變海拔柴油機(jī)可變噴嘴增壓系統(tǒng)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(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241； 3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所， 天津 300400)

變海拔柴油機(jī)可變噴嘴增壓系統(tǒng)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(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241； 3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所， 天津 300400)

根據(jù)柴油機(jī)的變海拔性能恢復(fù)目標(biāo)，通過(guò)熱力學(xué)分析，對(duì)某V型6缸柴油機(jī)增壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行估算，確定了可變噴嘴式的增壓系統(tǒng)方案，并選擇了合適的匹配點(diǎn)，完成了渦輪增壓器的選配?；谠瓩C(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用GT-Power軟件建立了性能仿真模型并完成了校核，分別計(jì)算了匹配可變噴嘴增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)外特性和部分負(fù)荷的變海拔性能，最終確定了增壓系統(tǒng)的全工況控制策略。研究結(jié)果表明：在外特性工況下，基于高海拔匹配的增壓系統(tǒng)通過(guò)采用較小的噴嘴環(huán)開(kāi)度可以滿(mǎn)足增壓系統(tǒng)的功耗需求，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)；隨著海拔的降低，增壓系統(tǒng)可以根據(jù)進(jìn)氣功耗的變化適當(dāng)增大噴嘴環(huán)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)增壓系統(tǒng)變海拔控制目標(biāo)，同時(shí)，保證柴油機(jī)的正常運(yùn)行；在全工況范圍內(nèi)，隨著海拔的上升，柴油機(jī)對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的噴嘴環(huán)開(kāi)度逐漸減小，在3 000 m以上海拔的高負(fù)荷工況采用最小噴嘴環(huán)開(kāi)度。隨著負(fù)荷的降低，最低燃油消耗運(yùn)行點(diǎn)從低海拔低轉(zhuǎn)速區(qū)偏移至高海拔低轉(zhuǎn)速區(qū)。

柴油機(jī)； 變海拔； 可變噴嘴； 增壓系統(tǒng)； 控制策略； 流量系數(shù)

引言

渦輪增壓技術(shù)可以顯著提升柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在提高功率密度的同時(shí)滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的油耗和排放指標(biāo)。但是，由于柴油機(jī)與渦輪增壓器之間沒(méi)有直接的機(jī)械連接，且往復(fù)機(jī)械與回轉(zhuǎn)機(jī)械的流通特性和工作原理不同，使得柴油機(jī)和增壓器無(wú)法在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的聯(lián)合運(yùn)行[1-3]。通常在增壓系統(tǒng)匹配時(shí)，選擇合適的柴油機(jī)工況點(diǎn)作為匹配點(diǎn),通過(guò)計(jì)算匹配點(diǎn)處柴油機(jī)的進(jìn)氣需求來(lái)選擇合適的壓氣機(jī)，再根據(jù)做功能力選擇能夠滿(mǎn)足壓氣機(jī)耗功的渦輪，使得渦輪增壓器在滿(mǎn)足柴油機(jī)需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較高的效率，從而完成渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配[4-6]。

