沈穎剛，楊云春，呂 譽(yù)，陳貴升，李 克，楊銳敏

(1.昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；2.國(guó)家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100176)

0 概述

中國(guó)青藏高原平均海拔在4 000 m以上，面積為2.572 4×106km2，占中國(guó)總陸地面積的26.8%[1-2]，且中國(guó)青藏公路海拔變化大，對(duì)高原環(huán)境下車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的環(huán)境適應(yīng)性提出了很高的要求[3]。渦輪增壓技術(shù)是恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)高海拔性能最重要的技術(shù)手段之一[4]。傳統(tǒng)的單級(jí)渦輪增壓技術(shù)由于增壓能力和調(diào)節(jié)能力有限，無(wú)法滿足中國(guó)高海拔地區(qū)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)變海拔和變工況的運(yùn)行需求?？烧{(diào)二級(jí)增壓技術(shù)不僅可提高增壓壓力，還能實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣流量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的變海拔適應(yīng)性[5]。文獻(xiàn)[6]中對(duì)比研究了幾種應(yīng)用廣泛的單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的高原適應(yīng)性差異，并開(kāi)發(fā)了一種在不同海拔高度下進(jìn)行性能評(píng)估和渦輪增壓器匹配的方法。文獻(xiàn)[7]中分析了海拔高度對(duì)內(nèi)燃機(jī)二級(jí)可變渦輪增壓系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[8]中認(rèn)為不同于單級(jí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要調(diào)節(jié)渦輪機(jī)的功率比，以便充分定義發(fā)動(dòng)機(jī)氣道的平衡點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]中通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)圖譜的高原修正和高壓級(jí)渦輪旁通閥門的控制，進(jìn)行可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)的變海拔適應(yīng)性計(jì)算研究。文獻(xiàn)[10-12]中研究了不同海拔條件下二級(jí)增壓器與柴油機(jī)的匹配特性、柴油機(jī)燃燒特性和動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能隨可變幾何截面增壓(variable geometry turbocharger, VGT)葉片開(kāi)度的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[13]中通過(guò)試驗(yàn)研究了重型柴油機(jī)配備可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)的工作特性。

針對(duì)高原變海拔條件下不同增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響研究較少，所以結(jié)合中國(guó)高原面積占比大及青藏公路海拔變化大的特點(diǎn)，通過(guò)建立柴油機(jī)一維熱力學(xué)模型綜合對(duì)比柴油機(jī)分別匹配單級(jí)增壓、二級(jí)增壓和可變二級(jí)增壓系統(tǒng)在變海拔環(huán)境下的運(yùn)行特性，為提高增壓柴油機(jī)的高原適應(yīng)性提供一定的參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型構(gòu)建與驗(yàn)證

以一臺(tái)高壓共軌重型柴油機(jī)為研究機(jī)型，采用一維熱力學(xué)仿真軟件GT-Power構(gòu)建模型。本團(tuán)隊(duì)此前已進(jìn)行了大量增壓器匹配試驗(yàn)，并構(gòu)建了單級(jí)增壓(1TC)、二級(jí)增壓(2TC)和可變二級(jí)增壓(regulated two stage turbocharger, RTST)柴油機(jī)模型[14-15]。在此基礎(chǔ)上，以增壓系統(tǒng)的高原適應(yīng)性為開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行增壓系統(tǒng)的優(yōu)化。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文模型采用準(zhǔn)維燃燒模型——Hiroyasu油滴蒸發(fā)模型(DIJet)。DIJet燃燒模型利用熱力學(xué)原理分析燃燒過(guò)程，通過(guò)對(duì)燃燒空間作分區(qū)處理，預(yù)測(cè)精度更加精確。模型在傳熱計(jì)算中假設(shè)：氣體導(dǎo)熱率和比熱容均為常數(shù)，壓力在空間均勻分布，燃燒放熱視為一個(gè)在空間分布的熱源，不同組分之間沒(méi)有對(duì)流和擴(kuò)散?；谝陨霞僭O(shè)，傳熱模型選用經(jīng)典的半經(jīng)驗(yàn)Woschni GT傳熱模型。

柴油機(jī)NOx排放中包含NO和NO2，NO占據(jù)主導(dǎo)地位。NOx是N2和O2在高溫下化合的結(jié)果，凡是以空氣為助燃劑的任何一種燃料的燃燒都會(huì)產(chǎn)生NOx。本文模型中NO的形成采用Zeldovich機(jī)理進(jìn)行預(yù)測(cè)。NO反應(yīng)機(jī)理如式(1)～式(3)所示，表2為式(1)～式(3)中NO反應(yīng)機(jī)理速率常數(shù)，其中T為反應(yīng)環(huán)境熱力學(xué)溫度。

N2+ONO+N (1)

