变海拔柴油机增压系统全工况控制策略研究

李华雷,胡志龙,曹 杰,石 磊，张慧龑，谷允成，邓康耀

(1.上海交通大学，动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240; 2.中航商用航空发动机有限责任公司，上海 200241;3.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

2016125

变海拔柴油机增压系统全工况控制策略研究

李华雷1,2,胡志龙1,曹 杰3,石 磊1，张慧龑1，谷允成1，邓康耀1

(1.上海交通大学，动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240; 2.中航商用航空发动机有限责任公司，上海 200241;3.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

基于柴油机的变海拔性能恢复目标，通过对增压系统进行参数估算和选配，确定了某V型6缸柴油机与废气放气式增压系统的匹配方案，并采用GT-Power仿真软件分别计算了柴油机外特性和部分负荷的变海拔性能，最终确定了增压系统的全工况控制策略。研究结果表明：在外特性工况，基于高海拔匹配的增压系统通过关闭放气阀可以满足柴油机的进气耗功需求，实现了柴油机的变海拔功率恢复目标；随着海拔高度的降低，增压系统可以基于进气耗功的变化适当开启放气阀来保证柴油机的正常运行；在全工况范围内，随海拔高度的上升，柴油机对应工况点的放气阀开度逐渐减小，并在海拔3 000m以上完全关闭。当海拔从0增加到2 000m时增压系统放气流量比的最大值减小了30.7%，最小值减小了65.2%。

柴油机；增压系统；控制策略；变海拔

前言

涡轮增压技术的应用显著提升了柴油机的动力性能，但对于流通特性不同而且没有机械功传递的两个独立热力系统，其配合运行会产生一些矛盾，而且随柴油机增压度的提高更加突出[1-2]。在传统的增压系统匹配中，选择合适的柴油机工况点作为匹配点，根据匹配点处柴油机的耗气需求进行压气机选型，再选择合适的涡轮来满足在压气机上实现较高效率的耗气运行点所需的排气做功能力，从而实现涡轮增压器与柴油机的匹配[3-5]。

增压系统的匹配过程导致只有在匹配点处压气机耗功与涡轮做功能力达到了最佳的平衡状态。但对于车用柴油机而言，复杂多变的全工况运行范围使得所选配的涡轮增压器并未运行在最佳平衡状态，这就需要增压系统采用调节控制手段来适应柴油机的不同工况需求，实现性能优化。而柴油机的变海拔运行需求，使柴油机的运行范围从二维的全工况升级到不同转速、负荷和海拔高度的三维空间，这给增压系统控制策略的制定增加了很大的难度。由于传统的增压系统匹配很少考虑到海拔高度变化的因素，故在变海拔运行时动力性和经济性下降，排放性能恶化[6-10]。

针对增压柴油机在高海拔下功率下降和变海拔运行增压系统控制复杂化的问题，本文中建立了某型柴油机的仿真模型，并基于柴油机变海拔功率恢复目标进行了增压系统参数估算和匹配；采用仿真模型进行了柴油机变海拔性能仿真计算，分析研究了柴油机外特性和部分负荷的不同控制策略，并确定了变海拔柴油机增压系统的全工况控制策略。

1 仿真模型的建立和校核

发动机的主要参数如表1所示。原机采用V型布置方式，3缸排气共流入1根排气管，采用普通单级增压方式，有2个增压器和2个中冷器。柴油机的稳态性能采用一维流动分析软件GT-Power来仿真计算。根据柴油机的实际管系尺寸，采用一维简化方式建立进排气管路模型。采用管路模块来建立中冷器模型，通过增大管壁面积、设置合适的壁温和增大传热系数的方式来模拟其对进气的冷却效果。采用韦伯模型模拟缸内燃烧过程，woschni模型模拟传热过程。涡轮增压器通过涡轮和压气机特性图谱离散形式输入，从而建立了原机仿真模型。采用原机海拔3 000m的试验数据进行模型校核，其对比结果如图1所示。

表1 发动机主要技术参数

由图可见：原机的动力和经济性能参数的计算结果与试验数据很好地吻合，误差都在5%之内；标定转速的缸压计算数据与试验数据也很接近。这说明所建立的仿真模型具有很高的精度，满足计算分析要求。

2 变海拔增压系统的匹配

2.1 增压系统参数估算

将柴油机的变海拔性能恢复目标进行如下定义：海拔0时保持原机性能；海拔3 000m以下功率恢复到原机的100%；海拔4 500m功率恢复到原机的90%。根据原机性能参数和变海拔功率恢复目标，进行了变海拔增压系统参数估算[11-12]。