但在實(shí)際工作時(shí)，柴油機(jī)往往處于不斷變化的工況之中，因此，柴油機(jī)的進(jìn)氣需求和排氣能量并不恒定，而壓氣機(jī)和渦輪效率也不斷變化。對(duì)于車(chē)用柴油機(jī)，全工況運(yùn)行范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣需求和排氣能量差異很大，同時(shí)，部分工況點(diǎn)可能出現(xiàn)效率過(guò)低或是靠近渦輪增壓器的工作邊界的現(xiàn)象，這就需要調(diào)節(jié)增壓系統(tǒng)的等效渦輪面積，以適應(yīng)柴油機(jī)不同工況的需求，達(dá)到性能優(yōu)化的目的。近年來(lái)，可變噴嘴型渦輪增壓系統(tǒng)(VNT)的出現(xiàn)并投入使用，一定程度上解決了增壓器和柴油機(jī)的匹配問(wèn)題[7-9]。可變噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)通過(guò)分段或連續(xù)改變渦輪截面積，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同工況下的過(guò)量空氣系數(shù)。在柴油機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，減小渦輪噴嘴流通面積，提高增壓壓力，從而改善柴油機(jī)的低速特性；柴油機(jī)高速工作時(shí)，增大渦輪噴嘴流通面積，使增壓壓力不至于過(guò)高。理論上，可以與柴油機(jī)在較寬的工況下實(shí)現(xiàn)良好的匹配[10-12]。但是，當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在變海拔工況時(shí)，外界環(huán)境的變化使得柴油機(jī)的進(jìn)氣和排氣條件都產(chǎn)生了很大變化，柴油機(jī)在高原運(yùn)行與平原運(yùn)行時(shí)的性能差異明顯[13]。傳統(tǒng)的增壓器平原匹配很少考慮到海拔變化的影響，也沒(méi)有針對(duì)變海拔工況制定專(zhuān)門(mén)的控制策略，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨海拔升高而迅速下降，柴油機(jī)和增壓系統(tǒng)運(yùn)行甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[14-18]。顯然，在平原或固定海拔制定的控制策略不能滿(mǎn)足柴油機(jī)變海拔高效運(yùn)行的需求。

本文針對(duì)變海拔運(yùn)行過(guò)程中，柴油機(jī)性能下降和增壓系統(tǒng)的控制復(fù)雜化的問(wèn)題，建立柴油機(jī)一維仿真模型，根據(jù)柴油機(jī)變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)進(jìn)行增壓系統(tǒng)的參數(shù)估算，匹配適應(yīng)變海拔工況的可變噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)。通過(guò)柴油機(jī)變海拔仿真計(jì)算，分別研究外特性和部分負(fù)荷對(duì)應(yīng)的不同增壓系統(tǒng)控制策略，最終確定變海拔增壓系統(tǒng)的全工況控制策略。

1 仿真模型的建立與校核

發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。原機(jī)采用V型布置方式，普通單級(jí)增壓方案，有2個(gè)對(duì)稱(chēng)安裝的增壓器和2個(gè)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(jù)柴油機(jī)的管系尺寸，采用一維簡(jiǎn)化方式建立進(jìn)排氣管路模型；采用韋伯模型模擬缸內(nèi)燃燒過(guò)程，Woschni模型模擬傳熱過(guò)程，渦輪增壓器通過(guò)渦輪和壓氣機(jī)特性圖譜離散形式輸入，從而建立原機(jī)仿真模型。采用原機(jī)在海拔3 000 m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校核，其對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 平原和3 000 m海拔工況仿真與原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison of simulated and measured data at sea level and 3 000 m altitude

可以看出，原機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以很好地吻合，最大誤差都在5%之內(nèi)；標(biāo)定轉(zhuǎn)速的缸壓計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)也很接近。說(shuō)明所建立的仿真模型具有足夠高的精度，可以滿(mǎn)足計(jì)算分析要求。

2 變海拔可變噴嘴增壓系統(tǒng)的匹配

2.1 原機(jī)變海拔壓氣機(jī)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(fù)需求，在3 000 m以下海拔,需實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)100%的功率恢復(fù)；在4 500 m海拔，柴油機(jī)功率達(dá)到了原機(jī)的85%。根據(jù)3 000 m海拔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)油耗線(xiàn)法得到3 000 m海拔柴油機(jī)的機(jī)械效率ηmH。機(jī)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(jī)械損失PiH——變海拔條件下的指示功率

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不變時(shí)，摩擦功率與大氣狀態(tài)變化關(guān)系不大，可認(rèn)為PmH為常數(shù)，即不隨海拔高度而變化。柴油機(jī)的變海拔燃油消耗率可通過(guò)燃油消耗率和機(jī)械效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到

beH=beηm/ηmH

(2)

由內(nèi)燃機(jī)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(jī)不同工況的進(jìn)氣管溫度可看作定值，因此進(jìn)氣流量與增壓壓力呈正比，柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所需氣量和增壓壓力為

(3)

(4)

折合流量為

(5)

式中Pe——柴油機(jī)有效功率be——燃油消耗率Tin——進(jìn)氣溫度α——空燃比pin——增壓壓力T0——環(huán)境溫度p0——環(huán)境壓力

