柴油机增压系统变海拔自适应技术研究现状与发展趋势

张众杰，刘瑞林，梁志峰，夏南龙，周广猛，杨春浩



柴油机增压系统变海拔自适应技术研究现状与发展趋势

张众杰1，刘瑞林1，梁志峰1，夏南龙1，周广猛1，杨春浩2

（1.军事交通学院，天津 300161；2.海军工程大学，武汉 430000）

分析了高原环境条件下柴油机功率下降、油耗增加、增压器效率下降、涡轮超温超速等问题，考虑采用自适应增压系统改进柴油机和增压器高原运行存在的问题。介绍了可变截面涡轮增压系统（VGT）、普通二级可调增压系统（TST）、复合增压系统（C2T）、基于VGT二级可调增压系统（R2T）几种典型的可调增压系统的结构原理和高原应用现状。最后，结合柴油机变海拔和变工况的运行特点，从增压系统结构布置、智能优化算法、控制理论、多系统协同控制和增压器内部流场优化控制五个方面提出了增压系统高海拔自适应技术的发展趋势。

变海拔；柴油机；增压系统；自适应技术

高原环境条件对柴油机各子系统和整机性能都有较大影响。据统计，海拔每升高1000 m柴油机动力性下降4.0%~13.0%，经济性下降2.7%~12.9%，HC，CO和烟度的排放量平均增加30%，35%，34%。这是因为大气压力降低，进入气缸内的空气量减小，压缩终点气缸内混合气压力和温度降低，使得喷入缸内的燃油不能及时着火，造成燃烧滞后，等容度下降，燃烧放热率重心后移，导致柴油机功率下降，燃油消耗率上升，排气温度增加，排放性能恶化。同时，随着海拔上升，压气机进入低雷诺区，涡轮进入跨声速区，增压器工作范围变窄、效率降低，易出现压气机喘振、涡轮超速现象[1-2]。

车辆在高原公路（如青藏线、川藏线和滇藏线等）行驶时，具有海拔高、落差大、环境恶劣、工况复杂等特点，这对柴油机变海拔适应能力提出极高要求。同时，随着电控技术逐步在柴油机各子系统的广泛应用，加之越来越严格的排放法规，柴油机变海拔工作中的可控参数和优化目标将越来越多，开展基于多参数控制和多目标优化的柴油机增压系统变海拔自适应技术研究将具有重要意义[3-4]。

1 高原环境对柴油机及增压系统性能 影响

1.1 柴油机性能下降

根据某六缸高压共轨柴油机不同海拔（0~5500 m）性能仿真和试验数据分析，认为柴油机高原性能存在如下问题：功率和油耗下降较大；低速转矩下降严重；最大转矩转速向高速区偏移；热负荷增加；排放性能恶化（HC，CO，NO和碳烟排放增加）；起动、加速性能差，瞬态响应性迟缓。在高原环境条件下，由于柴油机进气压力较低，进气量不足，这些问题更加突出[5-8]。如图1所示，相对0 m海拔，海拔5500 m标定功率下降达33.7%，在800～1000 r/min时，柴油机有效功率下降42.1%～62.4%，燃油消耗率最大增加18.6%[1]。

图1 不同海拔高压共轨柴油机全负荷速度特性曲线

1.2 增压器特性下降

随着海拔升高，排气背压降低，排气温度升高，压气机进口雷诺数下降，涡轮入口相对马赫数增大。这些因素共同作用导致[9-11]：压气机进入低雷诺区域，工作范围变窄；压气机喘振倾向增加；涡轮进入跨声速区，涡轮堵塞和超速可能性增大；增压器可靠性下降。随着海拔增加，压气机入口雷诺数降低，压气机与柴油机联合运行线逐渐偏离压气机高效率区，喘振倾向增加，在海拔4000 m，出现涡轮超速问题，如图2和图3所示。

