基于GT-Power的8190柴油機渦輪增壓系統仿真研究

任運征 程倫 楊珂

摘 要：文章基于GT-Power仿真模擬軟件，以8190柴油機為基礎構建整機模型對渦輪增壓系統進行研究。通過更改不同的相繼渦輪增壓系統設置，如大小增壓器的位置、流量比和增壓器開閉，得到不同工況下的發動機運行參數并分析對比，使8190柴油機整機經濟性和動力性處于最佳。

關鍵詞：仿真模擬;相繼渦輪增壓系統;流量比

中圖分類號：U461.99? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-152-03

Simulation Research on Turbocharge System of 8190 Diesel Engine

Based on GT-Power

Ren Yunzheng， Cheng Lun， Yang Ke

（Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract： Based on GT-Power simulation software， this paper builds a model of the whole machine on the basis of 8190 diesel engine to study the turbocharging system. By changing the settings of different successive turbocharging systems， such as the position of the supercharger， the flow ratio and the opening and closing of the supercharger， the engine operating parameters under different operating conditions are obtained and analyzed and compared to make the 8190 diesel engine economic and power is at its best.

Keywords： Simulation; Successive turbocharging system; Flow ratio

CLC NO.： U461.99? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-152-03

引言

傳統的渦輪增壓系統已經難以滿足排放法規和性能需求。在此背景下，能適應內燃機各種工況的增壓系統呼之欲出。目前有相繼渦輪增壓、可變截面渦輪增壓和廢氣旁通增壓等研究成果得到大家的青睞，而相繼渦輪增壓又以諸多優勢被一直研究使用[1]。本文以8190柴油機模型為基礎尋找相繼增壓系統的最佳流量比以及大小渦輪的配合使用界限。

1 相繼渦輪增壓系統建模及計算

1.1 相繼渦輪增壓系統簡介

相繼渦輪增壓系統（Sequential Turbo Charging）簡稱STC系統，是指由多個渦輪增壓器并聯而成的增壓系統，通過不同的控制閥門分別對各個增壓器的工作狀況進行調節。[2]相繼增壓技術是解決柴油機與增壓器匹配矛盾，提高柴油機低工況性能的有效辦法之一，隨著發動機的負荷和轉速增加，增壓器陸續開始運行。在低轉速和小負荷時，通過控制閥門關閉其他增壓器渦輪機的廢氣供給和壓氣機的空氣流通，使廢氣集中流過工作的一個或少數渦輪，從而充分利用廢氣能量，解決小負荷時壓氣機和發動機不匹配引起的喘振問題，改善柴油機的經濟性、動力性以及排放特性。[3]隨著轉速增加和負荷變大，剩余的增壓器相繼開始工作，增加流通面積來保證發動機的高工況性能。

1.2 相繼增壓方案設計和分析

本文以8190柴油機模型為基礎，來解決相繼增壓系統大小渦輪的最佳流量比和配合切換點問題。初步考慮此切換點位置與小增壓器布置位置、大小增壓器流量比以及負荷有關。由此做出如下設計方案：小增壓器的位置設為邊置和中置兩種形式，每種形式根據大增壓器和小增壓器的流量比分為3：1、2：1、1：1三種方案，且每種方案有小增壓器開啟和關閉兩種情況。另外，在同一負荷下還需模擬出柴油機從低速到高速的運轉區間，通過仿真模擬求得這12種方案的油耗、排溫、功率等數據。然后都其他設置不變的情況下，分別更改負荷為80%、60%和40%，取出相應數據分析對比得到不同情況對柴油機性能的影響，并可對8190柴油機的相繼增壓系統做出最優化處理方案。

1.3 模型構建

將原柴油機唯一的增壓器改為大小兩個增壓器并聯的相繼增壓系統。并將小增壓器設為邊置和中置兩種布置形式，其中邊置小增壓器的渦輪進氣來源于第8缸，而大增壓器是將排氣總管中的廢氣直接導入渦輪機;中置小增壓器的渦輪進氣和大增壓器渦輪一樣來自排氣總管。