圖1為二級(jí)增壓柴油機(jī)一維熱力學(xué)模型。圖2為二級(jí)增壓的高、低壓級(jí)壓氣機(jī)與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線。從圖中可知外特性工況下高、低壓級(jí)壓氣機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)同時(shí)遠(yuǎn)離壓氣機(jī)喘振線和堵塞線，增壓器能運(yùn)行在較高效率區(qū)域。圖3為二級(jí)增壓系統(tǒng)的一維熱力學(xué)模型驗(yàn)證。部分燃油噴射控制參數(shù)如表3所示。本文中曲軸轉(zhuǎn)角為相對(duì)于上止點(diǎn)的角度，上止點(diǎn)前用負(fù)值表示，上止點(diǎn)后用正值表示。圖3(a)、圖3(b)中對(duì)1 330 r/min和1 660 r/min的100%負(fù)荷條件下的缸內(nèi)壓力和放熱率進(jìn)行了驗(yàn)證，兩工況點(diǎn)缸壓和放熱率曲線的模擬值和試驗(yàn)值吻合程度較高。圖3(c)為外特性條件下柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣流量、有效燃油消耗率和NOx排放的模型驗(yàn)證，各性能指標(biāo)的模擬值與試驗(yàn)值趨勢(shì)一致，且吻合度較高，表明模型較為準(zhǔn)確，可以用于對(duì)柴油機(jī)實(shí)際工作過(guò)程的預(yù)測(cè)。

圖1 二級(jí)增壓柴油機(jī)一維熱力學(xué)模型

圖2 外特性工況下二級(jí)增壓器與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響

表4為不同海拔高度下對(duì)應(yīng)的氣壓和空氣溫度。

表4 不同海拔高度下對(duì)應(yīng)的氣壓和空氣溫度

根據(jù)表4，通過(guò)改變模型的環(huán)境邊界條件進(jìn)行變海拔變工況模擬仿真。圖4為不同海拔下增壓系統(tǒng)增壓比對(duì)比圖。1TC柴油機(jī)增壓比隨轉(zhuǎn)速上升先升高后略微下降，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速上升，排氣能量增加，增壓比升高，轉(zhuǎn)速過(guò)大，為避免增壓器超速，渦輪機(jī)旁通閥打開(kāi)，增壓比略有下降。2TC高壓級(jí)配備旁通閥，高壓級(jí)渦輪機(jī)能量利用基本穩(wěn)定，因此2TC柴油機(jī)高壓級(jí)壓氣機(jī)增壓比變化不大，低壓級(jí)增壓器增壓比隨轉(zhuǎn)速上升而增大。隨著海拔上升，因進(jìn)口端大氣壓力下降顯著，1TC和2TC增壓比均增加。

圖4 不同海拔下增壓系統(tǒng)增壓比對(duì)比圖

圖5為不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)增壓效率的影響。1TC柴油機(jī)增壓效率隨海拔上升而下降。隨著海拔升高，大氣壓力和空氣密度下降，柴油機(jī)排氣流量下降，增壓器的進(jìn)氣流量偏離設(shè)計(jì)工作流量，增壓效率下降。柴油機(jī)處于中低轉(zhuǎn)速時(shí)，2TC高低壓級(jí)增壓器效率均高于1TC，說(shuō)明采用二級(jí)增壓技術(shù)有利于提高渦輪增壓器對(duì)海拔變化的適應(yīng)能力；柴油機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時(shí)，高壓級(jí)增壓器旁通閥打開(kāi)導(dǎo)致其效率下降，低壓級(jí)增壓器仍能維持較高效率。

圖5 不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)增壓效率的影響

圖6為不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和燃燒的影響。圖7為不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣特性的影響。

圖6 不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和燃燒的影響

由圖6(a)可知，隨著海拔上升，1TC柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率下降，低轉(zhuǎn)速時(shí)下降更加明顯；2TC柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率受海拔變化影響較小。這是由于在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下柴油機(jī)排氣能量有所降低，匹配的1TC流量較大，適應(yīng)范圍小，對(duì)海拔變化的適應(yīng)性差，海拔上升使得1TC壓氣機(jī)接近喘振邊界線，總增壓比較低(見(jiàn)圖4(a))導(dǎo)致進(jìn)氣流量明顯下降，空燃比降低(見(jiàn)圖7)，柴油機(jī)燃燒過(guò)程變差。且在高海拔條件下溫度較低導(dǎo)致油氣混合不充分，進(jìn)一步加劇燃燒惡化。2TC柴油機(jī)由于二級(jí)增壓技術(shù)提高了排氣能量的利用率，使柴油機(jī)在高海拔條件下動(dòng)力性恢復(fù)較好。

