兩級增壓車用發動機性能計算

王曉鋒

（合肥工業大學，安徽 合肥230009）

1 可控兩級渦輪增壓柴油機模型的建立

為了擴大該高增壓柴油機的運行范圍，增大柴油機的低轉速扭矩，降低部分負荷運行的油耗和排放，降低柴油機的熱應力，同時兼顧其標定工況的性能，決定將原來的單級增壓系統改為可控兩級渦輪增壓系統，每三缸的排氣管與一個串聯式的兩級渦輪增壓系統相連接。

仿真模型中廢氣旁通閥開啟角度對應旁通管路的流量系數如圖1所示。

圖1 廢氣旁通閥開啟角度對應的流量系數

2 渦輪增壓系統與柴油機匹配要求

匹配的增壓系統要做到：（1）柴油機應能達到預定的功率和經濟指標，渦輪增壓器應能提供柴油機所需的增壓壓力和空氣流量。（2）部分負荷工況時應有較好的性能，高負荷或高轉速工況時，柴油機不超出冒煙極限，燃油經濟性好。（3）渦輪增壓器應在柴油機的各種工況下都能高效率地運行。柴油機與渦輪增壓器的聯合運行線應穿過壓氣機特性的高效率區，且盡可能和壓氣機的等效率曲線相平行，并且在任何工況下都不應出現喘振和堵塞現象。

3 可控兩級渦輪增壓系統匹配方法

3.1 高低壓級壓比分配原則

實際情況下研究兩級渦輪增壓系統的壓比分配時，僅僅考慮全負荷工況是不夠的，必須兼顧部分負荷工況，隨著負荷的變化，尤其是沿著推進特性運轉時，兩級的能量分配會發生劇烈的變化。因此，比較合理的分配方案為4∶6，即高壓級的壓比占總壓比的40%，低壓級占總壓比的60%。

3.2 壓氣機特性圖的擬合

GT－POWER程序在計算時，將壓氣 機的效率ηk和轉速nk視為隨折合流量mcorrected和壓比πk而變的二元函數，而實際輸入程序的是壓氣 機特性曲線上的一些離 散點，因此需要將這些離散的點擬合為程序能識別的函數。本文采用分析計算法將壓氣機特性曲線上的離散點轉化為相應的函數關系式。分析計算法是將壓氣機特性圖中的曲 線按計算要求進行數據離散，并將它 們輸入計算機中，然后根據這些原始數據采用數值逼近的方法構造出對應的函數πk＝f1（mcorrected，nk）和ηk＝f2（mcorrected，nk），數值逼近采用曲線擬合的最小二乘法。

4 可控兩級渦輪增壓柴油機參數的計算

4.1 臨界轉速的確定

對于該型高強化柴油機，由于其本身強化程度較高，考慮到機械負荷問題，不進行進一步強化。由于最高爆發壓力Pmax＝，其中壓力升高比λ、壓縮比ε以及壓縮多變指數n1可認為是常量，可見爆壓取決于增壓壓力Pb，也即取決于總的增壓比。因此，為限制其最大爆壓，并兼顧其標定工況的性能，壓比限值取原機標定工況下的增壓比。

4.2 廢氣旁通閥最優開度的確定

對于本文所研究的柴油機，廢氣旁通閥最優開度的確定方法如下：對于高于臨界轉速的工況，按照該型柴油機的推進特性進行模擬計算，固定其轉速不變，從開啟旁通閥到逐漸加大旁通閥的開度，觀察高壓級壓氣機出口壓力的變化，也即探尋壓氣機總壓比的變化，當壓氣機總壓比達到原機標定工況下的總壓比時，認為此時旁通閥的開度為最優開度，因為旁通閥的開啟就意味著能量的浪費，姑且把此開度前的能量浪費稱作不得已而為之，那么在此開度后如果繼續加大旁通閥開度，就會造成沒有任何意義的能量浪費，是不可取的。

5 高低壓級渦輪增壓器與柴油機匹配特性分析

本文在對原機仿真模擬計算分析的基礎上，選取了Garrett公司GT－4088 R和GT－3071 R作為可控兩級渦輪增壓低壓級壓氣機和高壓級壓氣機。針對該型柴油機，按其外特性進行了模擬計算，2種增壓系統與發動機的聯合運行線如圖2～4所示。

圖2 原機增壓系統與柴油機聯合運行線

圖3 可控兩級渦輪增壓系統低壓級運行線

圖4 可控兩級渦輪增壓系統高壓級運行線

從柴油機聯合運行線示意圖可以看出，原機增壓器在發動機中、高速工況具有較高效率，但在低工況時效率卻較低，且離喘振線較近；而可控兩級渦輪增壓系統能與該柴油機在全工況范圍內匹配良好，其中高壓級由于采用了較原機小的渦輪增壓器，轉動慣量小，在低速時，渦輪就能達到較佳的工作轉速，有效改善了渦輪遲滯，即高壓級壓氣機在低工況與柴油機匹配較好，較原機增壓器有更高的效率；在高工況時，為了限制最大爆發壓力，廢氣旁通閥開啟，高壓級渦輪功迅速減小，壓比減小，效率也逐漸降低。而低壓級渦輪增壓器采用了大渦輪增壓器，由于排氣能量增加，在發動機高轉速工況下具有較好的做功能力，效率較高。另外，高低壓級壓氣機在低工況時都離喘振線較遠，兩者結合可以很好地拓寬發動機的工作范圍。

6 結語

本文首先建立了可控兩級渦輪增壓柴油機整機性能仿真計算模型，其次，在對原機模擬計算結果分析的基礎上，確定以最大扭矩工況點為該型柴油機的匹配點，根據可控兩級渦輪增壓系統與柴油機的匹配要求及匹配方法，選取Garrett公司T系列增壓器GT－3071 R及GT－4088R為高低壓級增壓器，并在此基礎上進行可控兩級渦輪增壓柴油機整機性能仿真計算，基于爆壓限制的原則，確定了廢氣旁通閥開啟的臨界轉速點，研究了廢氣旁通閥開度對發動機性能的影響，并對高于臨界轉速的工況確定了旁通閥的最優開度，同時研究了可控兩級渦輪增壓柴油機的配合特性、設計特點、提高升功率的潛力以及可控兩級渦輪增壓系統壓比隨柴油機轉速變化關系等。

［1］陸家祥.柴油機渦輪增壓技術［M］.北京：機械工業出版社，1999

［2］劉潛.復合渦輪增壓對輕型柴油機性能和排放影響的研究［D］：［碩士學位論文］.天津大學，2009

［3］聞衛東.大眾的雙增壓發動機技術［J］.輕型汽車技術，2007（3）

［4］美通社（亞洲）.博格華納R2S兩級渦輪增壓將用于奔馳新柴油機［EB／OL］.［2009－03－24］.http：／／auto.163.com／09／0324／14／5567 AJR1000816 HO.ht ml