柴油机高原可调增压技术

林春城，刘瑞林，董素荣，张众杰，周广猛，张文建

(1.军事交通学院研究生管理大队，天津300161;2.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;3.军事交通学院学员旅，天津300161)

我国高原具有海拔高、面积广的特点，号称“世界屋脊”的青藏高原平均海拔超过4 000 m，面积达230万 km2，占我国陆地总面积的 24%［1］。与平原相比，高原地区大气压力下降幅度大，柴油机在高原地区运行时进气量减少，导致空燃比降低、燃烧不充分、后燃期延长，造成柴油机动力性和经济性下降、碳烟排放增加、排温升高等问题，直接影响车辆在高原地区运行的整车性能［2］。随着我国西部大开发战略的实施以及西部地区日趋严峻的周边环境，柴油机高原性能提升方面研究的开展对我国具有十分重要的意义［3］。

早在20世纪80年代，朱振夏等［4］就通过青藏铁路机车柴油机试验提出了“供气是柴油机高海拔动力恢复的关键”的 结论。高原环境条件下，自然吸气柴油机性能恶化明显，海拔每升高1km，柴油机功率下降9% ～13%、油耗增加6%左右、排温升高10%以上［5］，无法满足高原柴油机的运行要求。目前，国内外围绕提高柴油机高原环境适应性开展的研究工作中，增压技术是最重要的技术手段之一。当前，车用柴油机应用最多的是废气旁通式涡轮增压技术［6－7］。文献［8］研究表明，匹配普通废气旁通涡轮增压器柴油机在海拔2 000 m时的最大转矩和标定功率分别降至平原相同工况的91.8%和89.1%，已经严重影响柴油机性能的发挥。文献［9］研究表明:海拔5 500 m最大转矩和标定功率分别降至平原相同工况的74.5%和68.7%，虽然压气机压比升高，但与平原相比进气流量分别下降了30%和28.6%，不能满足更高海拔范围内柴油机的性能要求;普通的废气涡轮增压器与柴油机的匹配均是针对固定海拔、固定工况，偏离匹配的海拔和工况增压器效率下降明显，无法满足全工况范围内与柴油机的良好匹配［9］。可调增压技术的发展在一定程度上缓解了这种矛盾，能通过调节机构实时控制增压压力，使增压系统与柴油机的匹配特性大大改善，逐渐成为近年来研究的热点。

1 可调增压技术研究进展

适用于车用柴油机的可调增压技术主要有可变截面涡轮增压技术、相继增压技术、复合增压技术、多级涡轮增压技术等。

1.1 可变截面涡轮增压技术

可变截面涡轮增压技术(variable geometry turbocharging，VGT)相当于为柴油机匹配了一系列固定截面的涡轮增压器，可以通过调节导流叶片角度改变涡轮流通面积，从而实现增压器转速和增压压力的连续可控调节，提高柴油机变海拔、变工况适应性［10］。其工作原理:柴油机低速时，通过减小VGT叶片开度减小涡轮流通面积，实现增压压力的快速建立，提高低速性能和瞬态加速特性;高转速时，通过加大VGT叶片开度从而增大涡轮流通面积，控制增压器不超速并降低排气背压，提高高速工况经济性［11］。文献［12］通过仿真研究了VGT柴油机变海拔性能，结果表明，柴油机匹配VGT降低了因海拔上升引起的柴油机性能下降程度。与原机相比，VGT柴油机海拔5 000 m标定功率提高了1.28%，最大转矩提高了2.91%。但与原机平原相同工况相比，VGT柴油机海拔5 000 m标定功率和最大转矩分别降低了7.2%和6.4%，联合运行线已经接近压气机的转速极限和压比极限，无法进一步改善柴油机高海拔性能。可变截面涡轮增压器的压气机与废气旁通式增压器压气机一样，随着海拔的升高，相同进气流量下的压比增大，低速时易发生喘振，高速时为避免增压器超速，VGT叶片开度较大，增压器转速和效率下降，限制了增压压力和进气流量的进一步提高，很难满足柴油机在变海拔全工况范围内的性能要求。

