一款柴油機(jī)匹配兩級(jí)增壓器的試驗(yàn)分析

尚 明 姜 山 吳旭陵 曹家駿 高 祥 胡建月

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司商用車(chē)技術(shù)中心，上海 200438）

0 前言

隨著渦輪增壓技術(shù)的不斷革新，增壓柴油機(jī)的數(shù)量也越來(lái)越多。應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)可以改善柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等諸多性能。傳統(tǒng)單級(jí)渦輪增壓器無(wú)法同時(shí)兼顧低速大扭矩和高速高功率的運(yùn)行要求。目前，國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)開(kāi)始使用兩級(jí)渦輪增壓器，如大眾推出的EA288 2.0T兩級(jí)增壓柴油機(jī)，選用小慣量的可變截面渦輪增壓器（VGT）用于高壓級(jí)，以提高低速段扭矩，可達(dá)到500N·m（1 750～2 500r／min）。選用大流量的廢氣旁通渦輪增壓器（WGT）用于低壓級(jí)，以提高高速功率，可達(dá)到176kW（4 000r／min），性能提升非常顯著。但目前國(guó)內(nèi)鮮有兩級(jí)渦輪增壓器在整車(chē)上的實(shí)際應(yīng)用，因此研究?jī)杉?jí)增壓器和車(chē)用柴油機(jī)的匹配顯得愈加重要。

1 增壓器匹配要求言

增壓器的匹配一般要滿足如下要求：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)在功率、扭矩、油耗和排放等指標(biāo)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)；

（2）增壓器在柴油機(jī)的整個(gè)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)均能保持較高的效率且工作穩(wěn)定可靠，不發(fā)生喘振、堵塞和增壓器超速現(xiàn)象；

（3）增壓器響應(yīng)快，滿足整車(chē)加速性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)排放循環(huán)空氣跟隨要求。

2 柴油機(jī)與增壓器

試驗(yàn)選用一款增壓中冷，帶廢氣再循環(huán)（EGR）的高性能柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

基于本柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和性能目標(biāo)，通過(guò)一維仿真分析確定了高壓級(jí)和低壓級(jí)增壓器的壓端和渦端的輪子直徑、Trim值和渦輪面徑比（A／R），并選用參數(shù)接近的增壓器。最終選擇了兩款增壓器，其型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)

表2 兩級(jí)增壓器型號(hào)及參數(shù)

兩款增壓器的高壓壓氣機(jī)與低壓壓端參數(shù)一致，低壓渦輪的渦前、渦后直徑一致。但是方案2的低壓A／R較小，且渦輪殼體較小。

隨后對(duì)增壓器流道進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析，以選擇充量系數(shù)最高的流道設(shè)計(jì)方案。本課題中流道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是壓端流道設(shè)計(jì)分析?；A(chǔ)對(duì)標(biāo)方案為壓端流道方案。選項(xiàng)1系列為不改變低壓級(jí)壓殼，只改變高壓級(jí)壓殼及流道。選項(xiàng)2系列為同時(shí)改變高低壓級(jí)壓殼及流道。選項(xiàng)1和選項(xiàng)2各有4種設(shè)計(jì)方案。通過(guò)CFD分析，以總壓壓降和速度均勻性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出選項(xiàng)1.2為最優(yōu)設(shè)計(jì)，選項(xiàng)2.2次之，壓端流道方案最差。如下圖1、圖2、圖3所示。

圖1 基準(zhǔn)LP壓端進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)

圖2 選項(xiàng)1.2LP壓端進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)

圖3 選項(xiàng)2.2LP壓端進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，本課題研究制作了3款增壓器樣件，如表3所示。并針對(duì)3款增壓器進(jìn)行了匹配分析。

表3 兩級(jí)增壓器樣件方案

3 試驗(yàn)工況點(diǎn)定義

本柴油機(jī)將應(yīng)用于輕型車(chē)和重型車(chē)。柴油機(jī)選配一款兩級(jí)增壓器，通過(guò)標(biāo)定滿足兩種車(chē)型的應(yīng)用要求。所以在選擇試驗(yàn)工況點(diǎn)的時(shí)候要綜合考慮兩種車(chē)型性能和排放的區(qū)別，選出適合兩種車(chē)型的試驗(yàn)點(diǎn)。