圖3 原機(jī)變海拔壓氣機(jī)運(yùn)行圖Fig.3 Operating points on compressor map of original engine at different altitudes

根據(jù)原機(jī)的性能參數(shù)和變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)，估算增壓系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。柴油機(jī)最大扭矩運(yùn)行點(diǎn)逐漸靠近壓氣機(jī)喘振線(xiàn)，喘振裕度不斷減??；而標(biāo)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)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(guò)原機(jī)壓氣機(jī)最高轉(zhuǎn)速線(xiàn)，導(dǎo)致壓氣機(jī)出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行的情況，如圖3所示。這表明在平原工況匹配的原機(jī)增壓器已經(jīng)不能滿(mǎn)足柴油機(jī)變海拔工況的需求，必須調(diào)整增壓系統(tǒng)的匹配方案，以提高增壓柴油機(jī)的變海拔適應(yīng)性。

2.2 可變噴嘴增壓系統(tǒng)的匹配

為滿(mǎn)足變海拔功率恢復(fù)目標(biāo)，選擇海拔4 500 m的最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速作為匹配點(diǎn)，盡量使外特性運(yùn)行點(diǎn)位于壓氣機(jī)的最高效率區(qū)，保證壓氣機(jī)特性滿(mǎn)足變海拔工況柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的耗氣特性需求。增壓系統(tǒng)參數(shù)的估算結(jié)果與最終選配的壓氣機(jī)特性對(duì)比如圖4所示。可以看出，所選配的壓氣機(jī)能夠滿(mǎn)足海拔4 500 m標(biāo)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的折合流量要求，而最大扭矩點(diǎn)在3個(gè)海拔下的運(yùn)行點(diǎn)都位于壓氣機(jī)的高效率區(qū)，并且有一定的喘振裕度。

圖4 壓氣機(jī)匹配運(yùn)行圖Fig.4 Operation points on matched compressor map

確定壓氣機(jī)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(jù)匹配點(diǎn)的壓比和進(jìn)氣流量，基于原機(jī)3 000 m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取渦輪前溫度為720℃，渦輪增壓器總效率為0.52，計(jì)算得到選配渦輪所需的膨脹比和相似流量，并根據(jù)計(jì)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(tǒng)的選配。

3 外特性變海拔流動(dòng)控制策略

通過(guò)性能仿真計(jì)算，柴油機(jī)外特性的功率和油耗的變海拔計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6?？梢钥闯?，采用所匹配的增壓系統(tǒng)，在0～3 000 m海拔范圍內(nèi)柴油機(jī)可以維持原準(zhǔn)機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)功率不下降；在海拔4 500 m，各轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)功率達(dá)到了原機(jī)的85%恢復(fù)目標(biāo)。各轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率隨海拔上升而逐漸增加，經(jīng)濟(jì)性變差。海拔從0 m升至3 000 m時(shí)，柴油機(jī)最低燃油消耗率從233.2 g/(kW·h)增加到239.4 g/(kW·h)，當(dāng)海拔為4 500 m時(shí)，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)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(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速始終維持在1 700 r/min左右。

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

圖6 外特性變海拔經(jīng)濟(jì)性對(duì)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(xiàn)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(xiàn)。隨著海拔上升，各轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下有所不同；隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的空燃比仍然高于低轉(zhuǎn)速。由于進(jìn)氣量的減小，在相同的壓縮比下使得進(jìn)氣過(guò)程終止時(shí)氣缸內(nèi)溫度和壓力降低，這就使得柴油機(jī)熱力循環(huán)P-V示功圖中的高壓循環(huán)部分的做功能力減小?？杖急鹊南陆祵?dǎo)致柴油機(jī)燃燒放熱過(guò)程的有效熱效率下降，使得燃油消耗率增加，經(jīng)濟(jì)性惡化。