图2 不同海拔下压气机入口雷诺数的变化曲线

图3 不同海拔下压气机和柴油机联合运行线

2 高海拔增压系统自适应技术研究现 状

为了提升柴油机及增压系统高原性能，从增压系统改进方向考虑，主要有两种方式：（1）为现有柴油机重新匹配大流量高压比的增压器[12-13]；（2）采用变海拔自适应增压系统，将可调增压系统与电控技术结合，实现增压系统变海拔、变工况的自调整和自适应功能。方案（1）涡轮增压器与柴油机匹配针对固定海拔和工况，存在平原增压压力过高、高原低速小负荷功率恢复不足、瞬态响应迟缓和涡轮超温超速等问题[14]。

2.1 几种先进的涡轮增压系统

方案（1）中的变海拔自适应增压系统能够根据海拔和柴油机工况的变化自行调节增压压力和进气流量，显著提高高原环境下柴油机动力性、经济性和排放等性能指标，提升增压器与柴油机高原匹配特性[15-18]。目前面向高原的自适应增压系统主要有VGT，TST，C2T，R2T等四类。其中TST包括串联式TST和并联式TST两种控制模式，C2T包括机械+涡轮增压（MC2T）、电辅助+涡轮增压（EC2T）两种型式。

欧美国家研究车用涡轮增压技术较早，先进的自适应增压系统已实现商业化[19-21]。由于西方发达国家大多平原地区，针对高原环境下柴油机与增压系统性能研究不多，有代表性的研究机构包括：美国陆军研究室[22]、IEVCO公司[23]、VE商用车公司[24]、意大利萨兰托大学[25]、西班牙瓦伦西亚理工大学[26]等。在0~3000 m海拔范围内，为减少油耗和控制排放，将VGT，TST，C2T三种自适应增压系统应用于高原柴油机。鉴于国内特有的高原型地理特点和恢复柴油机高原功率的客观需求，近年来，自适应增压系统研究逐步受到国内一些科研机构的重视。主要研究机构包括：清华大学[27-28]、北方发动机研究所[29]、北京理工大学[20-31]、上海交通大学[32-35]和军事交通学院[36-38]等单位。清华大学和北方发动机研究所针对VGT高原匹配、增压压力MAP标定、VGT不同工况的控制策略以及流场优化等方面开展了大量的研究工作。北京理工大学和上海交通大学针对TST和C2T系统高原选型匹配、涡轮旁通阀变海拔调节特性和增压压力MAP标定、涡轮旁通阀瞬态工况控制策略等方面开展了大量的仿真和台架试验研究。军事交通学院针对现有VGT和TST系统变海拔和变工况能力不足、低速转矩提高不足、瞬态响应慢等问题，提出一种R2T系统，设计了R2T高海拔控制系统和相应的控制策略，并通过仿真和台架试验验证了R2T可以有效提高0~5500 m海拔下柴油机和增压器的各项性能指标。

2.2 高海拔下先进的增压系统比较分析

现有变海拔自适应增压系统提升柴油机性能参数比较分析见表1。

表1 高海拔条件下不同自适应增压技术比较

注：“+”的多少分别表示改善或恶化的程度。

从表1中可以看出，VGT系统能够实现柴油机变工况自适应增压，但是受增压比限制，VGT变海拔适应能力较差，若匹配大流量的VGT系统，必然导致柴油机中低转速转矩提高不足，车辆的瞬态响应迟缓。TST能够提供高压比、宽流量，有效提高柴油机高原进气压力，但匹配工况固定，变工况适应能力不足，低速转矩和瞬态工况响应性较差。MC2T不存在涡轮迟滞，瞬态响应性最好，但是在增压过程中会损失柴油机一部分功率，不利于柴油机高原功率恢复。EC2T能够消除涡轮迟滞问题，可根据柴油机工况和海拔的变化精确控制增压压力，是较有潜力的变海拔自适应增压系统[39]，但存在电机转速不足、增压器轴承剧烈振动、电机受高排温可靠性差和电机变工况加速潜力不足等问题。R2T能够在海拔5500 m全工况条件下，使得柴油机功率恢复至平原水平的90%以上，大幅提高低速转矩，有效避免了增压器效率降低、压气机喘振、涡轮超温和超速等问题。在柴油机低速时，低压级涡轮做功能力较弱，起不到增压作用。同时R2T不能根据海拔和工况和变化合理分配涡轮功，在高原环境下排气能量不能够得到最大化利用。