在這兩種模型的基礎上，針對上述十二種情況進行參數設置。然后在原機案例設置中增添600、700和1600r/min三個轉速的案例，以此來模擬出一個大范圍運轉區間，此時轉速分別為600、700、800、900、1000、1199、1300、1499、1600r/min，其余設置如點火提前角、噴射正時等全部相同，在同一負荷下噴油質量流量也相同，因為柴油機的負荷大小是由噴油量決定。另外根據大增壓器和小增壓器的流量比是3：1，還需在保證大小渦輪及大小壓氣機葉輪的質量流量系數是原機質量流量系數的前提下，將其按大增壓器/小增壓器為3：1修改后寫入案例設置中，其中原機的增壓器渦輪質量流量系數為3.95，壓氣機葉輪質量流量系數為1.15。其余的都按照相同方法設置，然后保存運行。將同一負荷下12種情況運算完之后，分別將負荷變為80%、60%和40%即將噴油量變為原來的80%、60%和40%，其余不變依次按照上述步驟進行模擬運算。

2 計算結果分析

2.1 油耗結果分析

小增壓器中置和邊置時各種相同情況下油耗一樣，可認為小增壓器的位置對柴油機的經濟性無影響。同時發現在低轉速時，小增壓器關閉的情況比開啟時油耗要低，而高轉速時則相反。因為在低轉速時，柴油機進氣少，廢氣能量不足以使增壓器渦輪達到合適轉速，此時開啟增壓器反而使柴油機負載增大，油耗因此升高;而高轉速時兩個增壓器一塊使用增加了渦輪的流通面積，使得油耗降低。[4]另外大增壓器/小增壓器的流量比3：1時，在1200r/min，由大增壓器開啟切換到大小增壓器同時開啟可保證柴油機經濟性最好;在大小增壓器流量比為2：1時，1100r/min時切換最合適;在流量比為1：1時，950r/min時切換最合適。大小增壓器流量比在1：1時有最低的油耗。其他條件不變，負荷減小時整體油耗上升，而且隨著負荷減小，大小增壓器切換時的轉速也有相應的提前。

2.2 排氣溫度結果分析

小增壓器位置與排溫無關。隨著大小增壓器流量比減小，最低轉速對應的排氣溫度也降低。當負荷不變，不論其他條件如何變化，小增壓器開啟時的排氣溫度都保持不變，這個溫度整體高于小增壓器關閉時的溫度。在負荷為100%中，大小增壓器流量比為3：1和2：1時，在600-1600r/min區間內，小增壓器關閉時的排溫一直低于開啟時的排溫;而當流量比變為1：1，在1360r/min時，小增壓器關閉時的溫度升高超過開啟時的溫度。在負荷減小時，小增壓器關閉和開啟時排溫的重合點相較于大負荷往后推遲。

2.3 有效功率結果分析

小增壓器位置對發動機的功率也無影響;在低轉速時，小增壓器關閉的情況發動機動力性要比小增壓器開啟時的好，高轉速時，雙增壓器開啟的動力性要好;每種情況運行時，動力性的好壞都有一個切換點，并且也是在大增壓器/小增壓器流量是1：1時，整個運行工作過程中發動機動力性最好。

3 結論

本文介紹了研究相繼增壓系統的實驗過程，得出了8190柴油機在各種不同工況下最佳的大小渦輪流量比分配以及大小增壓器配合切換點，并且小增壓器位置對發動機性能無影響。

參考文獻

[1] 于恩程.柴油機相繼增壓切換過程的穩定性研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學， 2012.

[2] 吳旭艷，張克松，劉瑩，等.相繼渦輪增壓的發展[J].內燃機與動力裝置，2010，6：1-6.

[3] 張哲，王希波，鄧康耀.相繼渦輪增壓系統對D6114型柴油機性能的影響[J].農業機械學報，2008， 39（5）： 30-35.

[4] 王希波，張哲，鄧康耀.相繼增壓柴油機切換過程瞬態特性實驗系統[J].農業機械學報， 2007， 38（7）： 46-48.