變海拔柴油機可變噴嘴增壓系統控制策略研究

張慧龑 李華雷 劉 勝 石 磊 鄧康耀 楊震寰

(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.中國航發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 300400)

變海拔柴油機可變噴嘴增壓系統控制策略研究

張慧龑1李華雷2劉 勝3石 磊1鄧康耀1楊震寰3

(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.中國航發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 300400)

根據柴油機的變海拔性能恢復目標，通過熱力學分析，對某V型6缸柴油機增壓系統運行參數進行估算，確定了可變噴嘴式的增壓系統方案，并選擇了合適的匹配點，完成了渦輪增壓器的選配?；谠瓩C結構參數，采用GT-Power軟件建立了性能仿真模型并完成了校核，分別計算了匹配可變噴嘴增壓系統的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：在外特性工況下，基于高海拔匹配的增壓系統通過采用較小的噴嘴環開度可以滿足增壓系統的功耗需求，實現柴油機的變海拔功率恢復目標；隨著海拔的降低，增壓系統可以根據進氣功耗的變化適當增大噴嘴環開度來實現增壓系統變海拔控制目標，同時，保證柴油機的正常運行；在全工況范圍內，隨著海拔的上升，柴油機對應工況點的噴嘴環開度逐漸減小，在3 000 m以上海拔的高負荷工況采用最小噴嘴環開度。隨著負荷的降低，最低燃油消耗運行點從低海拔低轉速區偏移至高海拔低轉速區。

柴油機； 變海拔； 可變噴嘴； 增壓系統； 控制策略； 流量系數

引言

渦輪增壓技術可以顯著提升柴油機的動力性和經濟性，在提高功率密度的同時滿足日益嚴苛的油耗和排放指標。但是，由于柴油機與渦輪增壓器之間沒有直接的機械連接，且往復機械與回轉機械的流通特性和工作原理不同，使得柴油機和增壓器無法在全工況范圍內實現高效的聯合運行[1-3]。通常在增壓系統匹配時，選擇合適的柴油機工況點作為匹配點,通過計算匹配點處柴油機的進氣需求來選擇合適的壓氣機，再根據做功能力選擇能夠滿足壓氣機耗功的渦輪，使得渦輪增壓器在滿足柴油機需求的基礎上實現較高的效率，從而完成渦輪增壓器與柴油機的匹配[4-6]。

但在實際工作時，柴油機往往處于不斷變化的工況之中，因此，柴油機的進氣需求和排氣能量并不恒定，而壓氣機和渦輪效率也不斷變化。對于車用柴油機，全工況運行范圍內發動機的進氣需求和排氣能量差異很大，同時，部分工況點可能出現效率過低或是靠近渦輪增壓器的工作邊界的現象，這就需要調節增壓系統的等效渦輪面積，以適應柴油機不同工況的需求，達到性能優化的目的。近年來，可變噴嘴型渦輪增壓系統(VNT)的出現并投入使用，一定程度上解決了增壓器和柴油機的匹配問題[7-9]。可變噴嘴渦輪增壓系統通過分段或連續改變渦輪截面積，來實現不同工況下的過量空氣系數。在柴油機低速運行時，減小渦輪噴嘴流通面積，提高增壓壓力，從而改善柴油機的低速特性；柴油機高速工作時，增大渦輪噴嘴流通面積，使增壓壓力不至于過高。理論上，可以與柴油機在較寬的工況下實現良好的匹配[10-12]。但是，當柴油機運行在變海拔工況時，外界環境的變化使得柴油機的進氣和排氣條件都產生了很大變化，柴油機在高原運行與平原運行時的性能差異明顯[13]。傳統的增壓器平原匹配很少考慮到海拔變化的影響，也沒有針對變海拔工況制定專門的控制策略，柴油機的動力性和經濟性指標隨海拔升高而迅速下降，柴油機和增壓系統運行甚至出現不穩定現象[14-18]。顯然，在平原或固定海拔制定的控制策略不能滿足柴油機變海拔高效運行的需求。

本文針對變海拔運行過程中，柴油機性能下降和增壓系統的控制復雜化的問題，建立柴油機一維仿真模型，根據柴油機變海拔功率恢復目標進行增壓系統的參數估算，匹配適應變海拔工況的可變噴嘴渦輪增壓系統。通過柴油機變海拔仿真計算，分別研究外特性和部分負荷對應的不同增壓系統控制策略，最終確定變海拔增壓系統的全工況控制策略。

