二级增压系统压气机效率的优化策略研究

许允， 亓升林， 刘忠长， 田径， 张龙平， 韩恒

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130025)



二级增压系统压气机效率的优化策略研究

许允， 亓升林， 刘忠长， 田径， 张龙平， 韩恒

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130025)

对配置在1台重型车用柴油机上的二级增压系统进行了性能研究。结果表明：放气阀开启的二级增压系统存在进气能力不足、压气机效率低的问题；关闭二级增压放气阀后，在中、低转速低负荷工况仅采用高压级增压器，而其余工况借助高压级涡轮旁通阀实现进气压力可调，增压系统压气机效率均可超过60%，且最大进气压力可达334 kPa；针对不同工况采用不同增压形式，通过控制涡轮旁通阀开度使二级增压系统进气压力及压比分配得到有效调节，可以改善压气机效率及燃油经济性，为二级增压系统与重型柴油机的性能匹配提供技术参考。

柴油机； 二级增压； 涡轮旁通阀； 压气机效率； 燃油经济性

在重型乘用车以及轻型商用车领域，增压技术在柴油机上的应用日益广泛，低比排放、高功率密度柴油机的研发促进了高增压和超高增压技术的发展，增压技术成为降低柴油机转速和尺寸的关键技术[1-4]。其中二级增压系统既能有效改善VGT结构复杂、工作环境差的缺点，也防止了相继增压在切换过程中出现的压力突增现象，是有效实现高增压比和宽流量范围的技术方案之一[1-4]。国内外众多学者对柴油机匹配二级增压系统后的部分规律进行了研究，相比常规的单级涡轮增压系统，二级增压系统可以克服低速扭矩性能差、EGR引入能力较弱以及瞬态响应性能差等缺点，有利于柴油机在汽车上更为广泛的应用[3-9]。由于串联式二级涡轮增压系统在柴油机应用中具有易启动、低负荷性能好及高压级增压器损坏时不需要设置应急鼓风机的优点，所以本研究采用串联布置的二级增压系统[3-10]，其中高压级增压器为流通面积较小的涡轮增压器，低压级增压器为流通面积较大的涡轮增压器。

二级增压系统的合理选型与匹配对于柴油机设计性能目标的实现具有重要的作用，而现阶段如何为柴油机匹配合适的二级增压系统使两级压气机都工作在高效率区，是二级增压系统匹配的一个难题[6]。因此，如何对匹配后的二级增压进行合理改进，并改善其匹配性能是实际研究中经常面临的问题。本研究以串联式二级增压系统为对象，开展了二级增压系统与柴油机优化匹配的试验研究，最终确立了以二级增压压气机工作效率及燃油经济性为目标来合理选择进气形式的优化策略。

1 试验台架构建

试验发动机为1台高压共轨、增压中冷6缸柴油机，参数见表1。发动机测试系统见图1。在二级增压的高压级涡轮机入口端配有放气阀装置，当进气压力超过一定限值时，高压级放气阀开启，使部分废气绕过高压级涡轮直接到达低压级涡轮，从而降低进气压力，对二级增压系统起到保护作用。

表1 试验发动机基本参数

2 二级增压器选型

为使柴油机匹配合适的二级增压器，在不同运行工况下，不仅需要增压器能达到预定的进气压力，同时需要高、低压级压气机运行在高效率区[4]。本研究匹配二级增压系统的主要目的为在中、小负荷使增压系统具有高效率、高增压压力及高进气响应性，所以本研究以发动机的最高燃烧压力(16 MPa)为匹配极限，选择最大扭矩点作为二级增压器的匹配点。

基于发动机初始条件及表2中匹配点基本参数，计算得到总压比π=3.4(参考最高燃烧压力)。

低压级压气机消耗的功：

(1)

高压级压气机消耗的功：

(2)

式中：p1和T1分别为低压级压气机进气压力与温度；p3和T3分别为高压级压气机进气压力与温度；ηcl和ηch分别为低、高压级压气机的效率。

以总压比为3.4，T3和T1分别为313K和298K，中冷器压力损失为5kPa以及ηcl和ηch均为0.75作为初始条件，以总压缩功最小为原则初定二级增压高、低压级压气机间的压比分配分别为1.57，2.16。以总压缩功最小为原则，同时考虑低压级压气机应在高进气量下起主要增压作用，并将原机的进气压力随转速变化规律作为参考依据，本研究估算标定功率点的总压比为2.9，高、低压级压气机间的压比分配分别为1.62，1.79。

