變海拔柴油機增壓系統全工況控制策略研究

李華雷,胡志龍,曹 杰,石 磊，張慧龑，谷允成，鄧康耀

(1.上海交通大學，動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240; 2.中航商用航空發動機有限責任公司，上海 200241;3.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400)

2016125

變海拔柴油機增壓系統全工況控制策略研究

李華雷1,2,胡志龍1,曹 杰3,石 磊1，張慧龑1，谷允成1，鄧康耀1

(1.上海交通大學，動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240; 2.中航商用航空發動機有限責任公司，上海 200241;3.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400)

基于柴油機的變海拔性能恢復目標，通過對增壓系統進行參數估算和選配，確定了某V型6缸柴油機與廢氣放氣式增壓系統的匹配方案，并采用GT-Power仿真軟件分別計算了柴油機外特性和部分負荷的變海拔性能，最終確定了增壓系統的全工況控制策略。研究結果表明：在外特性工況，基于高海拔匹配的增壓系統通過關閉放氣閥可以滿足柴油機的進氣耗功需求，實現了柴油機的變海拔功率恢復目標；隨著海拔高度的降低，增壓系統可以基于進氣耗功的變化適當開啟放氣閥來保證柴油機的正常運行；在全工況范圍內，隨海拔高度的上升，柴油機對應工況點的放氣閥開度逐漸減小，并在海拔3 000m以上完全關閉。當海拔從0增加到2 000m時增壓系統放氣流量比的最大值減小了30.7%，最小值減小了65.2%。

柴油機；增壓系統；控制策略；變海拔

前言

渦輪增壓技術的應用顯著提升了柴油機的動力性能，但對于流通特性不同而且沒有機械功傳遞的兩個獨立熱力系統，其配合運行會產生一些矛盾，而且隨柴油機增壓度的提高更加突出[1-2]。在傳統的增壓系統匹配中，選擇合適的柴油機工況點作為匹配點，根據匹配點處柴油機的耗氣需求進行壓氣機選型，再選擇合適的渦輪來滿足在壓氣機上實現較高效率的耗氣運行點所需的排氣做功能力，從而實現渦輪增壓器與柴油機的匹配[3-5]。

增壓系統的匹配過程導致只有在匹配點處壓氣機耗功與渦輪做功能力達到了最佳的平衡狀態。但對于車用柴油機而言，復雜多變的全工況運行范圍使得所選配的渦輪增壓器并未運行在最佳平衡狀態，這就需要增壓系統采用調節控制手段來適應柴油機的不同工況需求，實現性能優化。而柴油機的變海拔運行需求，使柴油機的運行范圍從二維的全工況升級到不同轉速、負荷和海拔高度的三維空間，這給增壓系統控制策略的制定增加了很大的難度。由于傳統的增壓系統匹配很少考慮到海拔高度變化的因素，故在變海拔運行時動力性和經濟性下降，排放性能惡化[6-10]。

針對增壓柴油機在高海拔下功率下降和變海拔運行增壓系統控制復雜化的問題，本文中建立了某型柴油機的仿真模型，并基于柴油機變海拔功率恢復目標進行了增壓系統參數估算和匹配；采用仿真模型進行了柴油機變海拔性能仿真計算，分析研究了柴油機外特性和部分負荷的不同控制策略，并確定了變海拔柴油機增壓系統的全工況控制策略。

1 仿真模型的建立和校核

發動機的主要參數如表1所示。原機采用V型布置方式，3缸排氣共流入1根排氣管，采用普通單級增壓方式，有2個增壓器和2個中冷器。柴油機的穩態性能采用一維流動分析軟件GT-Power來仿真計算。根據柴油機的實際管系尺寸，采用一維簡化方式建立進排氣管路模型。采用管路模塊來建立中冷器模型，通過增大管壁面積、設置合適的壁溫和增大傳熱系數的方式來模擬其對進氣的冷卻效果。采用韋伯模型模擬缸內燃燒過程，woschni模型模擬傳熱過程。渦輪增壓器通過渦輪和壓氣機特性圖譜離散形式輸入，從而建立了原機仿真模型。采用原機海拔3 000m的試驗數據進行模型校核，其對比結果如圖1所示。