1 仿真模型的建立與校核

發動機主要參數如表1所示。原機采用V型布置方式，普通單級增壓方案，有2個對稱安裝的增壓器和2個中冷器。采用一維性能仿真軟件 GT-Power建立了仿真模型，如圖1所示。根據柴油機的管系尺寸，采用一維簡化方式建立進排氣管路模型；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，從而建立原機仿真模型。采用原機在海拔3 000 m的試驗數據對模型進行校核，其對比結果如圖2所示。

表1 發動機主要技術參數

圖2 平原和3 000 m海拔工況仿真與原機試驗數據對比Fig.2 Comparison of simulated and measured data at sea level and 3 000 m altitude

可以看出，原機的動力性和經濟性能參數的計算結果與試驗數據可以很好地吻合，最大誤差都在5%之內；標定轉速的缸壓計算數據與試驗數據也很接近。說明所建立的仿真模型具有足夠高的精度，可以滿足計算分析要求。

2 變海拔可變噴嘴增壓系統的匹配

2.1 原機變海拔壓氣機性能分析

隨著海拔的升高，大氣壓力和溫度逐漸降低。按照變海拔功率恢復需求，在3 000 m以下海拔,需實現柴油機100%的功率恢復；在4 500 m海拔，柴油機功率達到了原機的85%。根據3 000 m海拔的試驗數據，可以通過油耗線法得到3 000 m海拔柴油機的機械效率ηmH。機械效率定義為

(1)

式中PeH——變海拔條件下的有效功率PmH——變海拔條件下的機械損失PiH——變海拔條件下的指示功率

當發動機結構不變時，摩擦功率與大氣狀態變化關系不大，可認為PmH為常數，即不隨海拔高度而變化。柴油機的變海拔燃油消耗率可通過燃油消耗率和機械效率的對應關系得到

beH=beηm/ηmH

(2)

由內燃機和增壓器的工作特性可知，在中冷器冷卻能力足夠的情況下，柴油機不同工況的進氣管溫度可看作定值，因此進氣流量與增壓壓力呈正比，柴油機穩定運行時所需氣量和增壓壓力為

(3)

(4)

折合流量為

(5)

式中Pe——柴油機有效功率be——燃油消耗率Tin——進氣溫度α——空燃比pin——增壓壓力T0——環境溫度p0——環境壓力

圖3 原機變海拔壓氣機運行圖Fig.3 Operating points on compressor map of original engine at different altitudes

根據原機的性能參數和變海拔功率恢復目標，估算增壓系統的運行參數。柴油機最大扭矩運行點逐漸靠近壓氣機喘振線，喘振裕度不斷減??；而標定轉速點的壓比和折合流量隨海拔上升增加幅度很大，并在海拔4 500 m超過原機壓氣機最高轉速線，導致壓氣機出現不穩定運行的情況，如圖3所示。這表明在平原工況匹配的原機增壓器已經不能滿足柴油機變海拔工況的需求，必須調整增壓系統的匹配方案，以提高增壓柴油機的變海拔適應性。

2.2 可變噴嘴增壓系統的匹配

為滿足變海拔功率恢復目標，選擇海拔4 500 m的最大扭矩點轉速作為匹配點，盡量使外特性運行點位于壓氣機的最高效率區，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對比如圖4所示?？梢钥闯觯x配的壓氣機能夠滿足海拔4 500 m標定轉速點的折合流量要求，而最大扭矩點在3個海拔下的運行點都位于壓氣機的高效率區，并且有一定的喘振裕度。

圖4 壓氣機匹配運行圖Fig.4 Operation points on matched compressor map

確定壓氣機特性后，需要選配合適的渦輪。渦輪的匹配主要是渦輪流通能力的匹配[19-20]。根據匹配點的壓比和進氣流量，基于原機3 000 m的試驗數據，選取渦輪前溫度為720℃，渦輪增壓器總效率為0.52，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，完成增壓系統的選配。