表2 匹配点基本参数

某增压器厂根据上述增压器设定配置参数制造了1台二级增压器，并在全流量范围内对增压器进行了验证，绘制出的高、低压级压气机效率见图2。

由图可知，二级增压器在匹配点的高、低压级压气机效率分别达到66%，74%，在标定功率点高、低压级压气机效率均达到66%，均运行在高效率区，可以认为匹配合理。

3 试验结果分析

3.1 二级增压性能测试及改进

为测试二级增压器在试验发动机上的运行效果，本研究选择稳态下的外特性工况进行试验验证。

图3示出中、高负荷下两级压气机效率。由图中可知，中、高负荷下低压级压气机运行在高效率区，效率均超过74%，而高压级压气机运行在低流量、低增压比效率区，效率值远低于60%。推测是在进气压力超过一定限值时，高压级放气阀开启，使部分废气绕过高压级涡轮直接到达低压级涡轮，从而降低高压级压气机增压比造成的。故本试验在进气压力不超过该增压系统限值(350 kPa)的前提下，关闭放气阀，对试验工况进行了研究。

图4示出外特性工况下原机与二级增压的扭矩与燃油消耗率。由图中可知，二级增压在中低转速的动力性与经济性较原机提高；高转速工况下，二级增压的动力性及经济性较原机稍微恶化，推测是由二级增压泵气损失过大造成的，因此使用二级增压可满足动力性需求。图5示出中、高负荷工况下两级压气机运行效率。由图可知，在中、高负荷工况关闭二级增压放气阀使高、低压级压气机效率均超过60%，运行在高效率区。关闭二级增压放气阀使进气压力提高，最大进气压力相比放气阀开启下的最大进气压力提高50 kPa，同时比原机最大进气压力(256 kPa)提高78 kPa，达到334 kPa。

3.2 涡轮旁通阀调节特性

关闭二级增压放气阀使中、高负荷下高压级压气机效率提升、进气能力增加，但涡前压力也有较大程度提升，瞬时峰值压力在1 960 r/min转速下达469 kPa，长期运行可能会造成蜗壳受损、涡轮使用寿命降低。同时在不同工况下合理调节过量空气系数，可改善增压系统的进气能力“不可兼顾”不同工况需求的缺点，使二级增压柴油机获得更优的燃油经济性。故本研究在二级增压系统上增设高压级涡轮旁通阀，通过对旁通阀开度的调节，以降低涡前压力，同时提高燃油经济性。为避免高压级压气机出现“惰转”现象，研究中将旁通阀开度变化范围定为0%～80%，在40%～60%开度范围内变化步长为5%，其余开度范围内变化步长为10%。

本研究选择稳态下的低、中、高转速(A：1 330 r/min，B：1 650 r/min，C：1 960 r/min)不同负荷工况(A75为A转速75%负荷率，其余类同)为试验工况进行试验。图6以A100，B100，C100工况点为例，说明不同旁通阀开度对二级增压燃油消耗率、过量空气系数、涡前瞬时峰值压力、高压循环指示热效率和泵气过程平均有效压力(pMEP)的影响。从图中可以看出，涡前瞬时峰值压力随旁通阀开度增大单调降低，最大幅值均超过30%；不同旁通阀开度下过量空气系数、高压循环指示热效率及pMEP的数值较原机有所提高，幅值均超过10%，且随旁通阀开度增大，以上参数均呈现下降趋势。图6中pMEP值均为负，代表换气过程工质对活塞做负功，换气过程存在泵气损失；pMEP数值越小，表示泵气损失越低。

如图6所示，在A100工况下，关闭旁通阀有效增加了过量空气系数与高压循环指示热效率，使燃油消耗率降低，最大降幅达7.5%；分析可知，A100工况过量空气系数低，燃烧存在进一步改善的潜力，所以关闭旁通阀以增加进气可提高燃油经济性。但以上规律并不适用于所有工况，增加进气使C100工况燃烧过程改善，而泵气损失较大程度增加，且泵气损失增加相比燃烧过程的改善对燃油经济性有更大影响，使燃油消耗率随旁通阀开度增大单调降低，最大降幅达3.0%。因此，旁通阀开度变化对不同工况燃油经济性影响不同，旁通阀开度减小使燃烧过程改善，同时泵气损失增加，两者对燃油消耗率影响作用的大小决定了燃油经济性随旁通阀开度调节的变化规律。

因此，在中、高负荷下合理调节旁通阀开度使进气压力与柴油机运行工况得到进一步匹配，燃油经济性提高，同时有效降低了二级增压系统过高的涡前压力。

图7示出中、高负荷工况下两级压气机效率。在中、高负荷下高压级压气机效率在不同旁通阀开度下最大值均可达到60%，而低压级压气机效率在不同旁通阀开度下均超过60%；与放气阀开启的二级增压相比，高、低压级压气机同时运行在较高效率区。