1.2 相继增压技术

相继增压(sequential turbocharging，STC)也称并联增压，采用两个或两个以上的涡轮增压器并联连接，随着柴油机转速和负荷的增长，相继顺序投入运行，可以保证工作时的涡轮增压器始终在高效率区运行，确保柴油机在低速工况时具有较高的增压压力，使得柴油机的燃油消耗率及热负荷在整个运行区域内均较低［13］。根据柴油机不同运行工况，须对相继增压系统的运行模式进行划分［14］。文献［15］根据发动机的工况，将相继增压系统划分为3种运行模式:发动机低速时，仅较小的增压器投入使用，废气集中进入一台涡轮，快速建立增压压力，提高低速转矩;中等转速时，关闭较小的增压器并开启较大的增压器，提高增压压力和进气流量;随发动机转速继续提高，排气能量升高，两个涡轮增压器控制阀均打开，两个增压器同时运行，增压压力和进气流量得到进一步提高。试验结果表明，匹配三阶段相继增压系统的柴油机性能较原机有较大改善，尤其在低速大负荷工况，燃油消耗率最高降低约7.1%，碳烟排放最高降低达70.2%。高转速区间，两台增压器都运行在高效区，标定转速下原机压气机效率较低，而相继增压系统两台增压器并联运行时大小增压器效率分别为77%和73%，有效降低了高转速区的燃油消耗率。

由于车用发动机运行工况复杂，相继增压系统实际应用时需要频繁地切换控制阀门，不同涡轮增压器之间的转换操作是相继增压技术研究的难点。阀门的切换过程中，易发生增压器的喘振、堵塞、发动机转矩波动大等问题，需要复杂的控制策略才能实现其与发动机的最佳匹配。相继增压系统每个涡轮增压器都相当于单级涡轮增压器，发动机在高海拔条件下运行时，很难满足高增压度的要求。此外，变海拔条件下不同的大气压力使得相继增压系统控制阀门的切换点改变，控制策略更为复杂，且其调节能力有限，很难实现发动机变海拔、变工况的运行要求。因此，相继增压技术应用于柴油机高原功率恢复的优势并不明显［4］。

1.3 复合增压技术

复合增压技术是将两种或多种增压技术组合的一种增压形式，应用于车辆柴油机研究较多的主要有机械—涡轮复合增压技术和电动—涡轮复合增压技术。

1.3.1 机械—涡轮复合增压技术

机械—涡轮复合增压(twincharger)是最为常见的复合增压技术。其中，机械增压技术由发动机曲轴直接驱动机械增压装置，瞬态响应几乎没有滞后现象，在发动机低速时增压效果理想，而在高转速时则消耗发动机的动力输出;废气涡轮增压技术在发动机高转速时增压效果理想，而低转速时则瞬态响应迟缓，增压能力变差。机械—涡轮复合增压技术融合机械增压和废气涡轮增压技术的优点来弥补各自的缺陷。在发动机低转速时机械增压器工作以实现增压压力的快速建立;中高转速时逐渐开启与机械增压器并联的节流阀，涡轮增压器介入，两级增压器联合运行;高转速时脱开电磁离合器并完全开启节流阀，增压压力完全由涡轮增压器提供。大众汽车公司［17］对一款1.4 L机械—涡轮复合增压汽油机进行了试验，结果表明:匹配了该复合增压系统后，增压比达到2.5，最大功率提高到125 kW，达到2.4 L汽油机的功率水平，最大转矩转速范围相当宽广，低速燃油消耗率也有显著降低。文献［17］对匹配了机械—涡轮复合增压系统的1.8 L柴油机和普通单级增压2.5 L柴油机性能进行了对比，发现中高转速下二者转矩接近，低转速下复合增压柴油机转矩明显高于单级增压柴油机，且燃油消耗率最高下降约6%。但是，与涡轮增压器相比，机械式增压器效率偏低，最高效率仅为60%左右(普通废气涡轮增压器的最高效率不低于75%)。且机械式增压器消耗发动机的机械功，经济性改善程度要低于其他可调增压方式。此外，机械—涡轮复合增压系统结构复杂，需要为机械增压器单独配置离合器，离合器与旁通阀的协调配合需要大量的标定工作才能实现，而且加大了控制的难度，普及起来比较困难。

1.3.2 电动—涡轮复合增压技术

电动—涡轮复合增压技术也称电辅助增压技术(electrically assisted turbo，EAT)，由电动增压技术与废气涡轮增压技术结合而成。在保留原有的涡轮增压器的情况下，电动增压系统独立布置，即在发动机进气系统再接入一台电机驱动的独立的压气机。当柴油机在低速区或急加速运转时，电动增压器迅速启动开始工作，协助涡轮增压器增加柴油机低转速或加速初期的进气量;当发动机运行在中高转速区时，电动增压器停止工作，此时，为避免压气机在进气管道产生不必要的阻力，打开压气机旁通阀，电动增压器的压气机部分被与其并联的空气管路短接，空气由并联管路直接进入废气涡轮增压器的压气机［18］。