外特性最大扭矩點(diǎn)和標(biāo)定轉(zhuǎn)速的增壓壓力和壓比隨海拔的變化曲線(xiàn)如圖8所示。可以看出，隨著海拔上升，增壓壓力逐漸降低；但增壓系統(tǒng)的壓比隨海拔高度的上升而逐漸增加。海拔高度的升高導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)口壓力減小，為滿(mǎn)足柴油機(jī)增壓的需求，需要通過(guò)減小噴嘴環(huán)截面積來(lái)提高壓比。2個(gè)轉(zhuǎn)速下壓比與增壓系統(tǒng)參數(shù)估算的計(jì)算結(jié)果相差不大，這表明之前的參數(shù)估算過(guò)程也具有較好的精度。

根據(jù)VNT的工作特性，定義不同工況下渦輪質(zhì)量流量與基準(zhǔn)渦輪質(zhì)量流量的比值為渦輪流量系數(shù)，即大渦流流量系數(shù)對(duì)應(yīng)大噴嘴環(huán)開(kāi)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(shù)為其渦輪流量與海拔4 500 m渦輪流量的比值。相對(duì)于噴嘴環(huán)的開(kāi)度，采用渦輪流量系數(shù)作為控制變量能夠使控制策略更具有通用性。通過(guò)計(jì)算，變海拔外特性工況的控制策略和壓氣機(jī)運(yùn)行線(xiàn)如圖9所示。同一轉(zhuǎn)速下渦輪流量系數(shù)隨海拔上升而減小，在3 000 m以上海拔工況，由于環(huán)境壓力下降明顯，需要通過(guò)減小噴嘴環(huán)開(kāi)度得到較小的渦輪流量系數(shù)，以滿(mǎn)足柴油機(jī)的進(jìn)氣需求。根據(jù)高海拔工況所匹配渦輪在平原工況運(yùn)行時(shí)，其做功能力大于壓氣機(jī)的功耗需求，因此，需要通過(guò)增大噴嘴環(huán)開(kāi)度，防止增壓過(guò)度，避免出現(xiàn)過(guò)高的爆發(fā)壓力和機(jī)械負(fù)荷過(guò)大的狀況。低海拔地區(qū)，隨轉(zhuǎn)速增加，渦輪流量系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速工況靠近增壓系統(tǒng)的匹配點(diǎn)，運(yùn)行點(diǎn)處在壓氣機(jī)的高效率區(qū)域，導(dǎo)致在低速時(shí)得到目標(biāo)增壓壓力所需的壓氣機(jī)功耗變化較??；在高轉(zhuǎn)速工況，雖然壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的效率相對(duì)較低，但此時(shí)柴油機(jī)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(shù)以防止壓氣機(jī)超速和增壓壓力過(guò)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(fù)荷變海拔流動(dòng)控制策略

在確定了外特性渦輪噴嘴環(huán)開(kāi)度控制策略后，將針對(duì)高低負(fù)荷工況進(jìn)行仿真計(jì)算，從而確定適用于部分負(fù)荷工況的增壓器控制策略。選取每個(gè)轉(zhuǎn)速外特性的80%負(fù)荷作為高負(fù)荷工況，20%負(fù)荷作為低負(fù)荷工況進(jìn)行研究。針對(duì)每個(gè)工況點(diǎn)調(diào)整渦輪噴嘴環(huán)開(kāi)度，通過(guò)分析高低負(fù)荷工況下柴油機(jī)的性能變化規(guī)律，確定合適的VNT系統(tǒng)的控制策略。

4.1 高負(fù)荷工況增壓系統(tǒng)變海拔控制策略

通過(guò)仿真計(jì)算，獲得合理的增壓系統(tǒng)變海拔控制策略。在最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷工況，渦輪流量系數(shù)對(duì)柴油機(jī)變海拔性能的影響規(guī)律如圖10所示。為了達(dá)到功率恢復(fù)要求，需要保證柴油機(jī)的增壓壓力在0～3 000 m海拔范圍內(nèi)基本不變，從而保證滿(mǎn)足柴油機(jī)正常燃燒所需的進(jìn)氣量。從圖10中可以看出,在海拔3 000 m以上時(shí)，為將增壓壓力恢復(fù)到平原水平，需要選取較小的渦輪流量系數(shù)來(lái)提高壓比；但隨著海拔高度的下降，壓氣機(jī)進(jìn)口壓力逐漸增大，增壓系統(tǒng)不需要提供很高的壓比來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)增壓壓力，因此渦輪流量系數(shù)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(jī)泵氣正功不斷減小，造成經(jīng)濟(jì)性下降。