压气机效率主要与增压比有关，增压比随流量的变化规律决定了效率随流量的变化趋势，图8中以中转速中、高负荷为例说明了旁通阀开度对压比分配的影响。随旁通阀开度减小，高压级增压器所占总增压比的比例增大，低压级所占比例减小。因此高压级压气机效率随旁通阀开度减小往大流量、高压比效率区移动，逐渐进入高效率区；低压级压气机效率随旁通阀开度减小向大流量、低压比效率区移动，远离高效率区。

图9示出低负荷下两级压气机效率。从图中可以看出，低负荷下高、低压级压气机均工作在低效率区，且低压级压气机在部分工况下甚至未起到增压作用。故本研究拟对进气形式改进以使压气机工作在更高效率区。

3.3 调节进气形式以提高增压系统效率

为提高低负荷工况压气机效率，本研究设计了新的进排气控制系统，见图10，图中加粗部分为新增管路及控制开关。本系统旨在通过调节三通球阀的控制开关，实现二级增压与单级增压之间的有效切换，即可调进气形式。在不同转速低负荷工况下对两种进气形式进行了试验研究。图11示出低负荷工况下仅采用高压级增压器的压气机效率。从图中可以看出，仅采用高压级增压器提升了低负荷工况压气机效率，其值均超过60%。低负荷工况进气量小，压比成为影响增压器效率的关键因素；唯一使用高压级增压器使增压过程仅在单个增压器上进行，进而使高压级压气机压比增加，效率提高。

图12示出二级增压与仅采用高压级增压的pMEP、燃油消耗率、过量空气系数的对比。从图中可以看出，与旁通阀处在最优经济性开度下的二级增压器相比，中、低转速低负荷工况下仅采用高压级增压器使pMEP数值降低，幅值均超过10%。这是因为旁通阀关闭使中、低转速低负荷燃油经济性最佳，此时排气能量小，两级增压器同时运行下的低压级压气机在部分工况下产生“惰转”现象，进而使低压级增压器对进排气过程产生阻碍作用，泵气损失增加，而仅采用高压级增压器能有效改善以上现象。但在高转速低负荷工况，仅采用高压级增压器使pMEP数值增加，幅值均超过40%，这是因为此时对应最优经济性旁通阀开度均为80%，唯一运行的低压级增压器相比仅采用高压级增压器具有较大流通面积，使整个增压系统泵气损失降低。

从图12中可以看出，与旁通阀处在最优经济性开度下的二级增压器相比，中、低转速低负荷工况下仅采用高压级增压器使燃油消耗率降低，最大降幅为4.9%；高转速低负荷工况，仅采用高压级增压器使燃油消耗率增加，最大增幅为5.5%。中、低转速低负荷工况下，旁通阀处在最优经济性开度下的二级增压与单级增压的过量空气系数均超过2.0，进气量可较大程度满足燃烧需求，且泵气平均有效压力均低于100 kPa，泵气损失小；与二级增压器相比，仅采用高压级增压器的增压系统效率提高，使泵气平均有效压力降低幅度高于过量空气系数降低幅度，进而使燃油经济性提高。高转速低负荷工况下过量空气系数进一步增大，最大值达3.4，因此在影响燃油经济性的主要因素中，泵气损失相比进气量更为重要；唯一运行的低压级增压器相比仅采用高压级增压器泵气损失降低，使燃油经济性提高。

在整车瞬态运行过程中，二级增压系统的单双级增压的转换过程必然会出现进气压力突变以及扭矩、转速大幅度波动的现象。为防止这种现象发生，后续研究将从单双级增压器的切换时刻与切换时对应旁通阀开度控制的角度出发，以提高二级增压切换过程中转速及扭矩的平顺性。

4 结论

a) 对配置在1台重型车用柴油机上的二级增压系统进行了性能研究，结果表明：放气阀开启的二级增压器存在进气能力不足及高压级压气机效率低的问题；

b) 关闭高压级放气阀，在中、低转速小负荷工况仅采用高压级增压器，压气机效率均超过60%；其余工况采用进气压力可变的二级增压，高、低压级压气机效率在不同旁通阀开度下最大值达到60%，且最大进气压力可达334 kPa，比原机最大进气压力提高30%；

c) 与放气阀开启二级增压相比，对放气阀关闭下的单双级增压的转换以及涡轮旁通阀开度的控制，使得二级增压系统的进气压力及压比分配得到有效调节，从而改善了压气机效率与燃油经济性。

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[编辑： 潘丽丽]

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

国家重大基础研究发展规划资助项目(“973”项目)(2013CB228402)；吉林大学研究生创新基金资助项目(2014015)

许允(1964—)，男，高级工程师，研究方向为内燃机公害与控制；xuyun@jlu.edu.cn。

田径(1981—)，男，讲师，研究方向为内燃机公害与控制；jingtian@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.012

TK421.8

B

1001-2222(2015)04-0060-07