3 高海拔增压系统自适应技术发展趋势

针对目前变海拔自适应增压系统研究现有问题和缺陷，笔者从五个方面提出未来高原型自适应增压系统的发展趋势。

3.1 新型多级增压系统

在变海拔、变工况下，为实现柴油机多目标优化控制，将不同增压系统的优势相结合，采用多级、多控制阀的增压系统是未来高原自适应增压系统的发展方向[40]。图4为2014年宝马和博格华纳[41]联合开发的三级可调增压系统（R3T）。该增压系统高压级采用双VGT并联布置，低压级采用普通涡轮增压系统，在不同工况条件下，系统中五个控制阀协同控制执行五种不同的控制策略。与R2T相比，R3T可以大幅度提高中低转矩，最大转矩点提前至低转速区，扩大了压气机高效率区工作范围。图5为日本橋本宗昌[42]利用仿真和试验两种方式比较双VGT串联布置和并联布置两种控制方案，结果表明，与并联方案相比，双VGT串联方案能够合理调节高、低压级涡轮功分配，燃油消耗率、NO排放和碳烟明显降低，高压级涡轮转速响应时间明显缩短。

3.2 多目标智能优化算法

随着电控技术的快速发展和排放法规的越发严格，在高原环境下，为了实现多目标优化，柴油机及增压系统控制参数逐渐增多，喷油压力、喷油提前角、喷油量、增压系统旁通阀及VGT叶片开度、EGR率、可变气门正时和几何压缩比等，各控制参数之间互相影响。柴油机需要优化的性能指标有多个：转矩、燃油消耗率、NO、碳烟、CO、HC、瞬态工况响应时间等，不同优化目标之间互相影响，如何折中各优化目标，实现柴油机高海拔下的性能最优，将是今后研究的重点。在高原环境下，柴油机各子系统之间属于气动连接，目标函数无法用解析表达式写出，传统优化方法要求的连续可微或局部极小值等并不适用。目前新发展的智能优化方法[43-49]如：遗传算法（Genetic Algorithm）、模拟退火（Simulated Annealing）、粒子群算法（Particle Swarm Algorithm）等智能算法具有较好的鲁棒性、全局性，在柴油机变海拔非线性多目标优化方面问题具有巨大优势，表2列出了多参数智能优化方法。

由表2可以看出，不同的智能优化算法有各自的优缺点，将多种智能优化算法结合[50-53]，形成智能混合优化算法将更加有助于解决高海拔柴油机非线性多目标优化问题。

图4 BWM可调两级增压系统

图5 双VGT二级可调增压系统

表2 不同优化算法比较

注：“+”的多少分别表示改善或恶化的程度

3.3 先进的控制理论

在变海拔和变工况下，柴油机热力过程是以燃烧过程、流体流动、热量传递为基础，设计柴油机机构参数、气体动力学参数和热力学参数，可变因数多、非线性、时变性和随机性大，是可变互耦系统的控制优化问题。传统的PID（包括PID改进型）的控制理论在调节范围、控制精度、自适应能力方面均有限，难以满足柴油机变海拔运行时工况较多，变化范围广的工作特点。先进的控制理论，如模糊控制、神经网络预测控制、模型预测控制（MPC）、自适应控制、滑膜控制等因其良好的响应性、极佳的鲁棒性和较强的控干扰能力将具有更加明显的优势[53-57]。代表性的有2015年德国亚琛工业大学[58]针对某汽油机二级可调增压系统采用非线性模型预测控制（Nonlinear Model-based Predictive Controllers)，该控制理论能够耦合多系统输入，并在约束条件下取得较高的控制质量。