3 外特性變海拔流動控制策略

通過性能仿真計算，柴油機外特性的功率和油耗的變海拔計算結果見圖5和圖6。可以看出，采用所匹配的增壓系統，在0～3 000 m海拔范圍內柴油機可以維持原準機性能，實現功率不下降；在海拔4 500 m，各轉速的柴油機功率達到了原機的85%恢復目標。各轉速下的燃油消耗率隨海拔上升而逐漸增加，經濟性變差。海拔從0 m升至3 000 m時，柴油機最低燃油消耗率從233.2 g/(kW·h)增加到239.4 g/(kW·h)，當海拔為4 500 m時，柴油機經濟性惡化顯著，最低燃油消耗率增加到了244.0 g/(kW·h)，與平原相比增加了4.6%；海拔高度從0 m到4 500 m，最低燃油消耗率對應的轉速始終維持在1 700 r/min左右。

圖5 外特性功率恢復情況Fig.5 Power recovery of external characteristic

圖6 外特性變海拔經濟性對比Fig.6 Comparison of economic performance for external characteristic condition at different altitudes

圖7 外特性空燃比變化曲線Fig.7 Variation curves of air-fuel ratio for external characteristic condition at different altitudes

圖7為外特性空燃比隨海拔高度的變化曲線。隨著海拔上升，各轉速下的空燃比都逐漸減小。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；隨著柴油機轉速的增加，空燃比的下降幅度逐漸增大，但不同海拔高度下高轉速的空燃比仍然高于低轉速。由于進氣量的減小，在相同的壓縮比下使得進氣過程終止時氣缸內溫度和壓力降低，這就使得柴油機熱力循環P-V示功圖中的高壓循環部分的做功能力減小。空燃比的下降導致柴油機燃燒放熱過程的有效熱效率下降，使得燃油消耗率增加，經濟性惡化。

外特性最大扭矩點和標定轉速的增壓壓力和壓比隨海拔的變化曲線如圖8所示?？梢钥闯觯S著海拔上升，增壓壓力逐漸降低；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，為滿足柴油機增壓的需求，需要通過減小噴嘴環截面積來提高壓比。2個轉速下壓比與增壓系統參數估算的計算結果相差不大，這表明之前的參數估算過程也具有較好的精度。

根據VNT的工作特性，定義不同工況下渦輪質量流量與基準渦輪質量流量的比值為渦輪流量系數，即大渦流流量系數對應大噴嘴環開度和小膨脹比。定義海拔4 500 m的渦輪流量為1，其他海拔的渦輪流量系數為其渦輪流量與海拔4 500 m渦輪流量的比值。相對于噴嘴環的開度，采用渦輪流量系數作為控制變量能夠使控制策略更具有通用性。通過計算，變海拔外特性工況的控制策略和壓氣機運行線如圖9所示。同一轉速下渦輪流量系數隨海拔上升而減小，在3 000 m以上海拔工況，由于環境壓力下降明顯，需要通過減小噴嘴環開度得到較小的渦輪流量系數，以滿足柴油機的進氣需求。根據高海拔工況所匹配渦輪在平原工況運行時，其做功能力大于壓氣機的功耗需求，因此，需要通過增大噴嘴環開度，防止增壓過度，避免出現過高的爆發壓力和機械負荷過大的狀況。低海拔地區，隨轉速增加，渦輪流量系數呈先減小后增大的趨勢。這是因為低轉速工況靠近增壓系統的匹配點，運行點處在壓氣機的高效率區域，導致在低速時得到目標增壓壓力所需的壓氣機功耗變化較小；在高轉速工況，雖然壓氣機運行點的效率相對較低，但此時柴油機的排氣量較大，排氣能量足夠多，故也需要增大渦輪流量系數以防止壓氣機超速和增壓壓力過高。

圖9 外特性工況的控制策略Fig.9 Control strategy for external characteristic condition at different altitudes

4 部分負荷變海拔流動控制策略

在確定了外特性渦輪噴嘴環開度控制策略后，將針對高低負荷工況進行仿真計算，從而確定適用于部分負荷工況的增壓器控制策略。選取每個轉速外特性的80%負荷作為高負荷工況，20%負荷作為低負荷工況進行研究。針對每個工況點調整渦輪噴嘴環開度，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VNT系統的控制策略。