表1 發動機主要技術參數

由圖可見：原機的動力和經濟性能參數的計算結果與試驗數據很好地吻合，誤差都在5%之內；標定轉速的缸壓計算數據與試驗數據也很接近。這說明所建立的仿真模型具有很高的精度，滿足計算分析要求。

2 變海拔增壓系統的匹配

2.1 增壓系統參數估算

將柴油機的變海拔性能恢復目標進行如下定義：海拔0時保持原機性能；海拔3 000m以下功率恢復到原機的100%；海拔4 500m功率恢復到原機的90%。根據原機性能參數和變海拔功率恢復目標，進行了變海拔增壓系統參數估算[11-12]。

根據海拔3 000m的試驗數據，采用油耗線法得到柴油機的機械效率ηmH，并計算機械損失功率：

(1)

式中：Pe為柴油機的有效功率；ηmH為海拔3 000m的柴油機機械效率。

當柴油機結構不變時，機械損失功率主要取決于發動機轉速，可以認為柴油機相同轉速下的機械損失功率不隨海拔高度變化，即認為PmH=Pm0。結合變海拔功率恢復目標，可以得到柴油機變海拔工況的機械效率為

ηmH=PeH/(PeH+PmH)

(2)

式中PeH為變海拔條件下的有效功率。

柴油機變海拔工況的燃油消耗率beH可以通過下式的燃油消耗率be與機械效率ηm對應關系得到：

beH=beηm/ηmH

(3)

(4)

(5)

式中：α為空燃比；pin為增壓壓力。

圖2為增壓系統參數的估算結果與原機壓氣機特性的對比。由圖可見：隨著海拔升高，壓比和折合流量逐漸增加，柴油機最大轉矩點轉速的運行點逐漸靠近壓氣機喘振線，喘振裕度逐漸減小；而標定轉速的折合流量隨海拔上升而增加的幅度很大，并在海拔4 500m時超過原機壓氣機最高轉速線。這說明原來按照柴油機平原性能匹配的增壓器已經不能滿足柴油機變海拔工況的需求，需要重新調整增壓系統方案，提高變海拔適應性。

2.2 增壓系統匹配

這里需要柴油機按照變海拔功率恢復的要求重新匹配調整增壓系統。根據壓比和折合流量的估算結果，選擇海拔4 500m的最大轉矩點轉速作為匹配點，應盡量使其運行點位于壓氣機的高效率區，同時保證壓氣機特性滿足變海拔工況柴油機標定轉速的耗氣特性需求。增壓系統參數的估算結果與最終選配的壓氣機特性圖的對比情況如圖3(a)所示。可以看出，所選配的壓氣機能夠滿足海拔4 500m標定轉速的折合流量要求，而最大轉矩點在3個海拔下的運行點都位于壓氣機的高效率區，且留有一定的喘振裕度。

在確定壓氣機特性后，需要進行合適的渦輪特性選配。根據匹配點壓比和進氣流量的估算結果，基于原機3 000m的試驗數據，經驗選取渦輪前溫度為750℃，渦輪增壓器總效率為0.5，計算得到選配渦輪所需的膨脹比和相似流量，并根據計算得到的膨脹比和相似流量選擇合適的渦輪，如圖3(b)和圖3(c)所示。

將所選配的渦輪和壓氣機特性按照等轉速線進行數據離散輸入計算模型，并加入控制模塊來調節放氣閥開度,建立增壓系統的變海拔計算模型，如圖4所示。按照表2中的壓力和溫度來模擬柴油機的高原運行條件，進行了變海拔條件下柴油機外特性和部分負荷的性能計算。