高負(fù)荷工況變海拔渦輪流量系數(shù)的控制策略以及相應(yīng)的進(jìn)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(tǒng)的壓比需求逐漸減小，同一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的渦輪流量系數(shù)不斷加大；而同一海拔下，隨著轉(zhuǎn)速升高，壓氣機(jī)運(yùn)行線(xiàn)逐漸遠(yuǎn)離高效區(qū)，需適當(dāng)減小渦輪流量系數(shù)以滿(mǎn)足柴油機(jī)的進(jìn)氣需求；在低海拔下由于壓氣機(jī)進(jìn)口壓力逐漸增大，增壓系統(tǒng)所需提供的壓比逐漸減小，同時(shí)渦輪后背壓升高，因此需逐漸增大渦輪流量系數(shù)以防止增壓過(guò)度，但這將使廢氣所做的膨脹功減小，導(dǎo)致增壓系統(tǒng)效率下降。同時(shí)，在同一海拔高度，進(jìn)排氣壓力比隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸下降，且高海拔區(qū)下降更明顯；對(duì)于同一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)排氣壓力比隨著海拔高度的下降逐漸增大，說(shuō)明泵氣過(guò)程逐漸惡化。

高負(fù)荷工況柴油機(jī)變海拔燃油消耗率如圖12所示?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)速增加柴油機(jī)的泵氣正功減小，柴油機(jī)的最低燃油消耗率出現(xiàn)在低海拔低轉(zhuǎn)速工況。此時(shí)，增壓系統(tǒng)效率較高，泵氣正功較大，空燃比較高，燃燒條件較好。可見(jiàn)，雖然通過(guò)增壓系統(tǒng)噴嘴的控制使柴油機(jī)在變海拔工況的動(dòng)力性能得到了改善，但在高海拔下柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性仍相對(duì)平原或低海拔工況有所惡化。

圖10 高負(fù)荷工況控制策略對(duì)柴油機(jī)性能的影響Fig.10 Influence of control strategy on engine performance under high load condition

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

圖12 高負(fù)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(fù)荷工況增壓系統(tǒng)變海拔控制策略

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

低負(fù)荷工況變海拔渦輪控制策略以及進(jìn)排氣壓力比的變化情況如圖13所示。與高負(fù)荷工況相似，隨著海拔的升高，增壓系統(tǒng)的壓比需求逐漸增加，同一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的渦輪流量系數(shù)不斷減小。但是，由于低負(fù)荷工況所需增壓系統(tǒng)的供氣量較小，尤其在低海拔運(yùn)行時(shí)，不需要較高的增壓壓力，對(duì)應(yīng)的渦輪流量系數(shù)較大。隨著轉(zhuǎn)速的增加，排氣能量逐漸增大，渦輪做功能力加強(qiáng)，為降低泵氣損失以提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，需增大噴嘴截面積以降低柴油機(jī)的排氣背壓。在相同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)排氣壓力比也隨著海拔高度的下降逐漸減小，與高負(fù)荷工況呈相反的變化趨勢(shì)。在同一海拔高度，進(jìn)排氣壓力比隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大；這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速工況柴油機(jī)排氣量大，排氣做功能力強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的增壓壓力較高，同時(shí)，噴嘴環(huán)開(kāi)度增大也使得高轉(zhuǎn)速的排氣背壓下降。