4.1 高負荷工況增壓系統變海拔控制策略

通過仿真計算，獲得合理的增壓系統變海拔控制策略。在最大扭矩點轉速的高負荷工況，渦輪流量系數對柴油機變海拔性能的影響規律如圖10所示。為了達到功率恢復要求，需要保證柴油機的增壓壓力在0～3 000 m海拔范圍內基本不變，從而保證滿足柴油機正常燃燒所需的進氣量。從圖10中可以看出,在海拔3 000 m以上時，為將增壓壓力恢復到平原水平，需要選取較小的渦輪流量系數來提高壓比；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，因此渦輪流量系數逐漸增加。隨著海拔的上升，增壓壓力逐漸下降，而渦前壓力先升后降，柴油機泵氣正功不斷減小，造成經濟性下降。

高負荷工況變海拔渦輪流量系數的控制策略以及相應的進排氣壓力比的變化情況如圖11所示。隨著海拔下降，大氣壓力不斷升高，增壓系統的壓比需求逐漸減小，同一轉速對應的渦輪流量系數不斷加大；而同一海拔下，隨著轉速升高，壓氣機運行線逐漸遠離高效區，需適當減小渦輪流量系數以滿足柴油機的進氣需求；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，同時渦輪后背壓升高，因此需逐漸增大渦輪流量系數以防止增壓過度，但這將使廢氣所做的膨脹功減小，導致增壓系統效率下降。同時，在同一海拔高度，進排氣壓力比隨著轉速的增加而逐漸下降，且高海拔區下降更明顯；對于同一發動機轉速，進排氣壓力比隨著海拔高度的下降逐漸增大，說明泵氣過程逐漸惡化。

高負荷工況柴油機變海拔燃油消耗率如圖12所示?？梢钥闯觯S著轉速增加柴油機的泵氣正功減小，柴油機的最低燃油消耗率出現在低海拔低轉速工況。此時，增壓系統效率較高，泵氣正功較大，空燃比較高，燃燒條件較好。可見，雖然通過增壓系統噴嘴的控制使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相對平原或低海拔工況有所惡化。

圖10 高負荷工況控制策略對柴油機性能的影響Fig.10 Influence of control strategy on engine performance under high load condition

圖11 高負荷工況控制策略Fig.11 Control strategy under high load condition

圖12 高負荷工況變海拔燃油消耗率(單位：g/(kW·h))的變化情況Fig.12 Fuel consumption for high load condition at different altitudes

4.2 低負荷工況增壓系統變海拔控制策略

圖13 低負荷工況放氣閥控制策略Fig.13 Control strategy under low load condition

低負荷工況變海拔渦輪控制策略以及進排氣壓力比的變化情況如圖13所示。與高負荷工況相似，隨著海拔的升高，增壓系統的壓比需求逐漸增加，同一轉速對應的渦輪流量系數不斷減小。但是，由于低負荷工況所需增壓系統的供氣量較小，尤其在低海拔運行時，不需要較高的增壓壓力，對應的渦輪流量系數較大。隨著轉速的增加，排氣能量逐漸增大，渦輪做功能力加強，為降低泵氣損失以提高柴油機的經濟性，需增大噴嘴截面積以降低柴油機的排氣背壓。在相同轉速下，進排氣壓力比也隨著海拔高度的下降逐漸減小，與高負荷工況呈相反的變化趨勢。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柴油機排氣量大，排氣做功能力強，導致系統的增壓壓力較高，同時，噴嘴環開度增大也使得高轉速的排氣背壓下降。

圖14 低負荷工況變海拔燃油消耗率(單位：g/(kW·h))Fig.14 Fuel consumption for low load condition at different altitudes

低負荷工況變海拔燃油消耗率的變化如圖14所示。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；這是由于只有高海拔工作區，柴油機的進氣壓力大于排氣壓力，加之增壓系統效率較高，故而出現上述現象。而隨著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控制策略決定的。在柴油機低負荷工況時，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。在高海拔工況下噴嘴環開度較小，隨著海拔的降低噴嘴環逐漸打開，使得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。