根据海拔3 000m的试验数据，采用油耗线法得到柴油机的机械效率ηmH，并计算机械损失功率：

(1)

式中：Pe为柴油机的有效功率；ηmH为海拔3 000m的柴油机机械效率。

当柴油机结构不变时，机械损失功率主要取决于发动机转速，可以认为柴油机相同转速下的机械损失功率不随海拔高度变化，即认为PmH=Pm0。结合变海拔功率恢复目标，可以得到柴油机变海拔工况的机械效率为

ηmH=PeH/(PeH+PmH)

(2)

式中PeH为变海拔条件下的有效功率。

柴油机变海拔工况的燃油消耗率beH可以通过下式的燃油消耗率be与机械效率ηm对应关系得到：

beH=beηm/ηmH

(3)

(4)

(5)

式中：α为空燃比；pin为增压压力。

图2为增压系统参数的估算结果与原机压气机特性的对比。由图可见：随着海拔升高，压比和折合流量逐渐增加，柴油机最大转矩点转速的运行点逐渐靠近压气机喘振线，喘振裕度逐渐减小；而标定转速的折合流量随海拔上升而增加的幅度很大，并在海拔4 500m时超过原机压气机最高转速线。这说明原来按照柴油机平原性能匹配的增压器已经不能满足柴油机变海拔工况的需求，需要重新调整增压系统方案，提高变海拔适应性。

2.2 增压系统匹配

这里需要柴油机按照变海拔功率恢复的要求重新匹配调整增压系统。根据压比和折合流量的估算结果，选择海拔4 500m的最大转矩点转速作为匹配点，应尽量使其运行点位于压气机的高效率区，同时保证压气机特性满足变海拔工况柴油机标定转速的耗气特性需求。增压系统参数的估算结果与最终选配的压气机特性图的对比情况如图3(a)所示。可以看出，所选配的压气机能够满足海拔4 500m标定转速的折合流量要求，而最大转矩点在3个海拔下的运行点都位于压气机的高效率区，且留有一定的喘振裕度。

在确定压气机特性后，需要进行合适的涡轮特性选配。根据匹配点压比和进气流量的估算结果，基于原机3 000m的试验数据，经验选取涡轮前温度为750℃，涡轮增压器总效率为0.5，计算得到选配涡轮所需的膨胀比和相似流量，并根据计算得到的膨胀比和相似流量选择合适的涡轮，如图3(b)和图3(c)所示。

将所选配的涡轮和压气机特性按照等转速线进行数据离散输入计算模型，并加入控制模块来调节放气阀开度,建立增压系统的变海拔计算模型，如图4所示。按照表2中的压力和温度来模拟柴油机的高原运行条件，进行了变海拔条件下柴油机外特性和部分负荷的性能计算。

海拔/m压力/kPa温度/K0100288.0100090281.5200080275.0300070268.5400062262.0450058258.8

3 结果分析与比较

3.1 外特性变海拔控制策略

柴油机外特性性能参数的变海拔对比结果见图5。由图可见：采用所匹配的增压系统，在0-3 000m海拔范围内柴油机可以保持原机性能，实现功率100%恢复；在4 500m海拔下，各转速的柴油机功率达到了原机的90%恢复。各转速的燃油消耗率随海拔上升而逐渐增加，经济性变差。海拔高度从0上升到3 000m时，最低燃油消耗率从237.7增加到239.4g/(kW·h)，但由于放气阀的调节作用，最低燃油消耗率所对应的转速并未向高转速方向移动，始终保持在1 700r/min；在海拔4 500m时，经济性恶化严重，最低燃油消耗率增加到了243.9g/(kW·h)，与平原相比增加了2.6%。

图5(c)为外特性空燃比随海拔高度的变化情况。由图可见：随着海拔上升，各转速的空燃比都逐渐减小，其中在0-3 000m海拔范围内空燃比的变化幅度较小，而在3 000-4 500m海拔范围内空燃比下降较快。在同一海拔高度下，空燃比的下降幅度在不同转速下有所不同。低转速工况下降幅度较小，随着柴油机转速的增加，空燃比的下降幅度逐渐增大，但高转速的空燃比仍然高于低转速。空燃比下降表明柴油机的进气量相对减小，在相同的压缩比下使进气过程终止时气缸内温度和压力降低，这就使柴油机热力循环p-V示功图中的高压循环部分的做功能力减小，导致有效热效率下降，燃油消耗率增加，经济性恶化(图5(b))。