本項(xiàng)目依據(jù)如下原則選擇試驗(yàn)工況點(diǎn)：

（1）輕型車(chē)的外特性高于重型車(chē)，故選擇輕型車(chē)外特性中的最大功率、最大扭矩和低速扭矩點(diǎn)；

（2）重型車(chē)外特性區(qū)域需要使用EGR系統(tǒng)，故選擇重型車(chē)最大扭矩點(diǎn)和最高功率點(diǎn)；

（3）部分負(fù)荷點(diǎn)要覆蓋輕型車(chē)和重型車(chē)排放測(cè)試循環(huán)。

綜上所述，得出試驗(yàn)工況點(diǎn)，如表4所示。

表4 試驗(yàn)工況點(diǎn)

工況點(diǎn)1～4是輕型外特性的特征點(diǎn)；工況點(diǎn)5～9是輕型全球統(tǒng)一輕型車(chē)試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）工況特征點(diǎn)，同時(shí)兼顧重型全球統(tǒng)一試驗(yàn)法（WHTC）工況；工況點(diǎn)10、11是重型外特性的特征點(diǎn)；工況點(diǎn)12是重型全球通用穩(wěn)態(tài)循環(huán)（WHSC）工況特征點(diǎn)。每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)的試驗(yàn)方法不同。一般選擇對(duì)特征點(diǎn)影響最大的參數(shù)因子做變因子試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

4.1 試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)原則

為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性和可比性，試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格限制環(huán)境壓力、溫度、中冷后進(jìn)氣溫度、燃油溫度、排氣背壓等試驗(yàn)控制條件，并嚴(yán)格控制最大爆發(fā)壓力、最高增壓壓力、最高渦輪前排氣壓力和溫度等試驗(yàn)邊界條件，防止這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。本文中增壓器選型試驗(yàn)的評(píng)價(jià)原則主要是動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放，暫不對(duì)增壓器喘振余量、轉(zhuǎn)速余量、工作效率、響應(yīng)性等指標(biāo)展開(kāi)論述。

4.2 工況點(diǎn)1結(jié)果分析

圖4為工況點(diǎn)1（輕型車(chē)額定功率點(diǎn)）改變進(jìn)氣歧管壓力試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中保持油軌壓力、最大爆發(fā)壓力一致。在3款增壓器中，只有DTC1達(dá)到了160.0 kW的功率目標(biāo)，最大為160.9kW。DTC1的比油耗也較DTC2和DTC3低，功率160kW時(shí)比油耗略高于目標(biāo)230g／（kW·h），后續(xù)標(biāo)定優(yōu)化后有潛力達(dá)到目標(biāo)。DTC3低壓渦輪后的背壓與DTC1基本一致，但高壓渦輪前背壓明顯高于DTC1，這是由于DTC3低壓級(jí)渦輪的A／R較小，渦輪殼體也較小，排氣阻力大，導(dǎo)致高壓渦輪前背壓和油耗較高。

4.3 工況點(diǎn)4結(jié)果分析

圖五為工況點(diǎn)4（轉(zhuǎn)速 1 000r／min，扭矩245 N·m）改變進(jìn)氣歧管壓力的結(jié)果。試驗(yàn)中保持油軌壓力和最大爆發(fā)壓力一致。DTC3的油耗和煙度情況優(yōu)于DTC1，這是由于DTC3LP增壓器渦輪殼體較小，LP增壓器轉(zhuǎn)速較高，對(duì)廢氣能量的利用率更高，LP壓氣機(jī)后壓力更大，達(dá)到相同的增壓壓力只需要較低的HP增壓器轉(zhuǎn)速即可。而同時(shí)該工況排氣流量小，泵氣損失增加不明顯。DTC3的煙度也好于DTC1和DTC2。DTC2的油耗煙度均較差。

4.4 工況點(diǎn)5結(jié)果分析

圖6 為工況點(diǎn) 5（轉(zhuǎn)速 1 500r／min，扭矩 48 N·m）改變EGR率的結(jié)果。試驗(yàn)中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用高壓EGR，CA50控制在上止點(diǎn)后11°CA。在整個(gè)氮氧化物（NOx）排放變化范圍內(nèi)，DTC3油耗和煙度較低，同樣也是DTC3低壓級(jí)渦輪殼體較小的優(yōu)勢(shì)。DTC2的油耗和煙度均較差。

