應(yīng)用電動(dòng)增壓器改善渦輪增壓柴油機(jī)高原低溫帶載起動(dòng)性能的研究

凌建群，周磊磊

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

0 引言

SC7H渦輪增壓柴油機(jī)匹配工程機(jī)械壓路機(jī)，市場(chǎng)應(yīng)用反應(yīng)較好；但是，用戶抱怨在3 700 m高原低溫下，起動(dòng)困難。由于工程機(jī)械液壓系統(tǒng)負(fù)載無法與發(fā)動(dòng)機(jī)分離，所以發(fā)動(dòng)機(jī)是帶載起動(dòng)的。實(shí)車采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，SC7H發(fā)動(dòng)機(jī)著火后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升緩慢，增壓壓力基本接近大氣壓，待發(fā)動(dòng)機(jī)脫離起動(dòng)過程，且轉(zhuǎn)速升至怠速后，增壓壓力才明顯高于大氣壓力。

根據(jù)SC7H發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)過程情況及用戶車輛的實(shí)際使用情況，考慮通過提高起動(dòng)過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，來提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)時(shí)的空氣溫度和密度，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)著火條件，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)著火后的扭矩輸出。首先，分析了幾種能提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的方案；然后，采用模擬方式，對(duì)最佳方案 （電動(dòng)增壓器）改善柴油機(jī)高原低溫帶載起動(dòng)性能進(jìn)行研究，為后續(xù)實(shí)際使用提供指導(dǎo)。

1 提高高原低溫起動(dòng)時(shí)進(jìn)氣量方案

SC7H增壓柴油機(jī)，采用單級(jí)增壓系統(tǒng)，增壓器為廢氣旁通渦輪增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見表1。其匹配工程機(jī)械壓路機(jī)，在3 700 m高原低溫起動(dòng)的詳細(xì)過程見圖1。

表1 原機(jī)基本參數(shù)及開發(fā)目標(biāo)

1.1 使用更小增壓器

增加高原低溫起動(dòng)時(shí)進(jìn)氣量，可以考慮減小增壓器尺寸，使低轉(zhuǎn)速時(shí) （如300 r／min以上）增壓器更早且更容易介入發(fā)動(dòng)機(jī)工作。但是，需要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率輸出，同時(shí)還需要保證發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的高原能力，兼顧高低速性能。采用小增壓器，雖能改善發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的進(jìn)氣量，但不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能，而且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程帶載能力提高的幅度有限。因此，本次研究中不考慮此方案。

1.2 使用VGT增壓器

除了減小增壓器尺寸，還可以使用可變截面增壓器 （variable geometry turbocharger，VGT） 來改善低轉(zhuǎn)速進(jìn)氣，同時(shí)保證高轉(zhuǎn)速性能。但是，配置VGT增壓器不僅僅需要更改增壓器，還需要ECU同時(shí)支持VGT執(zhí)行器控制，涉及到增壓器重新匹配、發(fā)動(dòng)機(jī)性能重新標(biāo)定，周期長(zhǎng)，無法較快解決用戶抱怨。同時(shí)VGT成本高，不適宜售后市場(chǎng)改裝，因此，VGT方案待后續(xù)研究。

1.3 使用電動(dòng)增壓器

在原發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電動(dòng)增壓器，同時(shí)在電動(dòng)增壓器下游增加旁通閥，相當(dāng)于串聯(lián)的2級(jí)增壓。電動(dòng)增壓器有3種布置方式： （1）在原機(jī)渦輪增壓器前；（2）在中冷器前；（3）在中冷器后?？紤]到市場(chǎng)現(xiàn)有工程機(jī)械管路更改及布置的便利性，本研究只考慮第1種布置方式，即電動(dòng)增壓器布置在渦輪增壓器前，如圖2［1］所示。

由圖2可以看出，新鮮空氣經(jīng)空氣濾清器后，先進(jìn)入電動(dòng)增壓器的壓氣機(jī) （低壓級(jí)）壓縮，再進(jìn)入原機(jī)渦輪增壓器的壓氣機(jī) （高壓級(jí)）被進(jìn)一步壓縮，再由中冷器冷卻后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管。增加電動(dòng)增壓器可以提高進(jìn)入渦輪增壓器壓氣機(jī)的空氣壓力，從而可提高起動(dòng)時(shí)的增壓比［2］。