外特性最大转矩点和标定转速的增压压力和压比随海拔的变化情况如图6所示。通过调节放气阀，可使两个转速下的增压压力在0-3 000m海拔范围保持不变。而由于功率恢复目标的不同，4 500m海拔下的增压压力可以适当降低；但增压系统的压比随海拔高度的上升而逐渐增加。海拔高度的升高导致压气机进口压力减小，想要维持柴油机的增压压力不变或略有下降，需要减小放气阀开度来提高压比。两个转速下压比的数值与增压系统参数估算的计算结果也相差不大，这表明参数估算结果也具有较好的精度。

外特性放气阀的变海拔控制策略与相应的变海拔运行线如图7所示，图中的放气流量比定义为流经放气阀的流量与总排气流量的比值，表征放气阀的开度。由图可见，在3 000m以上，放气阀关闭来减小涡轮等效流通面积，从而使增压系统实现较大的膨胀比，涡轮膨胀做功能力增加。针对海拔从3 000m减小到0的变化范围内，在相同转速下，其所需的放气阀开度随着海拔高度的下降而逐渐增大。但针对不同的柴油机转速放气阀开度的增加幅度不同，柴油机从低转速到高转速变化时放气阀开度的增加幅度先减小后增大。这是因为低转速工况靠近增压系统的匹配点，而且低转速工况的运行点处在压气机的较高效率区域，导致在低海拔下得到目标增压压力所需的压气机耗功变化较小，但根据高海拔工况所匹配涡轮在平原工况运行时，其做功能力远大于压气机的耗功需求，因此需要通过较大的放气阀开度来防止增压过度，避免出现过高的爆发压力，导致柴油机机械负荷过大。

在高转速工况，虽然压气机运行点的效率相对较低，但此时柴油机的进排气量较大，废气能量较大，涡轮做功能力也相对较强。而在低海拔下涡轮的做功能力也相对较强，因此为防止增压压力过高，也需要较大的放气阀开度来实现目标增压压力。

对于中间转速工况，其运行点的压气机效率要低于低转速工况，因此在各海拔高度下压气机耗功的变化幅度要大于低转速，在低海拔下涡轮的做功能力超过压气机的耗功需求的程度相对较小。而与高转速工况相比，柴油机的进排气量较小，废气能量也相对减小。因此在中间转速工况需要采用相对较小的放气阀开度来达到目标增压压力，使其放气阀开度的增加幅度也相对较小。

3.2 部分负荷变海拔控制策略

在确定了外特性放气阀控制策略后，进行了高低负荷工况的仿真计算，以确定适用于部分负荷工况的放气阀控制策略。仿真中将每个转速的外特性下柴油机循环喷油量的80%作为高负荷工况，循环喷油量的20%作为低负荷工况。针对每个工况点调整放气阀开度，通过分析高低负荷工况下柴油机的性能变化规律，确定合适的放气阀控制策略。

在最大转矩点转速的高负荷工况，不同放气阀开度对柴油机变海拔性能的影响规律如图8所示。为保持原机功率，需要保证柴油机的增压压力在0-3 000m海拔范围内基本不变，以满足柴油机正常燃烧所需的进气量。从图中可以看出，在增压压力保持不变的情况下，柴油机功率在0-3 000m海拔范围内的变化幅度只有0.7kW，基本保持不变。

在3 000m海拔，为将增压压力恢复到平原水平，需要关闭放气阀来提高增压比；但随着海拔高度的下降，压气机进口压力逐渐增大，增压系统不需要提供很高的压比来实现目标增压压力，因此放气阀开度逐渐增加。但放气阀的打开使部分废气没有流经涡轮而直接排入大气，没有充分利用废气能量，导致增压器效率下降，进排气压力比逐渐减小，涡前压力逐渐升高，不利于柴油机的泵气过程。

图9为高负荷工况变海拔进排气压力比的变化情况和相应的放气阀控制策略。由图9(a)可以看出：在同一海拔高度，进排气压力比随着转速的增加而逐渐减小，这是因为低转速工况的运行点处于压气机的高效率区，而随着转速的增加，运行点逐渐偏离高效率区，增压系统效率下降；在同一发动机转速下，进排气压力比随着海拔高度的下降逐渐减小，这是由于在低海拔下由于压气机进口压力逐渐增大，增压系统所需提供的压比逐渐减小，因此放气阀开度逐渐增大，导致增压系统效率下降。从图9(b)中可以看出：在3 000m海拔以上，放气阀处于关闭状态；在2 000-3 000m海拔范围内，不同转速下的放气阀开度基本不变；在0-2 000m海拔范围内放气阀开度出现明显变化，低转速工况的放气阀开度明显大于高转速工况。