4.5 工況點(diǎn)9結(jié)果分析

圖7為工況點(diǎn)9（轉(zhuǎn)速2 200r／min，扭矩254 N·m）改變EGR率的結(jié)果。試驗(yàn)中保持油軌壓力、增壓壓力一致，只使用低壓EGR，CA50控制在上止點(diǎn)后11°CA。在整個(gè)NOx排放變化范圍內(nèi)，DTC3油耗和煙度較低，增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)情況與工況點(diǎn)5基本相同。DTC2的油耗和煙度均較差。

4.6 工況點(diǎn)10結(jié)果分析

圖4 工況點(diǎn)1試驗(yàn)結(jié)果

圖5 工況點(diǎn)4試驗(yàn)結(jié)果

圖8 為工況點(diǎn)10（轉(zhuǎn)速3 500r／min，扭矩396 N·m）改變主噴提前角的結(jié)果。此工況為重型功率點(diǎn)，在國(guó)六法規(guī)中此點(diǎn)為排放區(qū)域，所以試驗(yàn)過(guò)程中要在比NOx排放一致的情況下進(jìn)行比較。試驗(yàn)中保持油軌壓力、增壓壓力和比NOx排放一致。DTC1的油耗最優(yōu)，煙度與DTC3接近。結(jié)果與工況點(diǎn)1基本相同。

4.7 試驗(yàn)結(jié)果綜合評(píng)價(jià)

圖6 工況點(diǎn)5變EGR率試驗(yàn)

綜合比較上述3種方案在不同工況點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的結(jié)果可得，只有DTC1能夠達(dá)到輕型車(chē)目標(biāo)功率。在輕型車(chē)功率點(diǎn)（工況點(diǎn)1）和重型車(chē)功率點(diǎn)（工況點(diǎn)10），DTC1的油耗和煙度有較大優(yōu)勢(shì)，DTC3次之，DTC2最差。在輕型車(chē)低速扭矩點(diǎn)和最大扭矩點(diǎn)（工況點(diǎn)2～4）和排放特征點(diǎn)（工況點(diǎn)5～9），DTC3的油耗和煙度有優(yōu)勢(shì)，DTC1次之，DTC2最差。對(duì)于重型車(chē)最大扭矩點(diǎn)（工況點(diǎn)11）和重型車(chē)排放特征點(diǎn)（工況點(diǎn)12），DTC1和DTC3的油耗和煙度基本持平，DTC2最差。

綜合評(píng)價(jià)12個(gè)工況點(diǎn)結(jié)果，DTC1是輕型柴油機(jī)的最優(yōu)方案，DTC3是重型柴油機(jī)的最優(yōu)方案。綜合考慮各種因素，最終選擇DTC1為本項(xiàng)目的最終方案。

圖7 工況點(diǎn)9試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

增壓器匹配試驗(yàn)的工況點(diǎn)選擇要考慮外特性特征點(diǎn)和排放特征點(diǎn)。其中，排放特征點(diǎn)的選擇要兼顧輕型車(chē)和重型車(chē)排放測(cè)試循環(huán)。試驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格保證試驗(yàn)控制條件和邊界條件，確保試驗(yàn)結(jié)果的有效性和可比性。

每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)的試驗(yàn)方法不同。一般選擇對(duì)特征點(diǎn)影響最大的參數(shù)因子，進(jìn)行變因子試驗(yàn)。本項(xiàng)目中，輕型外特性特征點(diǎn)做進(jìn)氣壓力變化試驗(yàn)，排放特征點(diǎn)做NOx排放變化試驗(yàn)，重型功率點(diǎn)做主噴提前角變化試驗(yàn)。

圖8 工況點(diǎn)10試驗(yàn)結(jié)果

采用較小LP渦輪殼體的兩級(jí)增壓器，在除功率點(diǎn)附近的其他區(qū)域，油耗和排放均有優(yōu)勢(shì)。但在功率點(diǎn)附近渦輪前排氣背壓大、排氣溫度高，導(dǎo)致最大功率受限、油耗升高。

兩級(jí)增壓器的流道設(shè)計(jì)是增壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。HP壓氣機(jī)進(jìn)氣管路應(yīng)盡量與壓輪軸線平行，以減少氣流能量損失。LP壓氣機(jī)排氣管道應(yīng)盡量平直，以減少壓力損失。排氣歧管出口到兩級(jí)渦輪的入口距離應(yīng)盡可能短，以減少排氣阻力和排氣能量損失。