海拔/m壓力/kPa溫度/K0100288.0100090281.5200080275.0300070268.5400062262.0450058258.8

3 結果分析與比較

3.1 外特性變海拔控制策略

柴油機外特性性能參數的變海拔對比結果見圖5。由圖可見：采用所匹配的增壓系統，在0-3 000m海拔范圍內柴油機可以保持原機性能，實現功率100%恢復；在4 500m海拔下，各轉速的柴油機功率達到了原機的90%恢復。各轉速的燃油消耗率隨海拔上升而逐漸增加，經濟性變差。海拔高度從0上升到3 000m時，最低燃油消耗率從237.7增加到239.4g/(kW·h)，但由于放氣閥的調節作用，最低燃油消耗率所對應的轉速并未向高轉速方向移動，始終保持在1 700r/min；在海拔4 500m時，經濟性惡化嚴重，最低燃油消耗率增加到了243.9g/(kW·h)，與平原相比增加了2.6%。

圖5(c)為外特性空燃比隨海拔高度的變化情況。由圖可見：隨著海拔上升，各轉速的空燃比都逐漸減小，其中在0-3 000m海拔范圍內空燃比的變化幅度較小，而在3 000-4 500m海拔范圍內空燃比下降較快。在同一海拔高度下，空燃比的下降幅度在不同轉速下有所不同。低轉速工況下降幅度較小，隨著柴油機轉速的增加，空燃比的下降幅度逐漸增大，但高轉速的空燃比仍然高于低轉速。空燃比下降表明柴油機的進氣量相對減小，在相同的壓縮比下使進氣過程終止時氣缸內溫度和壓力降低，這就使柴油機熱力循環p-V示功圖中的高壓循環部分的做功能力減小，導致有效熱效率下降，燃油消耗率增加，經濟性惡化(圖5(b))。

外特性最大轉矩點和標定轉速的增壓壓力和壓比隨海拔的變化情況如圖6所示。通過調節放氣閥，可使兩個轉速下的增壓壓力在0-3 000m海拔范圍保持不變。而由于功率恢復目標的不同，4 500m海拔下的增壓壓力可以適當降低；但增壓系統的壓比隨海拔高度的上升而逐漸增加。海拔高度的升高導致壓氣機進口壓力減小，想要維持柴油機的增壓壓力不變或略有下降，需要減小放氣閥開度來提高壓比。兩個轉速下壓比的數值與增壓系統參數估算的計算結果也相差不大，這表明參數估算結果也具有較好的精度。

外特性放氣閥的變海拔控制策略與相應的變海拔運行線如圖7所示，圖中的放氣流量比定義為流經放氣閥的流量與總排氣流量的比值，表征放氣閥的開度。由圖可見，在3 000m以上，放氣閥關閉來減小渦輪等效流通面積，從而使增壓系統實現較大的膨脹比，渦輪膨脹做功能力增加。針對海拔從3 000m減小到0的變化范圍內，在相同轉速下，其所需的放氣閥開度隨著海拔高度的下降而逐漸增大。但針對不同的柴油機轉速放氣閥開度的增加幅度不同，柴油機從低轉速到高轉速變化時放氣閥開度的增加幅度先減小后增大。這是因為低轉速工況靠近增壓系統的匹配點，而且低轉速工況的運行點處在壓氣機的較高效率區域，導致在低海拔下得到目標增壓壓力所需的壓氣機耗功變化較小，但根據高海拔工況所匹配渦輪在平原工況運行時，其做功能力遠大于壓氣機的耗功需求，因此需要通過較大的放氣閥開度來防止增壓過度，避免出現過高的爆發壓力，導致柴油機機械負荷過大。

在高轉速工況，雖然壓氣機運行點的效率相對較低，但此時柴油機的進排氣量較大，廢氣能量較大，渦輪做功能力也相對較強。而在低海拔下渦輪的做功能力也相對較強，因此為防止增壓壓力過高，也需要較大的放氣閥開度來實現目標增壓壓力。

對于中間轉速工況，其運行點的壓氣機效率要低于低轉速工況，因此在各海拔高度下壓氣機耗功的變化幅度要大于低轉速，在低海拔下渦輪的做功能力超過壓氣機的耗功需求的程度相對較小。而與高轉速工況相比，柴油機的進排氣量較小，廢氣能量也相對減小。因此在中間轉速工況需要采用相對較小的放氣閥開度來達到目標增壓壓力，使其放氣閥開度的增加幅度也相對較小。