經(jīng)對(duì)上述幾種增加進(jìn)氣量的方案比較和分析，認(rèn)為采用電動(dòng)增壓器方案，無需進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)，可快速有效地改善柴油機(jī)高原低溫帶載起動(dòng)性能。

2 建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型及校準(zhǔn)

使用AVL BOOST軟件，對(duì)SC7H渦輪增壓柴油機(jī) （原機(jī)）建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型。校準(zhǔn)參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油消耗率、爆發(fā)壓力、中冷器進(jìn)口壓力、中冷器進(jìn)口溫度、渦前排氣壓力、排氣溫度等。采用實(shí)際氣缸壓力曲線計(jì)算放熱率，同時(shí)計(jì)算出Vibe函數(shù)相關(guān)參數(shù)。原機(jī)模型見圖3，模型計(jì)算邊界條件見表2。反復(fù)調(diào)試、校準(zhǔn)模型后，標(biāo)定工況時(shí)的計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果見表3，燃油消耗率和爆發(fā)壓力對(duì)比結(jié)果見圖4～5。

由表3可知，標(biāo)定工況時(shí)的燃油消耗率、爆發(fā)壓力計(jì)算值和試驗(yàn)值非常吻合，增壓器相關(guān)參數(shù)誤差在1%以內(nèi)?？紤]實(shí)際試驗(yàn)時(shí)管路布置情況，該誤差可以接受，此發(fā)動(dòng)機(jī)模型能夠反映實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況。

表2 模型計(jì)算邊界條件

表3 標(biāo)定工況試驗(yàn)值和計(jì)算值

3 提高起動(dòng)時(shí)進(jìn)氣量效果

實(shí)際采集3 700 m高原起動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比接近1。假設(shè)將增壓比提高30%，即起動(dòng)過程中增壓比達(dá)到1．3，計(jì)算起動(dòng)過程中倒拖轉(zhuǎn)速時(shí)缸內(nèi)壓縮溫度及著火后的起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)的平均有效壓力 （Brake Mean Effective Pressure，BMEP）。

以上假設(shè)將增壓比提高30%，是基于市場(chǎng)上一般電動(dòng)增壓器的壓氣機(jī)特性，即其最高增壓比一般在1．4～1．5，考慮到電動(dòng)增壓器的能力和使用裕度，選增壓比1．3作為計(jì)算分析起點(diǎn)。

渦輪增壓器的壓氣機(jī)特性是在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下測(cè)得的。因3 700 m環(huán)境壓力為64 kPa，故評(píng)估壓氣機(jī)時(shí)，需將實(shí)際進(jìn)氣流量進(jìn)行修正，才能真實(shí)反映渦輪增壓器在3 700 m時(shí)的壓氣機(jī)特性。壓氣機(jī)流量修正計(jì)算公式［3］如下：

式中：qm，cor為修正后的壓氣機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg／s；qm為壓氣機(jī)實(shí)際進(jìn)氣流量， kg／s；為壓氣機(jī)進(jìn)口實(shí)際溫度，K；為壓氣機(jī)進(jìn)口實(shí)際壓力，kPa。

3 700 m時(shí)原機(jī)和增壓比提高30%機(jī)型的起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)的進(jìn)氣流量見表4。3 700 m時(shí)增壓比提高30%后，壓氣機(jī)入口壓力接近環(huán)境壓力，進(jìn)氣溫度為0℃。

表4 起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)壓氣機(jī)所能提供進(jìn)氣流量

采用原機(jī)Boost模型進(jìn)行分析。原機(jī)Boost模型中增壓器采用簡(jiǎn)單模型，即渦端設(shè)計(jì)計(jì)算模式。提高增壓比30%，對(duì)比分析起動(dòng)過程中進(jìn)氣流量、BMEP，過量空氣系數(shù)等，對(duì)比結(jié)果見圖6～8；200 r／min倒拖工況時(shí)的缸內(nèi)壓力和溫度對(duì)比結(jié)果見圖9～10。其中，300 r／min以下為倒拖工況，300 r／min及以上為發(fā)動(dòng)機(jī)著火后工況。

