采用机械涡轮复合增压系统优化7.8 L柴油机的稳态效率和排放性能

2020-08-25SUELTERITOUWALDRONBRIN

汽车与新动力 2020年4期

【日】 B.SUELTER T.ITOU T.WALDRON J. BRIN

0 前言

机械驱动的涡轮增压系统能够控制涡轮转轴的速度，由此不仅可以提供高效的增压压力，而且能够实现涡轮功率的输出。发动机可以通过该装置控制增压压力和空气流量，可以在发动机全工况实现性能和排放的最优化[1]。机械涡轮复合增压系统具有较多优点，包括瞬态循环效率、冷起动性能、低氮氧化物(NOx)排放性能、小型化、降转速、后处理需求的减小、发动机有效功率的提升和更为简单的性能优化控制算法等[2]。本研究重点阐述了7.8 L柴油机采用机械涡轮复合增压系统获得的稳态效率。

日本五十铃汽车公司认为，对于商用车而言，未来柴油机动力仍是主流，提高商用车的燃油经济性对于抑制全球气候变暖是非常重要的[3-4]。五十铃汽车公司重点关注能够高效利用废气能量的机械涡轮复合增压系统，将其作为改进柴油机燃油效率的1项措施[5]。废气涡轮增压器只能在可获得足够废气能量的工况下发挥作用，但是机械涡轮复合增压系统通过机械驱动装置将涡轮轴和曲轴直接连接，可以回收更多的废气能量，减小废气能量损失。

本文重点讨论了模拟仿真方法，以及该方法在实际发动机上进行的验证，同时也阐述了机械涡轮复合增压系统的技术优势。

1 模拟仿真

图1 涡轮增压器的机械驱动及转速控制

2011年，五十铃汽车公司和超级涡轮技术公司合作开展了1个项目，评估了1台7.8 L柴油机采用机械涡轮复合增压系统可获得的收益(图1)[6-7]。该项目的研究初衷是为了评估柴油机采用机械涡轮复合增压系统潜在的效率收益和发动机的运行性能，但在评估过程中，工作重心改变为聚焦发动机减小排量和降低转速的研究工作，采用更高的功率强化技术和对系统进一步优化，以达到最高的热效率。

1.1 初步研究

本次研究通过建立1台7.8 L基准发动机的仿真模型，开展建模研究。发动机模型在GT Power软件中运行，对基准发动机的功能和性能进行了标定。同时，建立了1个机械涡轮复合增压系统模型，并与基准发动机的可变几何涡轮增压器(VGT)进行了比较。基准发动机和减小排量的发动机分别定义了A、B、C、D 4个运行工况点，用于仿真计算(表1)。完成这些对比后，定义了小排量发动机更高功率的新运行工况点，这些工况点成为新发动机项目的运行点。减小排量后的发动机的目标是取代原7.8 L大排量发动机，同时保持功率、扭矩，以及瞬态响应时间不变。

表2 发动机减小排量而其他硬件参数不改变的仿真对比

1.2 初步的模拟仿真结果

减小排量的发动机运行工况点确定后，在GT Power软件中开展了发动机的模拟仿真。发动机的涡轮、压气机和运行条件经过微调但发动机物理结构参数没有改变。在发动机的满负荷工况，由A、B和C3个工况点的结果可以看到热效率有大幅提升，同时高压废气再循环(EGR)流量增加、NOx排放降低。但是部分负荷工况点D的热效率仅有小幅提升，这一工况是热效率的主要关注点。仿真计算的结果数据见表2。

在初步仿真计算结束后，研究通过改变压缩比和配气正时等方式提高工况点D的热效率。压缩比的评估结果显示，压缩比提升到18.5，同时进气阀关闭相位IVC延迟20 °CA，热效率和总体性能可以实现最佳平衡。基准发动机的压缩比提升到18.5，进气阀关闭相位的几种延迟角度仿真结果数据见表3。由于压缩比的增加，工况点C的缸内最高燃烧压力超过了限值，建议将工况点C的功率降低。

表1 基准发动机的仿真运行点和减小排量的高强化发动机运行点(即项目总体目标)

在对涡轮设计的评估中，可以认为工况点C的效率降低是在可接受的范围内，因此重点关注工况点D的效率。通过预测评估，得到涡轮和压气机的特性图谱，同时确定增压系统的设计目标。通过迭代设计，形成了几种涡轮方案，并对这几种涡轮方案进行了评估计算对比，如表4所示。匹配“V31”涡轮方案的发动机可以在所有运行工况点实现排放和效率的最佳平衡。

