二级增压系统压气机效率的优化策略研究

第4期（总第219期) 2015年8月车用发动机VEHICLE ENGINE二级增压系统压气机效率的优化策略研究许允，亓升林，刘忠长，田径，张龙平，韩恒(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春130025)摘要：对配置在1台重型车用柴油机上的二级增压系统进行了性能研究。

结果表明：放气阀开启的二级增压 系统存在进气能力不足、压气机效率低的问题；关闭二级增压放气阀后，在中、低转速低负荷工况仅采用高压级增 压器，而其余工况借助高压级涡轮旁通阀实现进气压力可调，增压系统压气机效率均可超过60%，且最大进气压力 可达334 k P a;针对不同工况采用不同增压形式，通过控制涡轮旁通阀开度使二级增压系统进气压力及压比分配得 到有效调节，可以改善压气机效率及燃油经济性，为二级增压系统与重型柴油机的性能匹配提供技术参考。

关键词：柴油机；二级增压；涡轮旁通阀；压气机效率；燃油经济性 DOI ： 10. 3969/j. issn. 1001-2222. 2015. 04. 012中图分类号：TK 421.8文献标志码：B文章编号：1001-2222(2015)04-0060-07在重型乘用车以及轻型商用车领域，增压技术 在柴油机上的应用日益广泛，低比排放、高功率密度 柴油机的研发促进了高增压和超高增压技术的发 展，增压技术成为降低柴油机转速和尺寸的关键技 术[1_4]。

其中二级增压系统既能有效改善V G T 结 构复杂、工作环境差的缺点，也防止了相继增压在切 换过程中出现的压力突增现象，是有效实现高增压 比和宽流量范围的技术方案之一[1_4]。

国内外众多 学者对柴油机匹配二级增压系统后的部分规律进行 了研究，相比常规的单级涡轮增压系统，二级增压系 统可以克服低速扭矩性能差、E G R 引入能力较弱以 及瞬态响应性能差等缺点，有利于柴油机在汽车上 更为广泛的应用[3_9]。

由于串联式二级涡轮增压系 统在柴油机应用中具有易启动、低负荷性能好及高 压级增压器损坏时不需要设置应急鼓风机的优点， 所以本研究采用串联布置的二级增压系统[3^]，其 中高压级增压器为流通面积较小的涡轮增压器，低 压级增压器为流通面积较大的涡轮增压器。

二级增压系统的合理选型与匹配对于柴油机设 计性能目标的实现具有重要的作用，而现阶段如何 为柴油机匹配合适的二级增压系统使两级压气机都 工作在高效率区，是二级增压系统匹配的一个难 题[6]。

因此，如何对匹配后的二级增压进行合理改 进，并改善其匹配性能是实际研究中经常面临的问题。

本研究以串联式二级增压系统为对象，开展了 二级增压系统与柴油机优化匹配的试验研究，最终 确立了以二级增压压气机工作效率及燃油经济性为 目标来合理选择进气形式的优化策略。

1试验台架构建试验发动机为1台高压共轨、增压中冷6缸柴油机，参数见表1。

发动机测试系统见图1。

在二级 增压的高压级涡轮机入口端配有放气阀装置，当进表1试验发动机基本参数技术参数指标型式水冷直列6缸缸径/m m 112行程/m m 145总排量/L 8. 6压缩比17 ： 1标定功率/k W257标定功率转速/r • m i n -1 2 100最大扭矩/N • m1 500最大扭矩转速/r • mi n -11 300喷油系统高压共轨进气类型增压中冷增压器HOLSET400收稿日期：2015-04-10;修回日期：2015-05-11基金项目：国家重大基础研究发展规划资助项目（“973”项目）（2013CB228402);吉林大学研究生创新基金资助项目（2014015) 作者简介：许允（1964—），男，高级工程师，研究方向为内燃机公害与控制；xuyun@jlu. edu. cn 。

通讯作者：田径（1981—），男，讲师，研究方向为内燃机公害与控制;jin gtian @。

2015年8月许允，等：二级增压系统压气机效率的优化策略研究• 61 •厂)P5/T5单片机低压级涡轮机P4/T4—I放气阀低压级压气机J 级间中冷器I—# P l/T l I1高压级 1压气机增压压力信号§ P3/T3-% P2/T2进气中冷器曲轴转角转速进气量进排气压燃烧排放示功图扭矩油M 力、温度参数参数A/D 高速采集系统图1柴油机测控系统及增压系统布置气压力超过一定限值时，高压级放气阀开启，使部分 废气绕过高压级涡轮直接到达低压级涡轮，从而降 低进气压力，对二级增压系统起到保护作用。

2二级增压器选型为使柴油机匹配合适的二级增压器，在不同运 行工况下，不仅需要增压器能达到预定的进气压力， 同时需要高、低压级压气机运行在高效率区[4]。

本 研究匹配二级增压系统的主要目的为在中、小负荷 使增压系统具有高效率、高增压压力及高进气响应 性，所以本研究以发动机的最高燃烧压力（16 MPa ) 为匹配极限，选择最大扭矩点作为二级增压器的匹 配点。

基于发动机初始条件及表2中匹配点基本参 数，计算得到总压比；r =3. 4(参考最高燃烧压力）。

低压级压气机消耗的功：Wc l =—($)¥}丄。

（1)k — ipi r j c \高压级压气机消耗的功：Wc h =—(g )¥}丄。

（2)々一丄P?>r/ch式中：九和乃分别为低压级压气机进气压力与温度；九和T 3分别为高压级压气机进气压力与温度; 如和和分别为低、高压级压气机的效率。

以总压比为3.4, T 3和7\分别为313 K 和 298 K ，中冷器压力损失为5 k P a 以及w 和伽均为ECU〇. 75作为初始条件，以总压缩功最小为原则初定二 级增压高、低压级压气机间的压比分配分别为1. 57, 2.16。