圖14 低負(fù)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(fù)荷工況變海拔燃油消耗率的變化如圖14所示。在低負(fù)荷工況下，柴油機(jī)的最低燃油消耗率出現(xiàn)在高海拔低轉(zhuǎn)速工況；這是由于只有高海拔工作區(qū)，柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力大于排氣壓力，加之增壓系統(tǒng)效率較高，故而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fù)荷工況控制策略決定的。在柴油機(jī)低負(fù)荷工況時(shí)，由于循環(huán)噴油量較小，其所需提供的增壓壓力也較低，使得壓氣機(jī)壓比都很小，其所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)效率變化不大。在高海拔工況下噴嘴環(huán)開(kāi)度較小，隨著海拔的降低噴嘴環(huán)逐漸打開(kāi)，使得渦輪增壓器總效率也逐漸下降，柴油機(jī)熱力循環(huán)中的泵氣過(guò)程逐漸惡化，導(dǎo)致燃油消耗率逐漸增加。

5 全工況變海拔流動(dòng)控制策略

根據(jù)外特性和部分負(fù)荷的增壓系統(tǒng)控制策略分析結(jié)果，可以得到該柴油機(jī)應(yīng)用可變截面增壓系統(tǒng)進(jìn)行變海拔功率恢復(fù)所需采取的全工況渦輪流量系數(shù)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(tǒng)的進(jìn)氣壓力降低，對(duì)于相同轉(zhuǎn)速、相同平均有效壓力的柴油機(jī)工況點(diǎn)，噴嘴環(huán)開(kāi)度應(yīng)逐漸減小，以滿(mǎn)足柴油對(duì)增壓器的進(jìn)氣需求。在低海拔工況，相同平均有效壓力下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，噴嘴環(huán)開(kāi)度呈先減小后增大的趨勢(shì)。在同一海拔和轉(zhuǎn)速下，隨著平均有效壓力增加，噴嘴環(huán)開(kāi)度呈逐漸減小趨勢(shì)。在平原高轉(zhuǎn)速工況，增壓系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力較高，而柴油機(jī)對(duì)增壓系統(tǒng)的壓比需求不高，同時(shí)，排氣能量充足，因此需要較大渦輪噴嘴環(huán)面積，防止爆壓過(guò)高和壓氣機(jī)超速；在低轉(zhuǎn)速區(qū)工況，靠近增壓系統(tǒng)匹配點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的噴嘴環(huán)開(kāi)度較大；在3 000 m以上的大多數(shù)工況點(diǎn)，需要選取最小噴嘴環(huán)開(kāi)度，以提高柴油機(jī)變海拔適應(yīng)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(jié)論

(1)通過(guò)仿真計(jì)算，柴油機(jī)匹配的可變噴嘴增壓系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)變海拔的功率恢復(fù)目標(biāo)。

(2)對(duì)于柴油機(jī)外特性，高海拔工況，需要取較小的渦輪流量系數(shù)來(lái)提高渦輪做功能力。在同一轉(zhuǎn)速下隨海拔下降，噴嘴環(huán)開(kāi)度逐漸增大；在固定海拔工作時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增加，噴嘴環(huán)開(kāi)度呈增加趨勢(shì)。

(3)高低負(fù)荷工況下需要采取的渦輪流量系數(shù)控制策略不同。對(duì)于高負(fù)荷工況，在高海拔工作時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，應(yīng)適度減小渦輪流量系數(shù)，而在低海拔運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)增大渦輪流量系數(shù)以防止增壓過(guò)度；高負(fù)荷工況的進(jìn)氣壓力始終大于排氣壓力。在低負(fù)荷工況，采用渦輪流量系數(shù)較大即可滿(mǎn)足柴油機(jī)進(jìn)氣需求，只有4 000 m以上海拔，進(jìn)氣壓力大于排氣壓力。

(4)隨著負(fù)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(yùn)行點(diǎn)從低海拔低轉(zhuǎn)速區(qū)偏移至高海拔低轉(zhuǎn)速區(qū)。

(5)確定了全工況VNT系統(tǒng)的控制策略。隨著海拔的上升，相同工況點(diǎn)的渦輪流量系數(shù)逐漸減?。辉? 000 m海拔以上工況，大部分工況點(diǎn)需采用最小渦輪流量系數(shù)來(lái)滿(mǎn)足柴油機(jī)的進(jìn)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(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃(國(guó)防973計(jì)劃)項(xiàng)目(6132520202)

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

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

TK421+.8

A

1000-1298(2017)06-0356-09