初步的模拟仿真结果显示，实现更高的扭矩目标通过提高总效率是可以实现的，因此建议转入样机开发阶段。

2 样机开发

在第1阶段仿真计算的基础上，转入实际样机的硬件开发阶段。项目目标是采用压缩比为18.5、进气阀关闭相位延迟20 °CA的米勒循环、机械涡轮复合增压器进行仿真研究。原机的压缩比为16.5，采用奥托循环和VGT增压器，后又被改为两级增压，如图2所示。工况点C的平均有效压力达到2.05 MPa时，缸内最高燃烧压力超过了限值，因此工况点C的平均有效压力改为1.85 MPa。样机硬件的开发经过多次迭代，历时6年。经过仿真计算、设计、加工，以及在7.8 L发动机上进行验证，对驱动涡轮增压的硬件不断地进行改进设计，提高其性能、耐久性，并进行简化设计，降低制造成本。

图2 采用两级增压的7.8 L柴油机

表3 发动机压缩比由16.5增加到18.5及各种进气门开启(IVC)延迟角度的对比

机械驱动的涡轮增压器可以通过皮带传动系统或者是通过齿轮式功率输出装置与发动机连接。该7.8 L发动机的机械涡轮复合增压系统是通过齿轮式功率输出装置驱动的，包括1个离合器，能够在发动机起动工况或怠速工况，以及紧急停车工况断开驱动装置与涡轮轴的连接，这是因为发动机起动工况和怠速工况下不需要提供增压压力(图3)。涡轮轴的转速可以通过1个连续可变的行星齿轮机构进行精确控制，行星齿轮机构安装在发动机和增压器之间。在发动机转速较低时，采用1个行星齿轮箱将发动机的转速提高到驱动增压器所需的合适的转速范围。该行星齿轮箱未来会被集成式齿轮功率输出装置(PTO)淘汰。高速行星齿轮驱动系统通过泵轮的液压油可以平顺地将功率由发动机传递给涡轮轴或者将功率由涡轮轴传递给发动机。

当发动机运行在稳态工况时，设计的涡轮可以获得更多的排气能量，不仅满足压气机所需的功率，而且可以给发动机提供额外的功率。

当发动机运行在瞬态工况时，机械涡轮复合增压系统运行在超级增压模式。通过发动机传递给涡轮增压器的功率为发动机快速地提供增压压力，以减小涡轮迟滞。机械涡轮复合增压比常规的涡轮增压器效率更高，因为在超级增压模式涡轮还起到辅助提高增压的作用。在重型柴油机上，采用机械涡轮复合增压系统的涡轮迟滞时间比普通增压器减少50%以上。机械涡轮复合增压系统在车辆制动时也可以提供超级增压，使得缸内制动压缩功耗增加，为长途大型卡车提供更大的安全保障。

图3 在7.8 L发动机上的机械涡轮复合增压系统

2.1 样机的初始概念验证

试验样机所建立的模型包括1个定制设计的涡轮和1个现有的涡轮。试验样机的配置如图3所示，通过试验系统的搭建和试验测试，得到该系统相对两级增压系统在效率方面的收益。第1次样机测试的试验硬件标准如表5所示。

2个对比方案为：(1)1台7.8 L柴油机，压缩比为16.5，采用狄塞尔循环、N6HK1涡轮，降低发动机转速，减小发动机排量，实现目标转速和平均有效压力；(2)1台7.8 L柴油机，压缩比为18.5，进气阀关闭相位采用延迟20 °CA的米勒循环，采用机械涡轮复合增压系统，降低发动机转速，减小发动机排量，实现目标转速和平均有效压力。

试验测试显示，现有的增压器由于发动机喘振导致发动机在一些工况点无法运行。在其他运行工况的试验和仿真计算结果中可以看到效率的改善。因此，通过定制设计涡轮和压气机以更好地匹配发动机的运行工况。

2.2 样机硬件配置1

表4 不同涡轮方案的对比(发动机压缩比为18.5，IVC延迟角为20 °CA)