图10为高负荷工况变海拔燃油消耗率的变化情况。可以看出，所匹配的增压系统通过控制放气阀的开度恢复了柴油机的增压压力，但柴油机的最低燃油消耗率仍然出现在低海拔低转速工况。这说明虽然柴油机在变海拔工况的动力性能得到了改善，但在高海拔下柴油机的经济性仍然低于平原或低海拔工况。

在最大转矩点转速的低负荷工况，不同放气阀开度对柴油机变海拔性能的影响规律如图11所示。可以看出，虽然增压压力随海拔高度的下降而逐渐增加，但由于低负荷工况下柴油机的空燃比较大，增压压力的增加未能提高柴油机的指示热效率，改善燃烧过程，反而增加了涡前压力，导致泵气过程有所恶化，泵气损失增加，功率下降。而进排气压力的增加幅度相差不大，使泵气过程恶化得并不严重，使在0-3 000m海拔范围内功率增加幅度只有0.8kW。

与高负荷工况相似，放气阀开度随海拔高度的降低也逐渐增加，但在0-2 000m海拔范围内变化幅度较小，相应地增压系统压比变化幅度也较小，而在2 000-3 000m海拔范围内两者的变化幅度都较大。

图12为低负荷工况变海拔进排气压力比的变化情况和相应的放气阀控制策略。由图12(a)可以看出：在同一海拔高度，进排气压力比随着转速的增加而逐渐增大，这是因为高转速工况时柴油机进气量要大于低转速工况，废气能量也相对较大，导致涡轮做功能力较大，使得增压系统效率相对较高；而在相同转速下，进排气压力比随着海拔高度的下降逐渐减小，其原因与高负荷工况时一样。从图12(b)中可以看出：在3 000m海拔以上，放气阀也处于关闭状态；在1 000-3 000m海拔范围内，随着发动机转速的增加，放气阀开度先减小后增大；在0-1 000m海拔范围内放气阀开度随发动机转速的增加而逐渐减小。而在同一转速下，放气阀开度随海拔高度的下降而逐渐增大。

图13为低负荷工况变海拔燃油消耗率的变化情况。可以看出，在低负荷工况下，柴油机的最低燃油消耗率出现在高海拔低转速工况，而随发动机转速的增加和海拔高度的下降，燃油消耗率逐渐增加，这主要是由于低负荷工况采用了图12(b)的放气阀控制策略导致的。在柴油机低负荷工况由于循环喷油量较小，其所需提供的增压压力也较低，使得压气机压比都很小，其所对应的压气机效率变化不大。在高海拔工况下废气放气阀处于关闭状态，随着海拔的降低废气放气阀逐渐打开，使得增压系统涡轮端效率逐渐减小，涡轮增压器总效率也逐渐下降，柴油机热力循环中的泵气过程逐渐恶化，导致燃油消耗率逐渐增加。

3.3 全工况变海拔控制策略

根据外特性和部分负荷的放气阀控制策略分析结果，可以得到柴油机应用废气放气增压系统进行变海拔功率恢复所需采取的全工况放气阀控制策略，如图14所示。

可以看出，随着海拔高度的增加，对于相同转速、相同平均有效压力的柴油机工况点，放气阀开度逐渐减小，直至在3 000和4 500m海拔完全关闭。当海拔高度从0增加到2 000m，放气阀放气流量比的最大值从0.122减小到0.084 5，放气阀放气流量比的最小值从0.065 4减小到0.024 5；而在3 000和4 500m海拔范围内放气阀需要完全关闭来尽量减小涡轮等效流通面积，从而实现目标增压压力，提高柴油机变海拔适应性。

4 结论

针对某V型柴油机的变海拔功率恢复目标，进行了增压系统参数估算和增压器选型。通过GT-Power计算模型的建立和原机海拔3 000m的试验数据校核，针对废气放气式增压系统，采用该计算模型进行了变海拔性能仿真分析，得到以下结论。

(1) 所匹配的废气放气式增压系统可以实现柴油机变海拔的功率恢复目标。

(2) 在外特性工况，在3 000和4 500m的高海拔工况，需要关闭放气阀来增加涡轮做功能力。在同一转速下随海拔高度的下降，放气阀开度逐渐增大，而且随转速增加，放气阀开度的增加幅度先减小后增大。