圖7 不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)進(jìn)氣特性的影響

隨海拔上升，1TC柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)域動(dòng)力性下降最大。雖然中高轉(zhuǎn)速進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量下降的絕對(duì)值更大，但由于低轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣流量和排氣能量本身較低，海拔上升導(dǎo)致進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量的下降對(duì)空燃比的影響更大，低轉(zhuǎn)速時(shí)空燃比嚴(yán)重下降(見(jiàn)圖7)，燃燒過(guò)程變差。由圖6(b)可知，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，1TC柴油機(jī)的燃燒放熱率隨海拔上升迅速下降，缸內(nèi)壓力也急劇下降，導(dǎo)致動(dòng)力性嚴(yán)重下降。2TC柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量隨海拔上升變化較小，空燃比受海拔變化的影響不大，放熱率和缸內(nèi)壓力略有下降。由此可見(jiàn)，二級(jí)增壓相比單級(jí)增壓具有更強(qiáng)的高原適應(yīng)能力。

圖8為不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。相較于2TC柴油機(jī)，海拔變化對(duì)1TC柴油機(jī)有效燃油消耗率(break specific fuel consumption, BSFC)和有效熱效率的影響更大，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，隨海拔上升，1TC柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性急劇下降。低轉(zhuǎn)速時(shí)，隨海拔上升，1TC柴油機(jī)空燃比急劇下降，導(dǎo)致燃燒速率反而更低，使熱效率下降。

圖8 不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖9為不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)NOx排放的影響。低轉(zhuǎn)速時(shí)，1TC柴油機(jī)空燃比低，氧濃度不足不利于NOx的形成，所以NOx排放低于2TC時(shí)。中高轉(zhuǎn)速時(shí)，2TC NOx排放低于1TC，這是因?yàn)?TC進(jìn)氣流量增加，氧濃度和溫度同時(shí)滿足NOx的形成條件，2TC柴油機(jī)雖然進(jìn)氣量更加充足，但空燃比過(guò)大使缸內(nèi)溫度下降，NOx排放降低。

圖9 不同海拔下增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)NOx排放的影響

綜合不同海拔條件下1TC和2TC對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和NOx排放的影響，2TC可提高柴油機(jī)的高海拔適應(yīng)性，對(duì)柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)綜合性能的恢復(fù)效果比1TC更加明顯。

2.2 高原環(huán)境下葉片開(kāi)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

基于對(duì)1TC和2TC對(duì)柴油機(jī)高海拔適應(yīng)性的研究，為進(jìn)一步提高2TC對(duì)高海拔的適應(yīng)能力，將2TC的高壓級(jí)更換為可變截面渦輪增壓器，調(diào)整方法是在模型中的高壓級(jí)渦輪機(jī)模塊“Map Object or File”中導(dǎo)入詳細(xì)Map離散數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置不同“Rack Position”大小(其開(kāi)度范圍為0～1，分別對(duì)應(yīng)實(shí)際過(guò)程中的最小與最大開(kāi)度)來(lái)模擬實(shí)際過(guò)程中的開(kāi)度變化，其余參數(shù)保持不變，在4 km海拔條件下研究了2TC增壓系統(tǒng)葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)性能的影響。

2.2.1 VGT葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣特性的影響

圖10為VGT葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣特性的影響。隨著VGT葉片開(kāi)度的增大，進(jìn)氣流量下降，轉(zhuǎn)速越低，進(jìn)氣流量隨葉片開(kāi)度增大而下降越明顯。泵氣損失隨葉片開(kāi)度增大而降低，柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)的泵氣損失對(duì)葉片開(kāi)度更加敏感(見(jiàn)圖10(b))。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，排氣流量越大，葉片開(kāi)度太小會(huì)使排氣不暢，增大泵氣損失。

圖10 葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣特性的影響

圖10(c)為柴油機(jī)空燃比隨轉(zhuǎn)速和VGT葉片開(kāi)度的變化。柴油機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，空燃比受葉片開(kāi)度變化的影響較大；中轉(zhuǎn)速時(shí)空燃比在葉片開(kāi)度為30%時(shí)達(dá)到最大值；高轉(zhuǎn)速時(shí)，VGT葉片開(kāi)度對(duì)空燃比的影響減小。這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)排氣流量較低，葉片開(kāi)度的增大降低了渦輪增壓器對(duì)排氣能量的利用，隨著轉(zhuǎn)速的上升，排氣流量增加，增大葉片開(kāi)度對(duì)增壓器效率的影響程度下降，因而空燃比的降低幅度減小。