电动—涡轮复合增压技术最大的优势就在于可以有效改善增压柴油机低速转矩不足、加速响应滞后的问题。Yamashita等［19］研究表明:与电动涡轮增压和常规涡轮增压器相比，在达到相同的转矩时，电动—涡轮复合增压所需的时间更短。日本三菱重工对其研制的电动涡轮增压器进行了台架试验，结果表明，电动增压器从启动到转速达到74 000 r/min的时间比传统增压器缩短了1/3［20］。此外，在降低柴油机加速过程瞬态烟度方面，电动—涡轮复合增压技术也有其突出的优势。李文祥等［21］选用合适的电动机与某型号涡轮增压器的压气机匹配，并与原机的废气涡轮增压器组成电动—涡轮复合增压系统。试验结果表明，采用该增压系统可以使某柴油机在低速转矩增加16.3% ～29.6%的前提下，烟度降低 56%。电动—涡轮复合增压技术应用于高原环境柴油机功率恢复的研究工作较少。北京理工大学韩恺等［22］针对增压柴油机高原功率下降的问题，提出了可调转速的电动—涡轮复合增压方案并进行了仿真研究。结果表明，应用该方案，在海拔3 000 m柴油机标定功率恢复至平原的89.7%，最大转矩下降了3.7%，转速适应性系数从1.39提高至1.56，发动机全负荷运行时电动增压器始终运行在高效区，且有一定的喘振裕度，有效解决了增压柴油机在高原环境下遇到的压气机喘振、超速的问题，改善了柴油机的高海拔性能。电动—涡轮复合增压技术在高海拔条件下具有较强的应用潜力，但与其他增压方式相比，电动—涡轮复合增压技术也有其不足之处。存在的问题主要有:电动机功率较大，导致电路中电流过大，电路系统的发热与损失加剧;当前高速电动机转速达不到要求;排气歧管压力低于进气歧管导致与EGR系统兼容性差等问题。因此，虽然具有较强的应用潜力，但距实际应用于车辆柴油机以提高其高原性能还有较大差距。

1.4 多级涡轮增压系统

多级涡轮增压系统是将两个或多个单级涡轮增压器组合起来，发动机排气经过各级涡轮膨胀做功，各级涡轮带动压气机对发动机进气增压，提高进气压力和流量，从而提高过量空气系数，改善柴油机缸内燃烧，达到提高柴油机各项性能的目的。目前，多级涡轮增压技术中已实现应用的主要包括二级可调增压技术(regulated two－stage turbocharging，R2S)和三级可调增压技术(regulated three－ stage turbocharging，R3S)。

1.4.1 二级可调增压技术

自20世纪70年代，国外一些大公司如博格华纳［23］、霍 尼 韦 尔［24］、现 代 汽 车 公 司［25］、德 国MAN［26］等，就开始了对柴油机二级涡轮增压系统的研究工作，并已运用于大型货车和轿车上。但由于地理环境条件的差异，欧美国家在二级增压系统高原环境下的研究需求不强，相关报道较少。在国内，军事交通学院刘瑞林等［27］融合了VGT技术和二级可调增压技术的优势，设计了基于VGT的二级可调增压系统，并进行了与柴油机的高海拔匹配仿真研究。结果表明，与单级增压柴油机相比，二级可调增压柴油机在海拔5 500 m的最大转矩和标定功率分别恢复至平原相同工况下的93.7%与95%，低速转矩提高121% ～253%，最低燃油消耗率降低12.6%，全面提升了柴油机在高海拔、全工况下的动力性和经济性，有效提高了车辆高原适应能力［28］。

二级可调增压系统匹配对于柴油机设计性能目标的实现具有重要的意义。大量研究者开展了二级可调增压系统与柴油机的匹配研究［29－32］。然而，柴油机运行工况复杂，要求在不同工况下二级可调增压系统都能提供精确的增压压力，仅仅靠匹配是不够的，更需要二级可调增压系统调节规律的研究。文献［33］制定了不同海拔下的目标增压压力，通过仿真进行二级可调增压系统的变海拔适应性研究，发现高压级涡轮旁通阀需要采用不同的开度来适应不同海拔和不同转速工况，阀门开度的调节幅度会随海拔的升高和转速的减小而变小。高海拔条件下，二级可调增压系统调节规律的试验研究还未见相关报道。仿真结果可以用于摸清二级可调增压系统各个控制参数对柴油机的影响规律，但无法直接运用到发动机实际工作中。若要实现二级可调增压系统在高原环境下的实际应用，控制策略研究将成为下一步的工作重点。