(3) 高低负荷工况下需要采取的放气阀控制策略也不同。在高负荷工况，中间海拔下不同转速的放气阀开度基本不变，在较低海拔下低转速工况的放气阀开度小于高转速工况；在低负荷工况，中间海拔的放气阀开度随发动机转速的增加而先减小后增大，而低海拔的放气阀开度随转速的增加而逐渐减小。

(4) 在低海拔范围内随海拔的上升，柴油机全负荷工况的放气阀开度需要逐渐减小；而在3 000和4 500m的高海拔工况，放气阀要完全关闭。

[1] MEIER E. Part-load operation of very high turbocharged four-stroke marine diesel engines[C]. Moteurs Diesel. Congrès International des Machines à Combustion.15.1983:1549-1569.

[2] MAGNET J L, Brisson R. Running at partial loads of the very high specific power engines[C]. Moteurs Diesel. Congrès International des Machines à Combustion.15.1983:1517-1547.

[3] HIERETH H, PRENNINGER P. Charging the internal combustion engine[M]. Springer Science & Business Media,2007.

[4] BAINES Nicholas C. Fundamentals of Turbocharging[M]. U.S.A: Concepts NREC,2005.

[5] WATSON N, JANOTA M S. Turbocharging: The internal combustion engine[M]. The Macmillan Press Ltd,1982.

[6] 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.

[7] 刘瑞林,刘宏威,秦德.涡轮增压柴油机高海拔(低气压)性能试验研究[J].内燃机学报,2003,21(3):213-216.

[8] 刘刚,刘瑞林,等.SOFM8142.43柴油机增压器高原匹配模拟试验研究[J].军事交通学院学报,2010,12(1):47-50.

[9] 周广猛,刘瑞林,董素荣,等.高压共轨柴油机高海拔(低气压)燃烧特性[J].内燃机学报,2012,30(3):220-226.

[10] 郭猛超,张晶,孙志新,等.高原运行柴油机增压技术应用综述[J].机械设计与制造,2011,12:264-266.

[11] 施新,李文祥.匹配二级顺序增压系统的柴油机高原特性仿真[J].兵工学报,2011,32(4):397-402.

[12] 刘系暠,魏名山,马朝臣,等.不同海拔下单级和二级增压柴油机的仿真[J].内燃机学报,2010,28(5):447-452.

[13] 朱振夏,张付军,韩恺,等.柴油机高原功率恢复供油参数调节方法[J].兵工学报,2014,35(5):583-589.

[14] 韩恺,朱振夏,张付军,等.可调复合增压柴油机高原功率恢复方案研究[J].兵工学报,2013,34(2):129-136.

[15] 顾宏中.涡轮增压柴油机性能研究[M].上海:上海交通大学出版社,1998.

[16] 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.

[17] 蒋德明.内燃机的涡轮增压[M].北京:机械工业出版社,1986.

A Research on the Full Condition Control Strategy for theTurbocharging System of Diesel Engines at Varying Altitudes

Li Hualei1,2, Hu Zhilong1, Cao Jie3, Shi Lei1, Zhang Huiyan1, Gu Yuncheng1& Deng Kangyao1

1.ShanghaiJiaoTongUniversity,KeyLaboratoryforPowerMachineryandEngineeringofMinistryofEducation,Shanghai200240;2.AVICCommercialAircraftEngineCo.,Ltd.,Shanghai200241; 3.ChinaNorthEngineResearchInstitute(Tianjin),Tianjin300400

Based on the goals for the performance recovery of diesel engine at different altitudes, and through the parameter estimation and matching of turbocharging system, the matching scheme between a V type six-cylinder diesel engine and the turbocharging system with exhaust gas relieve valve is determined. The external characteristic and part load characteristics of diesel engine at varying altitudes are calculated with GT-Power simulation software, and the full condition control strategy of turbocharging system is finally worked out. The simulation results show that in full load condition, the turbocharging system based on high-altitude match can meet the requirement of air induction work consumed by closing exhaust gas release valve, achieving the goal of power recovery of diesel engine at varying altitudes. With the fall of altitude, the turbocharging system can appropriately open the release valve based on the change in induction work consumed to ensure the normal operation of diesel engine. In full range of working conditions, the opening of release valve will gradually reduce with the increase of altitude, and completely shut down when altitude is above 3000m.

diesel engine; turbocharging system; control strategy; varying altitudes

原稿收到日期为2015年5月14日，修改稿收到日期为2015年8月14日。