圖11為葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性的影響。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，轉(zhuǎn)矩在葉片開(kāi)度在40%～70%范圍內(nèi)時(shí)最大；隨著轉(zhuǎn)速上升，葉片對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響增加，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)葉片開(kāi)度越大，轉(zhuǎn)矩越大。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片開(kāi)度太小，排氣背壓太高，缸內(nèi)殘余廢氣量增加，進(jìn)氣流量下降；葉片開(kāi)度過(guò)大，排氣能量利用率低，增壓器效率下降。隨著轉(zhuǎn)速上升，排氣流量增加，葉片開(kāi)度太小，一方面排氣容易堵塞，泵氣損失增加，渦輪增壓器效率下降，另一方面葉片開(kāi)度較小會(huì)造成排氣背壓過(guò)高，缸內(nèi)殘余廢氣增加，降低柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速較高時(shí)排氣能量較大，葉片開(kāi)度增加對(duì)增壓器效率的影響減小。中低轉(zhuǎn)速時(shí)葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)功率的影響較小，高轉(zhuǎn)速區(qū)域功率隨葉片開(kāi)度增大而升高。

圖11 葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性的影響

圖12為葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。由圖12(a)可知，柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片開(kāi)度在40%～70%之間時(shí)BSFC最低，有效熱效率最高；隨著轉(zhuǎn)速上升，葉片開(kāi)度對(duì)BSFC影響增大，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片開(kāi)度越大，BSFC越低。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低時(shí)，葉片開(kāi)度太小泵氣損失增加，葉片開(kāi)度太大進(jìn)氣流量下降，柴油機(jī)工作過(guò)程有效熱效率都會(huì)下降，BSFC升高。隨著轉(zhuǎn)速升高，排氣流量增加，葉片開(kāi)度增加有利于降低排氣背壓，減少缸內(nèi)殘余廢氣，同時(shí)葉片開(kāi)度增加對(duì)增壓器效率的影響減小，有效熱效率升高，BSFC下降。高轉(zhuǎn)速區(qū)域，葉片開(kāi)度越小，排氣背壓升高，空燃比下降，因而排氣溫度升高(見(jiàn)圖12(c))，有效熱效率降低。

圖12 葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖13為葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)NOx排放的影響。高原環(huán)境下，大氣壓力和空氣密度下降，導(dǎo)致進(jìn)氣流量相較平原減少，柴油機(jī)后燃現(xiàn)象加劇，同時(shí)由于新鮮工質(zhì)較少，混合氣熱容降低，使得渦前排溫普遍較高(見(jiàn)圖12(c))。在低轉(zhuǎn)速工況下，葉片開(kāi)度減小，空燃比增大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更充分，缸內(nèi)氧濃度增加，NOx排放上升。而在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速工況，增大葉片開(kāi)度使排氣背壓減小，渦前排溫下降，NOx排放減少。

圖13 葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)NOx排放的影響

2.2.2 葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)能量損失流向的影響

圖14為葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)能量損失流向的影響。隨著葉片開(kāi)度的增加，排氣壓力損失降低，缸內(nèi)殘余廢氣減小，燃燒重心提前，能量利用率提高，排氣損失率下降。低轉(zhuǎn)速時(shí)，傳熱損失率隨葉片開(kāi)度增加先減小后增加。這是因?yàn)槿~片開(kāi)度增加降低了排氣背壓，排氣更加順暢，降低了傳熱損失率；繼續(xù)增加葉片開(kāi)度，進(jìn)氣量減小，空燃比降低，燃燒溫度有所升高，傳熱損失率增加。中高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于葉片開(kāi)度增加對(duì)降低進(jìn)氣量的效果變?nèi)?，排氣背壓降低?dǎo)致傳熱損失率降低的效果更加明顯，因此隨葉片開(kāi)度增加，傳熱損失一直降低。

圖14 葉片開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)能量損失流向的影響

3 結(jié)論

(1) 變海拔條件下，相較于1TC，2TC排氣能量利用率和增壓器效率更高，進(jìn)氣流量增大。特別在低轉(zhuǎn)速工況，2TC相較于1TC有更好的變海拔適應(yīng)性，但NOx排放相對(duì)1TC上升。

(2) 海拔4 km條件下，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，可變二級(jí)增壓柴油機(jī)葉片開(kāi)度在40%～70%轉(zhuǎn)矩最大，有效熱效率最高，BSFC最低；中高轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩隨葉片開(kāi)度增大而升高；高轉(zhuǎn)速工況下，增大葉片開(kāi)度可以降低排氣背壓，減少缸內(nèi)殘余廢氣，提高增壓器效率，NOx排放減少，BSFC下降，有效熱效率升高。

(3) 在4 km海拔下，可變二級(jí)增壓柴油機(jī)在低速工況運(yùn)行時(shí)，隨著葉片開(kāi)度增加，排氣損失率下降，傳熱損失率先增加后減少。中高轉(zhuǎn)速工況下，隨著葉片開(kāi)度增大，傳熱損失有所下降。