针对配置1的样机进行了多项改进，为替换现有压气机，定制设计了1个具有更高效率、更大的喘振裕度、更低运行转速的压气机。同时，对增压器的驱动机构进行了其他的改进设计，包括具有更高功率的全新连续可变行星齿轮机构。通过对压气机蜗壳的处理，增加了喘振裕度，采用1项新的轴系推力控制设计，取消了涡轮推力轴承及驱动机构上的被动式加载机构。初步的研究计划是发动机运行在更高压比和采用米勒循环正时系统，但是实际试验的发动机并没有做这些调整。在7.8 L发动机上进行这些改进，机械涡轮复合增压系统与原机的VGT增压器相比，在运行工况点A、B、D超过了仿真目标，结果如表6所示。为了低负荷工况及其他工况的效率，牺牲了运行工况点C的效率。

表5 第1次试验样机硬件的试验规范

表6 配置1在比油耗方面的改进

2.3 样机硬件配置2

在配置1的硬件完成后，将机械涡轮复合增压系统直接与新的两级增压系统进行了对比测试。通过对全工况脉谱图的对比，机械涡轮复合增压系统在一些工况的效率比两级增压的效率高，而在其他工况两级增压的效率更高。需要注意的是，配置1的样件是为米勒循环发动机而设计的，但是试验测试的发动机并没有采用米勒循环，所以在涡轮压气机叶轮与实际的米勒循环发动机匹配时，效率会更高。同时，其他部件的改进设计也会进一步提高效率。表7为对最终的样机能够改进设计和能够获得的收益所进行的预测。

第5代发动机相对于第4代发动机的改进是驱动机构内部的优化。其他大的改进是为现有发动机不采用米勒循环而设计了新的涡轮和压气机。研究人员对新型38 mm连续可变行星齿轮机构也进行了改进，使其传递功率更大，可以在更高的传动油温条件下连续运行。新改进设计的PTO去掉了行星齿轮，从而降低了行星齿轮传递损失，同时更换了更小的机械泵，也带来了效率的提升。在增压器驱动机构中增加离合器，可以在发动机起动和怠速工况下断开驱动连接，从而消除了怠速工况下的驱动功率损失。如图4所示，全工况运行脉谱图显示了配置1与两级增压相比的测试效率的对比数据。新配置与两级增压对比的预测结果如图5所示。高效率的特性曲线延伸到了发动机高速区域，由于离合器分离，去掉了发动机运行图谱的低速左下角区域。如图5所示，除了20%负荷以下区域及最高转速50%负荷周围很小的区域外，热效率都比采用两级增压的发动机更高，预测的最大效率提升达5.70%。

研究人员搭建了最终的样机并进行了试验。如图6所示，在运行工况点的最终效率提升数值与预测值吻合的非常好。

表7 样机改进及在各工况预测的效率收益

图4 第4代(硬件配置1)发动机试验测试的稳态工况效率与两级增压发动机对比

图5 第5代(样机配置2)发动机预测的稳态工况效率与两级增压发动机对比

图6 第5代(样机配置2)发动机实际的稳态工况效率与两级增压发动机对比

3 机械涡轮复合增压系统

3.1 机械涡轮复合增压系统调试

装有机械涡轮复合增压系统的发动机与装有标准涡轮增压器的发动机运行特性不同。因为机械涡轮复合增压系统的涡轮转轴的惯量大小对于克服涡轮迟滞的作用不再关键，因此其涡轮和压气机叶轮可以设计得更大。由于机械涡轮复合增压系统的机械损失随着转速的增加而增加，叶轮直径大的增压器相对标准增压器可以降低涡轮转轴的角速度从而减少机械损失。大直径的涡轮可以更好地匹配排气进入涡轮的速度，同时可以保证涡轮内部径向叶栅的强度。由于大的涡轮效率更高，可以从排气中获得更多的能量，并通过耦合机构将功率传递给发动机。

机械涡轮复合增压系统的另一设计准则是涡轮的“喉口”设计。更小的“喉口”会使得涡轮的功率更高，但是也增加了发动机的泵气损失。这种折中关系可以在发动机最重要的运行工况的设计阶段中进行优化。当发动机运行在高压EGR区域时，驱动EGR所需的排气压力通常是驱动涡轮的压力。机械涡轮增压器的涡轮采用固定截面的涡轮，因此发动机在低转速时，驱动EGR的涡轮截面尺寸确定了涡轮的“喉口”设计。由于采用标准涡轮增压器时，只要压力差存在，EGR流量就不会受到限制，能够容易地调整优化效率或排放所需的流量。同样，当EGR流量改变，由于采用标准涡轮增压器，增压压力不会受到影响。