由圖6～10可以看出，增壓比提高30%后，3 700 m低溫起動(dòng)時(shí)，倒拖工況的壓縮溫度、壓縮壓力、進(jìn)氣流量均有提高，且發(fā)動(dòng)機(jī)著火后的BMEP、過量空氣系數(shù)等也有所提高。400 r／min時(shí)的BMEP可提高25%，有利于帶載起動(dòng)。200 r／min倒拖工況的缸內(nèi)最高溫度和最高壓力對(duì)比結(jié)果見表5；最高壓縮溫度可提高35℃，最高壓縮壓力可提高0．771 MPa。

表5 200 r／min倒拖工況缸內(nèi)最高溫度和壓力

4 電動(dòng)增壓器串聯(lián)模型建立及計(jì)算

在原機(jī)Boost模型上，增加電動(dòng)增壓器、旁通閥及相關(guān)管路，模型見圖11。計(jì)算邊界條件與表2相同。

由前述內(nèi)容可知，3 700 m發(fā)動(dòng)機(jī)800 r／min增壓比為1．3時(shí)，修正后的壓氣機(jī)進(jìn)氣流量為0．066 kg／s，初步選擇電動(dòng)增壓器的壓氣機(jī)直徑55 mm。同時(shí)，針對(duì)電動(dòng)增壓器不同功率電機(jī)，計(jì)算1 kW和2 kW電機(jī)時(shí)的BMEP、進(jìn)氣流量、缸內(nèi)最高壓力，并與原機(jī)對(duì)比，結(jié)果見圖12～15。由圖12～15可以看出，300 r／min以下倒拖轉(zhuǎn)速，在提高進(jìn)氣流量方面，1 kW電機(jī)和2 kW電機(jī)對(duì)電動(dòng)增壓器的作用無差異，但均明顯優(yōu)于原機(jī)狀態(tài)；著火后轉(zhuǎn)速時(shí)，2 kW電機(jī)對(duì)BMEP提升效果優(yōu)于1 kW電機(jī)。因此，1 kW電機(jī)和2 kW電機(jī)均可用于試驗(yàn)驗(yàn)證。選用1 kW電機(jī)，將起動(dòng)轉(zhuǎn)速50～800 r／min時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行線繪制在電動(dòng)增壓器及原機(jī)增壓器的特性圖上，見圖16。

由圖16可以看出，3 700 m起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行線，電動(dòng)增壓器上50～200 r／min倒拖工況運(yùn)行點(diǎn)已到喘振線外，此處要求電動(dòng)增壓器在很小的進(jìn)氣流量下達(dá)到較高的增壓比，這對(duì)所有壓氣機(jī)來說非常困難。建議在電動(dòng)增壓器出口增加防喘振閥，解決喘振問題；同時(shí)，可以看出隨著進(jìn)氣流量增加，增壓比逐漸降低，這是由于電機(jī)功率已達(dá)1 kW，隨著進(jìn)氣流量增加，增壓器轉(zhuǎn)速降低，所以增壓比逐漸降低。

從圖16中原機(jī)增壓器壓氣機(jī)特性圖上可以看出，起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行線集中在壓氣機(jī)特性圖左下角?？紤]到電動(dòng)增壓器僅在起動(dòng)中工作，因發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作區(qū)域 （怠速以上）廢氣渦輪增壓器工作邊界不變，故暫不對(duì)原機(jī)廢氣渦輪增壓器進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)論

為解決SC7H工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的3 700 m高原低溫帶載起動(dòng)困難的用戶抱怨，嘗試采用提高增壓比的方法驗(yàn)證對(duì)起動(dòng)中倒拖轉(zhuǎn)速工況的壓縮溫度和壓縮壓力的效果。分析表明，提高增壓比可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)高原低溫帶載起動(dòng)性能。

在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上增加電動(dòng)增壓器 （空濾后），可提高增壓比，使倒拖起動(dòng)時(shí)的缸內(nèi)壓縮溫度、著火后的扭矩明顯提高，可以改善高原低溫帶載起動(dòng)能力。同時(shí)，電動(dòng)增壓器工作時(shí)，為防止倒拖轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生喘振，建議在電動(dòng)增壓器出口增加防喘振閥。本研究為實(shí)際改善3 700 m高原低溫帶載起動(dòng)提供了方向及參考數(shù)據(jù)。