3.2 部分負荷變海拔控制策略

在確定了外特性放氣閥控制策略后，進行了高低負荷工況的仿真計算，以確定適用于部分負荷工況的放氣閥控制策略。仿真中將每個轉速的外特性下柴油機循環噴油量的80%作為高負荷工況，循環噴油量的20%作為低負荷工況。針對每個工況點調整放氣閥開度，通過分析高低負荷工況下柴油機的性能變化規律，確定合適的放氣閥控制策略。

在最大轉矩點轉速的高負荷工況，不同放氣閥開度對柴油機變海拔性能的影響規律如圖8所示。為保持原機功率，需要保證柴油機的增壓壓力在0-3 000m海拔范圍內基本不變，以滿足柴油機正常燃燒所需的進氣量。從圖中可以看出，在增壓壓力保持不變的情況下，柴油機功率在0-3 000m海拔范圍內的變化幅度只有0.7kW，基本保持不變。

在3 000m海拔，為將增壓壓力恢復到平原水平，需要關閉放氣閥來提高增壓比；但隨著海拔高度的下降，壓氣機進口壓力逐漸增大，增壓系統不需要提供很高的壓比來實現目標增壓壓力，因此放氣閥開度逐漸增加。但放氣閥的打開使部分廢氣沒有流經渦輪而直接排入大氣，沒有充分利用廢氣能量，導致增壓器效率下降，進排氣壓力比逐漸減小，渦前壓力逐漸升高，不利于柴油機的泵氣過程。

圖9為高負荷工況變海拔進排氣壓力比的變化情況和相應的放氣閥控制策略。由圖9(a)可以看出：在同一海拔高度，進排氣壓力比隨著轉速的增加而逐漸減小，這是因為低轉速工況的運行點處于壓氣機的高效率區，而隨著轉速的增加，運行點逐漸偏離高效率區，增壓系統效率下降；在同一發動機轉速下，進排氣壓力比隨著海拔高度的下降逐漸減小，這是由于在低海拔下由于壓氣機進口壓力逐漸增大，增壓系統所需提供的壓比逐漸減小，因此放氣閥開度逐漸增大，導致增壓系統效率下降。從圖9(b)中可以看出：在3 000m海拔以上，放氣閥處于關閉狀態；在2 000-3 000m海拔范圍內，不同轉速下的放氣閥開度基本不變；在0-2 000m海拔范圍內放氣閥開度出現明顯變化，低轉速工況的放氣閥開度明顯大于高轉速工況。

圖10為高負荷工況變海拔燃油消耗率的變化情況。可以看出，所匹配的增壓系統通過控制放氣閥的開度恢復了柴油機的增壓壓力，但柴油機的最低燃油消耗率仍然出現在低海拔低轉速工況。這說明雖然柴油機在變海拔工況的動力性能得到了改善，但在高海拔下柴油機的經濟性仍然低于平原或低海拔工況。

在最大轉矩點轉速的低負荷工況，不同放氣閥開度對柴油機變海拔性能的影響規律如圖11所示。可以看出，雖然增壓壓力隨海拔高度的下降而逐漸增加，但由于低負荷工況下柴油機的空燃比較大，增壓壓力的增加未能提高柴油機的指示熱效率，改善燃燒過程，反而增加了渦前壓力，導致泵氣過程有所惡化，泵氣損失增加，功率下降。而進排氣壓力的增加幅度相差不大，使泵氣過程惡化得并不嚴重，使在0-3 000m海拔范圍內功率增加幅度只有0.8kW。

與高負荷工況相似，放氣閥開度隨海拔高度的降低也逐漸增加，但在0-2 000m海拔范圍內變化幅度較小，相應地增壓系統壓比變化幅度也較小，而在2 000-3 000m海拔范圍內兩者的變化幅度都較大。