在设计阶段完成后，机械涡轮复合增压系统通过连续可变传动(CVT)来改变涡轮的转速。高CVT速比产生更高的涡轮转速可以使发动机的进气流量增加，因此可以提高缸内的燃烧效率，尤其是在发动机低速工况。在发动机高速高负荷工况下，当增压空气量超过所需数量时，采用低CVT速比，使得涡轮转速降低，而向发动机输出更多的涡轮功率。在给定的工况点，较低的涡轮转速和更小的空气流量可以降低NOx排放，增加EGR流量。这样可以直接控制空气流量，在发动机低速工况提高增压压力、增加空气流量，在高速工况降低增压压力、减小空气流量，相对于传统的涡轮增压器是比较有利的，因为传统增压器在低速工况增压压力较低，而在高速工况增压压力又超出限制。采用机械涡轮复合增压系统可以在各转速工况下提供给发动机最优的空气流量，而不像采用传统增压器的发动机只能在一定的运行工况点空气流量最优，而在其他工况点并不是最优的。

图7～图10为通过改变EGR阀的位置及改变机械涡轮复合增压系统的CVT速比获得的规律曲线。图7为工况点A在不同EGR阀位置和CVT速比条件下EGR率和增压空气流量的关联关系的仿真结果。与采用VGT涡轮增压器及EGR阀时的非线性结果相比，采用机械涡轮复合增压系统，通过EGR阀位置控制EGR率，通过CVT速比控制增压空气流量，控制曲线划分的区域近乎完美。为了简化控制需求，可以使增压系统运行更加稳定。需要注意的是，当EGR完全关闭时，EGR的泄漏也已经考虑在内。

图7 不同EGR阀位置和CVT速比条件下EGR率和增压空气流量的关系的仿真结果

图8和图9为工况点A在相同的CVT速比和EGR率条件下通过仿真计算得到的比油耗和NOx排放的图谱。燃油经济性和排放的折中关系通过这两幅图可以直观地看出来，CVT速比越大(空气流量越大)和EGR阀开度越小(EGR流量越小)，发动机燃油经济性越好，但同时NOx排放越高。基于发动机的使用条件，可以选择最优的运行点使得燃油经济性最好并且排放最低。

图8 工况点A不同EGR阀位置和CVT速比条件下的比油耗图谱仿真结果

图9 运行工况点A在不同CVT速比和不同EGR阀位置条件下的NOx图谱仿真结果

如图10所示，在CVT速比和EGR阀位置相同的条件下，对运行工况点A机械涡轮复合增压系统输出到发动机的涡轮功率进行仿真计算。随着增压空气流量和EGR率的增加，涡轮输出的耦合功率增加，而且可以反向输出功率，意味着可以实现超级增压。这就阐明了机械涡轮复合增压系统可以通过涡轮轴额外增加或者输出功率来提供所需的增压空气流量和EGR流量，而不用考虑涡轮和压气机的功率平衡。

图10 运行工况点A在不同CVT速比和不同EGR阀位置条件下涡轮功率的仿真结果

3.2 机械涡轮复合增压系统的运行

与标准的涡轮增压器相比，机械涡轮复合增压系统具有不同的运行特性和基本原理。涡轮增压器在稳定运行条件下，涡轮的功率与压气机和轴承损失功率之和必须平衡。因为没有功率从涡轮轴输入或输出，只能由涡轮传递给压气机，这就限制了涡轮增压器的运行。机械涡轮复合增压系统可以将功率由涡轮转轴输入或输出，因此不再受到压气机功率与涡轮功率平衡的限值。如果在发动机低速工况时，需要额外的压气机功率实现更高的增压压力，机械驱动机构从发动机曲轴获取功率输入涡轮增压器，机械涡轮复合增压系统可以实现超级增压。同样，如果涡轮功率超出了压气机需求的功率，多余的功率可以通过机械机构输出传递给发动机。图11通过对转速1 000 r/min满负荷运行工况点阐明了这个概念，为发动机运行工况提供所需的进气歧管压力。随着压气机和涡轮效率的提升，压气机所需功率降低，同时涡轮提供的功率增加。标准涡轮增压器在运行时，压气机和涡轮的功率平衡。当增压系统效率提高时，机械涡轮复合增压系统可以将涡轮多余的功率输出给涡轮轴，再提供给发动机。