5 全工況變海拔流動控制策略

根據外特性和部分負荷的增壓系統控制策略分析結果，可以得到該柴油機應用可變截面增壓系統進行變海拔功率恢復所需采取的全工況渦輪流量系數控制策略，如圖15所示。

總體上，隨著海拔高度的增加，增壓系統的進氣壓力降低，對于相同轉速、相同平均有效壓力的柴油機工況點，噴嘴環開度應逐漸減小，以滿足柴油對增壓器的進氣需求。在低海拔工況，相同平均有效壓力下，隨著轉速的增加，噴嘴環開度呈先減小后增大的趨勢。在同一海拔和轉速下，隨著平均有效壓力增加，噴嘴環開度呈逐漸減小趨勢。在平原高轉速工況，增壓系統的進氣壓力較高，而柴油機對增壓系統的壓比需求不高，同時，排氣能量充足，因此需要較大渦輪噴嘴環面積，防止爆壓過高和壓氣機超速；在低轉速區工況，靠近增壓系統匹配點，對應的噴嘴環開度較大；在3 000 m以上的大多數工況點，需要選取最小噴嘴環開度，以提高柴油機變海拔適應性。

圖15 全工況變海拔控制策略Fig.15 Control strategy for full condition at different altitudes

6 結論

(1)通過仿真計算，柴油機匹配的可變噴嘴增壓系統，可以實現變海拔的功率恢復目標。

(2)對于柴油機外特性，高海拔工況，需要取較小的渦輪流量系數來提高渦輪做功能力。在同一轉速下隨海拔下降，噴嘴環開度逐漸增大；在固定海拔工作時，隨轉速增加，噴嘴環開度呈增加趨勢。

(3)高低負荷工況下需要采取的渦輪流量系數控制策略不同。對于高負荷工況，在高海拔工作時，隨著轉速增加，應適度減小渦輪流量系數，而在低海拔運行時，適當增大渦輪流量系數以防止增壓過度；高負荷工況的進氣壓力始終大于排氣壓力。在低負荷工況，采用渦輪流量系數較大即可滿足柴油機進氣需求，只有4 000 m以上海拔，進氣壓力大于排氣壓力。

(4)隨著負荷的降低，受增壓器效率、泵氣功等

因素的影響，最低燃油消耗運行點從低海拔低轉速區偏移至高海拔低轉速區。

(5)確定了全工況VNT系統的控制策略。隨著海拔的上升，相同工況點的渦輪流量系數逐漸減小；在3 000 m海拔以上工況，大部分工況點需采用最小渦輪流量系數來滿足柴油機的進氣需求。

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Control Strategy of Variable Nozzle Turbocharging System for Diesel Engine at Different Altitudes

ZHANG Huiyan1LI Hualei2LIU Sheng3SHI Lei1DENG Kangyao1YANG Zhenhuan3

(1.KeyLaboratoryforPowerMachineryandEngineering,MinistryofEducation,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China2.AVICCommercialAircraftEngineCo.，Ltd.，Shanghai200241，China3.ChinaNorthEngineResearchInstitute,Tianjin300400,China)

Aiming to achieve the goal of performance recovery of diesel engine at high altitude, a V-type six-cylinder diesel engine was determined via the parameter estimation and thermodynamics analysis for turbocharging scheme. The original matching scheme was not suitable for altitude varying in large range operation condition. A variable nozzle turbocharging system was matched for diesel engine and it showed that no fallacies existed from the operation lines. A simulation model was established with GT-Power software and verified by test data. The simulation model was applied to performance prediction under different working conditions. Then the operating performance of engine at different altitudes was calculated, including the external characteristics and part load characteristics. The control strategy of variable nozzle turbocharging system for full operation conditions can be obtained in the end. It showed that the air demand of diesel engine can be satisfied with small opening of nozzle ring at high altitude and full load condition, and the goal of power restoring would be achieved. The charging system needed to increase the opening of nozzle ring to improve engine performance with the drop of altitude. The opening of nozzle ring should be deduced generally as the altitude increased in the whole operation area, moreover, it needed to adopt the minimum nozzle ring opening if the altitude was above 3 000 m except under some low load conditions. The operating point of the lowest fuel consumption would transfer from low-speed and low-altitude area into low-speed and high-altitude area with the fall of engine load.

diesel engine; variable altitudes; variable nozzle turbocharger; boost system; control strategy; flow coefficient

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.047

2016-10-05

2016-11-05

國家安全重大基礎研究計劃(國防973計劃)項目(6132520202)

張慧龑(1988—)，男，博士生，主要從事內燃機增壓系統匹配與控制研究，E-mail： dragon9999@sjtu.edu.cn

鄧康耀(1961—)，男，教授，博士生導師，主要從事內燃機增壓與性能研究，E-mail： kydeng@sjtu.edu.cn

TK421+.8

A

1000-1298(2017)06-0356-09