2 000 m 以上，仅靠原机的单级增压系统无法达到所需的功率恢复目标，因此，按照前述二级增压系统阀门调节方法，使高低压级增压器都投入工作，通过调节涡轮控制阀门的开度以控制低压级增压器的投入工作程度，从而达到所需要的总压比。图7为不同海拔高度标定点和最大扭矩点涡轮控制阀的开度变化(用旁通直接流入排气管的流量与发动机排气总流量的比值表示)，由图可以看出，外特性最大扭矩点和标定点时涡轮控制阀的开度变化规律基本一致，即随海拔高度增加，通过涡轮控制阀门的调节逐渐减小旁通流量，使流过低压级涡轮的流量逐渐增加，即低压级增压器投入工作逐渐增多，维持足够的总压比以保证高原时的进气量。

图7 不同海拔涡轮端控制阀门的开度Fig.7 Turbine valve opening at different altitudes

随着涡轮控制阀门开度的变化，柴油机与高低压级增压器的匹配也发生变化，图8为不同海拔高度柴油机与高低压级压气机的联合运行线。由图中可以看出，海拔2 000 m 时，由于低压级增压器压比较低，高压级压气机压比略有上升，但幅度不大，保证了发动机运行线不致穿过喘振线，保证了高压级压气机的正常工作。当海拔高度继续增加，低压级压气机压比逐渐增加，发动机运行线逐渐进入低压级压气机的高效区，而随着低压级增压器压比的逐渐升高，高压级增压器压比在发动机低速区域基本与平原时持平，而高速时压比较平原时低，发动机运行线处于压气机的高效区，这表明，在高原时二级增压系统压比分配比较合理，在维持足够的压比以保证进气量的同时，高低压级压气机均工作于各自比较理想的区域，发动机与增压系统实现了良好的匹配。

4 结论

1)计算分析表明，在海拔0～5 500 m 内，单级涡轮增压系统无法满足发动机兼顾平原特性和高原功率恢复的要求，采用二级顺序增压系统是一种有效的技术措施。

2)发动机工作于不同海拔高度时，需要调节二级顺序增压系统控制阀门，使高低压级增压器均工作于合理的范围内，以保证发动机的高原特性。

图8 不同海拔发动机与高低压级压气机联合运行线Fig.8 Engine operation lines on compressor’s map at different altitudes

References)

［1］宋武强，韩同群，黄刘军，等.康明斯6CTA8.3-C215 柴油机高原功率恢复试验研究［J］.湖北汽车工业学院学报，2007，21(3):15 -17.SONG Wu-qiang，HAN Tong-qun，HUANG Liu-jun，et al.Experimental study on plateau power recovery of cummins 6CTA8.3-C215 diesel engine［J］.Journal of Hubei Automotive Industries Institute，2007，2193):15 -17.(in Chinese)

［2］孙崎，张云飞.工程机械用柴油机高原运行性能的研究［J］.内燃机工程，2001，22(2):34 -39.SUN Qi，ZHANG Yun-fen.Research on operating performance of engineering diesel engine at high altitudes［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering.2001，22(2):34 -39.(in Chinese)

［3］杨勇，李志刚，沈宏继，等.风冷柴油机高原恢复功率台架模拟试验研究［J］.车用发动机，2005(2):13 -15.YAMG Yong，LI Zhi-gang，SHEN Hong-ji，et al.Simulated experimentation research of power recovery in the Plateau based on wind-cooled diesel engine［J］.Vehicle Engine，2005(2):13 -15.(in Chinese)

［4］朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器［M］.北京: 机械工业出版社，1992:171 -173.ZHU Da-xin.Turbocharing and turbochargers［M］.Beijing: Machine Industry Press，1992:171 -173.(in Chinese)

［5］周龙保.内燃机学［M］.北京:机械工业出版社，1999:23.ZHOU Long-bao.Internal combustion engine［M］.Beijing: Machine Industry Press，1999:23.(in Chinese)

［6］Moustapha H，Zelesky M F，Baines N C，et al.Axial and radial turbines［M］.Vermont: Concepts NREC，2003:238 - 243.

［7］蒋德明.内燃机的涡轮增压［M］.北京: 机械工业出版社，1986:299.JIANG De-ming.Turbocharging the internal combustion engine［M］.Beijing:Machine Industry Press，1986:299.(in Chinese)