1.4.2 三级可调增压技术

三级可调增压技术方面，博格华纳公司开展了相关研究并已实现应用［34］。2012年，博格华纳公司与宝马公司合作，首次将最新研发的创新性三级可调增压技术应用于宝马M系列3.0 L柴油发动机。与装配博格华纳二级可调增压系统相同排量的某BMW柴油机相比，装配该三级可调增压系统的柴油机输出功率大幅度提高，同时燃油消耗率下降了近8%，并达到了欧Ⅵ排放标准［35］。文献［36］为重型柴油机设计了三级可调增压系统。其中，3个涡轮增压器串联连接，分别作为低压级、中压级和高压级。高压级选用较小的涡轮增压器以提高系统的瞬态响应，中压级选用VGT以提高系统调节能力，低压级选用较大的涡轮增压器以提高系统的流量范围。低转速时高压级的单向阀和旁通阀关闭，三级增压器协同工作，有助于快速建立增压压力;中高转速时为避免高压级增压器超速并降低排气背压，将高压级旁通阀和单向阀打开，系统进入二级增压阶段。对该系统进行稳态试验结果表明，匹配该三级可调增压系统的柴油机燃油消耗率最高降幅达11.5%，并且通过提高EGR率使得NOx排放达到原机水平，极大地改善了柴油机的经济性和排放性。与二级可调增压系统相比，发动机通过配置一个额外的高压级涡轮增压器，其增压能力可达到一个全新的水平，并能通过阀门的调节使废气量和进气量得到精确的控制。三级可调增压技术代表了当前最先进的涡轮增压技术，然而其技术难度大、研发成本高、控制策略复杂，并不适用于当前的大多数车用发动机，若将其运用于高原环境难度较大。

2 不同可调增压技术比较

与普通废气涡轮增压技术相比，可调增压系统增压能力强，流量范围宽广，能大幅度提高柴油机低速转矩和标定功率，但不可避免地带来系统结构复杂、控制难度大、安装空间受限等问题。不同可调增压技术所能达到的压比，以自然吸气柴油机为基准对柴油机功率的提升幅度和安装空间的增加幅度如图1所示。

图1 可调增压技术对比

由图1可知，VGT技术安装空间最小，与自然吸气柴油机相比仅增加了11%，且作为单级增压技术，增压能力有限，压比仅达到2.5，对柴油机功率提升幅度也较低;相继增压技术结构形式相当于普通增压器的并联连接，安装空间增加了26.5%，虽然平原条件下对柴油机功率提升近20%，但高海拔条件下难以达到较高的增压压力，将限制柴油机高海拔的功率恢复，因此并不适用于高原环境;机械—涡轮复合增压技术和电动—涡轮复合增压技术在柴油机低转速时能发挥出良好的瞬态性能，然而中高转速时需要将机械增压器脱开或将电动增压器旁通，系统转换为单级涡轮增压系统，增压能力有限，无法满足柴油机高海拔性能要求;三级可调增压技术压比能达到3，增压能力最强，对柴油机功率提升幅度达到25%，但其结构复杂，安装空间增加了约30%，控制参数多，调节难度大，变海拔条件下的控制策略更加复杂，不可避免地会造成可靠性的下降，应用于柴油机高海拔功率恢复还有一定困难;相比之下，二级可调涡轮增压系统融合了各种可调增压方式的优势，压比能达到2.9，对柴油机功率提升近20%，流量范围较宽，控制难度相对较低，现已实现平原环境下车用柴油机的应用，是应用于高原环境较为理想的增压方式。

3 结语

随着对发动机的动力性、经济性、排放性要求的不断提高，以及对车辆高原环境性能需求的日益加大，在对发动机性能提升技术的研究，尤其对发动机高原适应性的研究中，可调增压技术必然成为研究的重要方向。二级可调增压系统能达到2.9的高压比，能提高柴油机功率近20%，且具有增压压力调节能力强、高效区流量范围大、安装空间较小、控制系统简单可靠等优点，是提高柴油机高海拔性能的首选可调增压技术。

先进的电子控制技术的应用和发展是提高可调增压系统高原环境适应性的关键，也是可调增压系统实现高原环境应用的难点。必须加强控制系统的开发，并开展可调增压系统控制策略的研究，为可调增压系统在高原环境下的应用奠定基础。

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