以总压缩功最小为原则，同时考虑低压级压 气机应在高进气量下起主要增压作用，并将原机的 进气压力随转速变化规律作为参考依据，本研究估算标定功率点的总压比为2. 9,高、低压级压气机间 的压比分配分别为1. 62，1.79。

表2匹配点基本参数工况点（Ttq ，”） 1 514 N • m ,l 300 r/m in目标过量空气系数九1.8充量系数九0.91目标燃油消耗率6e/g • (kW • h )-1<205歧管温度/K323总排量/L 8. 6扫气系数‘1大气压力扒/kP a 98大气温度To /K298理论空燃比“14.3空气常数只g /J * (k g .K)-1287某增压器厂根据上述增压器设定配置参数制造 了 1台二级增压器，并在全流量范围内对增压器进行了验证，绘制出的高、低压级压气机效率见图2。

图2两级压气机效率柴油机高压级涡轮机旁通阀开度转速扭矩测t机|控制系统油门电压•62 •车用发动机2015年第4期折合流量/kg •a高压级3.0 2.5：1.00.10.2 0.3折合流量/kg •S-1a高压级0.4 3.0图4外特性工况下扭矩与燃油消耗率2.5由图可知，二级增压器在匹配点的高、低压级压气机 效率分别达到66%，74%，在标定功率点高、低压级 压气机效率均达到66%，均运行在高效率区，可以 认为匹配合理。

3试验结果分析3.1二级增压性能测试及改进为测试二级增压器在试验发动机上的运行效 果，本研究选择稳态下的外特性工况进行试验验证。

图3示出中、高负荷下两级压气机效率。

由图 中可知，中、高负荷下低压级压气机运行在高效率 区，效率均超过74%，而高压级压气机运行在低流 量、低增压比效率区，效率值远低于60%。

推测是 在进气压力超过一定限值时，高压级放气阀开启，使 部分废气绕过高压级涡轮直接到达低压级涡轮，从 而降低高压级压气机增压比造成的。

故本试验在进 气压力不超过该增压系统限值(350 kPa)的前提下，关闭放气阀，对试验工况进行了研究。

增压的动力性及经济性较原机稍微恶化，推测是由 二级增压泵气损失过大造成的，因此使用二级增压 可满足动力性需求。

图5示出中、高负荷工况下两 级压气机运行效率。

由图可知，在中、高负荷工况关 闭二级增压放气阀使高、低压级压气机效率均超过 60%，运行在高效率区。

关闭二级增压放气阀使进 气压力提高，最大进气压力相比放气阀开启下的最 大进气压力提高50 kPa，同时比原机最大进气压力 (256 kPa)提高 78 kPa，达到 334 kPa。

0.05 0.15 0.25 0.35折合流量/kg*s-1b低压级0.45图3两级压气机运行点图4示出外特性工况下原机与二级增压的扭矩 与燃油消耗率。

由图中可知，二级增压在中低转速 的动力性与经济性较原机提高；高转速工况下，二级1.50.05 0.15 0.25 0.35 0.45折合流量/kg •S-1b低压级图5放气阀关闭下两级压气机效率2015年8月许允，等：二级增压系统压气机效率的优化策略研究• 63 •c d-80刍-100、-120-140-16020406080劳通阀开度/%B 100工况下尚压循环指7K 热效率与P m e p L 3o20 40旁通阀开度/%c 过量空气系数6080图6二级增压与原机性能对比因此，在中、高负荷下合理调节旁通阀开度使进 气压力与柴油机运行工况得到进一步匹配，燃油经 济性提高，同时有效降低了二级增压系统过高的涡 前压力。

图7示出中、高负荷工况下两级压气机效率。

在中、高负荷下高压级压气机效率在不同旁通阀开原机A 10020 40 60 80旁通阀开度/%a 燃油消耗率20 40 60 80劳通阀开度/%b 涡前瞬时峰值压力3.2涡轮旁通阀调节特性关闭二级增压放气阀使中、高负荷下高压级压 气机效率提升、进气能力增加，但涡前压力也有较大程度提升，瞬时峰值压力在1 960 r /m in 转速下达 469 kPa ，长期运行可能会造成蜗壳受损、涡轮使用 寿命降低。

同时在不同工况下合理调节过量空气系 数，可改善增压系统的进气能力“不可兼顾”不同工 况需求的缺点，使二级增压柴油机获得更优的燃油 经济性。

故本研究在二级增压系统上增设高压级涡 轮旁通阀，通过对旁通阀开度的调节，以降低涡前压 力，同时提高燃油经济性。

为避免高压级压气机出 现“惰转”现象，研究中将旁通阀开度变化范围定为 0%〜80%，在40%〜60%开度范围内变化步长为 5%，其余开度范围内变化步长为10%。

本研究选择稳态下的低、中、高转速（A : 1 330 r /min ,B ： 1 650 r /min , C ： 1 960 r /min )不同 负荷工况(A 75为A 转速75%负荷率，其余类同）为 试验工况进行试验。

图6以A 100，B 100，C 100工况 点为例，说明不同旁通阀开度对二级增压燃油消耗 率、过量空气系数、涡前瞬时峰值压力、高压循环指 示热效率和泵气过程平均有效压力（》M E P )的影响。