圖12為低負荷工況變海拔進排氣壓力比的變化情況和相應的放氣閥控制策略。由圖12(a)可以看出：在同一海拔高度，進排氣壓力比隨著轉速的增加而逐漸增大，這是因為高轉速工況時柴油機進氣量要大于低轉速工況，廢氣能量也相對較大，導致渦輪做功能力較大，使得增壓系統效率相對較高；而在相同轉速下，進排氣壓力比隨著海拔高度的下降逐漸減小，其原因與高負荷工況時一樣。從圖12(b)中可以看出：在3 000m海拔以上，放氣閥也處于關閉狀態；在1 000-3 000m海拔范圍內，隨著發動機轉速的增加，放氣閥開度先減小后增大；在0-1 000m海拔范圍內放氣閥開度隨發動機轉速的增加而逐漸減小。而在同一轉速下，放氣閥開度隨海拔高度的下降而逐漸增大。

圖13為低負荷工況變海拔燃油消耗率的變化情況。可以看出，在低負荷工況下，柴油機的最低燃油消耗率出現在高海拔低轉速工況，而隨發動機轉速的增加和海拔高度的下降，燃油消耗率逐漸增加，這主要是由于低負荷工況采用了圖12(b)的放氣閥控制策略導致的。在柴油機低負荷工況由于循環噴油量較小，其所需提供的增壓壓力也較低，使得壓氣機壓比都很小，其所對應的壓氣機效率變化不大。在高海拔工況下廢氣放氣閥處于關閉狀態，隨著海拔的降低廢氣放氣閥逐漸打開，使得增壓系統渦輪端效率逐漸減小，渦輪增壓器總效率也逐漸下降，柴油機熱力循環中的泵氣過程逐漸惡化，導致燃油消耗率逐漸增加。

3.3 全工況變海拔控制策略

根據外特性和部分負荷的放氣閥控制策略分析結果，可以得到柴油機應用廢氣放氣增壓系統進行變海拔功率恢復所需采取的全工況放氣閥控制策略，如圖14所示。

可以看出，隨著海拔高度的增加，對于相同轉速、相同平均有效壓力的柴油機工況點，放氣閥開度逐漸減小，直至在3 000和4 500m海拔完全關閉。當海拔高度從0增加到2 000m，放氣閥放氣流量比的最大值從0.122減小到0.084 5，放氣閥放氣流量比的最小值從0.065 4減小到0.024 5；而在3 000和4 500m海拔范圍內放氣閥需要完全關閉來盡量減小渦輪等效流通面積，從而實現目標增壓壓力，提高柴油機變海拔適應性。

4 結論

針對某V型柴油機的變海拔功率恢復目標，進行了增壓系統參數估算和增壓器選型。通過GT-Power計算模型的建立和原機海拔3 000m的試驗數據校核，針對廢氣放氣式增壓系統，采用該計算模型進行了變海拔性能仿真分析，得到以下結論。

(1) 所匹配的廢氣放氣式增壓系統可以實現柴油機變海拔的功率恢復目標。

(2) 在外特性工況，在3 000和4 500m的高海拔工況，需要關閉放氣閥來增加渦輪做功能力。在同一轉速下隨海拔高度的下降，放氣閥開度逐漸增大，而且隨轉速增加，放氣閥開度的增加幅度先減小后增大。

(3) 高低負荷工況下需要采取的放氣閥控制策略也不同。在高負荷工況，中間海拔下不同轉速的放氣閥開度基本不變，在較低海拔下低轉速工況的放氣閥開度小于高轉速工況；在低負荷工況，中間海拔的放氣閥開度隨發動機轉速的增加而先減小后增大，而低海拔的放氣閥開度隨轉速的增加而逐漸減小。

(4) 在低海拔范圍內隨海拔的上升，柴油機全負荷工況的放氣閥開度需要逐漸減小；而在3 000和4 500m的高海拔工況，放氣閥要完全關閉。

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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

原稿收到日期為2015年5月14日，修改稿收到日期為2015年8月14日。