表3 不同控制理论比较

注：“+”的多少分别表示改善或恶化的程度。

为进一步提高增压系统变海拔自适应能力，将两种或两种以上的智能控制理论结合起来，提出扩展型控制理论逐渐成为研究热点[60-61]。

3.4 多系统协同控制

柴油机变海拔、变工况条件下，将柴油机增压系统、气门升程、喷油系统、气缸压缩比、EGR阀等多系统、多执行器协同控制，能够实现柴油机在不同海拔下多目标的优化控制，全面提升柴油机各项性能指标[62-65]。目前，关于柴油机变海拔多系统协同控制的相关刚刚起步。北京理工大学李长江和上海交通大学李华雷对喷油和增压策略对柴油机变海拔的影响规律做了初步的研究。李长江针[65]对增压系统在过渡工况中存在增压压力突降的问题，采用压气机旁通阀晚关和延迟喷油两种策略。李华雷[66]针对TST系统存在高海拔特定工况下增压器效率下降和泵气损失增加问题，提出燃油补偿控制于涡轮旁通阀控制相结合，达到增压压力的恢复目标。

3.5 高海拔下增压器内部流场的优化控制

现有自适应增压系统研究面临的共同难点是，叶片通道内部的流动非线性和非定常性及旋涡结构的复杂性。旋涡分离流动对增压器的效率、失速裕度、级性能和内燃机的整机性能有影响，导致自适应增压系统气动设计与流场匹配难度大为增加[38]。在高原环境条件下，压气机进入低雷诺数区域，涡轮进入超临界区域，同时，增压比提高导致离心压气机稳定工作范围急剧降低，压气机内部产生畸变流场[68]。有必要研究压气机和涡轮机变海拔、全工况内部流动规律及性能影响机理，探讨增压器主要几何参数（如：压气机叶轮进口相对直径、压气机进口叶尖叶片角、压气机出口相对宽度、压气机出口后弯角、蜗壳喉口面积、涡轮入口叶轮半径、涡轮出口叶尖半径等）对增压器变海拔全工况性能的影响。建立以高海拔柴油机全工况性能为设计目标，增压器关键几何参数为设计变量的增压器变海拔多工况流通设计的新方法[10,69-70]。

4 结语

1）简要分析高原环境对柴油机动力性、经济性、热负荷和增压器与柴油机匹配特性影响，提出了两种增压系统改进方案。

2）比较了现有几种高原自适应增压系统的性能指标参数，分析了各增压系统提升柴油机高原性能的潜力。

3）针对目前变海拔自适应增压系统中存在的不足，从增压系统结构布置、智能优化算法、先进控制理论、多系统协同控制和增压器流场优化控制等五个方面，提出了未来高海拔自适应增压系统的研究的重点。

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Research Status and Development of Self-adaptive Technology for Diesel Engine with Turbocharging System at Varying Altitudes

ZHANG Zhong-jie1, LIU Rui-lin1, LIANG Zhi-feng1, XIA Nan-long1, ZHOU Guang-meng1, YANG Chun-hao2

(1.Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Naval University of Engineering, Wuhan 430000, China)

Problems of power declining, fuel consumption increasing, and efficiency of turbocharger dropping, over temperature and over-speed of turbine of diesel engine were analyzed. Various regulated turbocharging systems were taken into consideration to improve the diesel engine and turbocharger running at high altitude. Variable geometry turbocharging (VGT), classical two-stage regulated turbocharging (TST), compound turbocharging (C2T) and two-stage regulated turbocharging based on VGT (R2T) were introduced, including structure principle and application of the systems at plateau.At last, the development trend of self-adaptive turbocharging technologies were put forward from five aspects: structural arrangement of turbocharging system, intelligent optimization algorithms, control theories, multi-system cooperative control, optimizing inner flow field of turbocharger, and combined with the characteristics of diesel engine working at varying operations and altitudes..

varying altitudes; diesel engine; turbocharging system; self-adaptive technology

TJ07；TK421+.8

A

1672-9242(2017)10-0001-07

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.001

2017-05-19；

2017-06-31

张众杰（1989—），男，山西长治人，博士，主要从事车用涡轮增压技术研究。