图11 涡轮和压气机功率的变化与在指定的进排气压力条件下发动机运行工况效率之间的关系

3.3 高压EGR

高压EGR是柴油机控制NOx排放采用的常规技术措施。排气直接从排气歧管经过中冷器然后进入发动机的进气歧管，与增压进气混合稀释，从而减少发动机缸内NOx的形成。为了使高压EGR系统能够运行，需要提供压力梯度来驱动EGR，排气歧管的压力必须高于进气歧管的压力，需要涡轮入口的压力能够提供足够高的排气能量，且远远超出了驱动压气机所需的能量。常规的涡轮增压器无法利用这些额外的排气能量，但是机械涡轮复合涡轮增压器可以将这些额外的能量通过涡轮耦合器输出给发动机。图12为基准的两级涡轮增压器和机械涡轮复合增压系统在相同转速、满负荷运行工况时的排气能量利用情况。

图12 在相同转速和满负荷工况下基准增压器和机械涡轮复合增压系统对排气功率的利用

基准两级涡轮增压器的涡轮能从排气中回收利用部分能量，而压气机则通过消耗能量来提供增压压力水平。机械涡轮复合增压系统能够实现更高的增压器效率，因为能量回收利用了额外的涡轮功率，将额外的功率输出到发动机，增加了发动机的综合效率。

3.4 涡轮效率的比较

当前的基准涡轮增压器是系列化的，采用旁通阀使得增压器运行在一定的特性区域。即使单个的涡轮或压气机的效率很高，但是由于在涡轮采用旁通阀，导致增压器从废气获得的能量转化为进气增压压力的总体效率较低。表8为发动机4个主要运行工况点的涡轮和压气机的功率流的评估。考虑到机械损失在内，基准两级涡轮增压器的功率流是基于液力轴承进行评估的。基准涡轮增压器必须使涡轮的总功率等于压气机功率加上机械损失功率，很多排气的可用能没有被利用。

表8 当前的增压器与机械涡轮增压器在发动机4个主要运行工况点时对功率的利用

机械涡轮复合增压系统的机械损失较高，但是涡轮和压气机效率更高，因此能够从排气中获得更多的能量，而且把额外的能量传递给功率耦合器，转化为发动机功率。在工况点B和C时，由于机械涡轮复合增压系统的涡轮几何尺寸是固定的，涡轮入口的压力较高，从排气中额外获得功率。高排气压力导致发动机的泵气损失增加，但是回收到发动机的额外功率更多，足以抵消增加的泵气损失。表9为这些运行工况点涡轮和压气机效率的评估结果。

尽管基准的两级增压器单独的部件效率可能较高，但是由于采用旁通阀和多级增压，导致总体效率的降低，特别是运行点B的效率较低。由于发动机运行工况在2个增压器的最优点，所以旁通阀开度较大。机械涡轮复合增压系统保持了更高的单级涡轮和压气机的效率。

4 结论

日本五十铃汽车公司对多年来模型仿真研究和样机试验研究进行了总结，在空气动力学和机械设计研究的同时开展了机械涡轮复合增压系统如何获得收益的研究。首先，机械涡轮复合增压系统可以通过额外的控制实现对增压压力和空气流量的精确控制；然后，机械涡轮复合增压系统可以将高压EGR工况下涡轮获得的额外功率输出到发动机。通过模型仿真手段，对空燃比、EGR流量和涡轮输出功率进行了控制，找到了最优的运行条件。随后，通过几轮次的硬件试验测试，修正了基本性能的预测值。研究主要关注了稳态工况下的效率收益，下一步研究将重点关注其他的收益，例如超级增压的效率、瞬态响应性能、驾驶循环效率、发动机有效功率提升，以及有害排放物的降低。

表9 当前的两级增压和机械涡轮复合增压系统在发动机4个主要运行工况点的压气机和涡轮效率的评估

由于发动机空气流量控制具有众多好处，加上很多可实现的收益，机械涡轮复合增压系统会成为发动机大幅提升效率的装置。其他改进的持续实现，将使得机械涡轮复合增压系统像常规涡轮增压器一样常见。

图13为当前的机械涡轮复合增压系统与原来设计的机械涡轮复合增压系统的对比。其中的1个主要变化是将连续可变的行星齿轮机构集成到主壳体内，代替了原来采用的单独壳体，质量与原来的设计相比降低了18.14 kg。由于采用大框架尺寸设计，该机械涡轮复合增压系统可应用于7.5～16.0 L范围内的大多数发动机，只需要改动除定制涡轮机械部件外的几个部件。