王晓锋

（合肥工业大学，安徽 合肥230009）

1 可控两级涡轮增压柴油机模型的建立

为了扩大该高增压柴油机的运行范围，增大柴油机的低转速扭矩，降低部分负荷运行的油耗和排放，降低柴油机的热应力，同时兼顾其标定工况的性能，决定将原来的单级增压系统改为可控两级涡轮增压系统，每三缸的排气管与一个串联式的两级涡轮增压系统相连接。

仿真模型中废气旁通阀开启角度对应旁通管路的流量系数如图1所示。

图1 废气旁通阀开启角度对应的流量系数

2 涡轮增压系统与柴油机匹配要求

匹配的增压系统要做到：（1）柴油机应能达到预定的功率和经济指标，涡轮增压器应能提供柴油机所需的增压压力和空气流量。（2）部分负荷工况时应有较好的性能，高负荷或高转速工况时，柴油机不超出冒烟极限，燃油经济性好。（3）涡轮增压器应在柴油机的各种工况下都能高效率地运行。柴油机与涡轮增压器的联合运行线应穿过压气机特性的高效率区，且尽可能和压气机的等效率曲线相平行，并且在任何工况下都不应出现喘振和堵塞现象。

3 可控两级涡轮增压系统匹配方法

3.1 高低压级压比分配原则

实际情况下研究两级涡轮增压系统的压比分配时，仅仅考虑全负荷工况是不够的，必须兼顾部分负荷工况，随着负荷的变化，尤其是沿着推进特性运转时，两级的能量分配会发生剧烈的变化。因此，比较合理的分配方案为4∶6，即高压级的压比占总压比的40%，低压级占总压比的60%。

3.2 压气机特性图的拟合

GT－POWER程序在计算时，将压气 机的效率ηk和转速nk视为随折合流量mcorrected和压比πk而变的二元函数，而实际输入程序的是压气 机特性曲线上的一些离 散点，因此需要将这些离散的点拟合为程序能识别的函数。本文采用分析计算法将压气机特性曲线上的离散点转化为相应的函数关系式。分析计算法是将压气机特性图中的曲 线按计算要求进行数据离散，并将它 们输入计算机中，然后根据这些原始数据采用数值逼近的方法构造出对应的函数πk＝f1（mcorrected，nk）和ηk＝f2（mcorrected，nk），数值逼近采用曲线拟合的最小二乘法。

4 可控两级涡轮增压柴油机参数的计算

4.1 临界转速的确定

对于该型高强化柴油机，由于其本身强化程度较高，考虑到机械负荷问题，不进行进一步强化。由于最高爆发压力Pmax＝，其中压力升高比λ、压缩比ε以及压缩多变指数n1可认为是常量，可见爆压取决于增压压力Pb，也即取决于总的增压比。因此，为限制其最大爆压，并兼顾其标定工况的性能，压比限值取原机标定工况下的增压比。

4.2 废气旁通阀最优开度的确定

对于本文所研究的柴油机，废气旁通阀最优开度的确定方法如下：对于高于临界转速的工况，按照该型柴油机的推进特性进行模拟计算，固定其转速不变，从开启旁通阀到逐渐加大旁通阀的开度，观察高压级压气机出口压力的变化，也即探寻压气机总压比的变化，当压气机总压比达到原机标定工况下的总压比时，认为此时旁通阀的开度为最优开度，因为旁通阀的开启就意味着能量的浪费，姑且把此开度前的能量浪费称作不得已而为之，那么在此开度后如果继续加大旁通阀开度，就会造成没有任何意义的能量浪费，是不可取的。

5 高低压级涡轮增压器与柴油机匹配特性分析

本文在对原机仿真模拟计算分析的基础上，选取了Garrett公司GT－4088 R和GT－3071 R作为可控两级涡轮增压低压级压气机和高压级压气机。针对该型柴油机，按其外特性进行了模拟计算，2种增压系统与发动机的联合运行线如图2～4所示。

图2 原机增压系统与柴油机联合运行线

图3 可控两级涡轮增压系统低压级运行线

图4 可控两级涡轮增压系统高压级运行线

从柴油机联合运行线示意图可以看出，原机增压器在发动机中、高速工况具有较高效率，但在低工况时效率却较低，且离喘振线较近；而可控两级涡轮增压系统能与该柴油机在全工况范围内匹配良好，其中高压级由于采用了较原机小的涡轮增压器，转动惯量小，在低速时，涡轮就能达到较佳的工作转速，有效改善了涡轮迟滞，即高压级压气机在低工况与柴油机匹配较好，较原机增压器有更高的效率；在高工况时，为了限制最大爆发压力，废气旁通阀开启，高压级涡轮功迅速减小，压比减小，效率也逐渐降低。而低压级涡轮增压器采用了大涡轮增压器，由于排气能量增加，在发动机高转速工况下具有较好的做功能力，效率较高。另外，高低压级压气机在低工况时都离喘振线较远，两者结合可以很好地拓宽发动机的工作范围。

6 结语

本文首先建立了可控两级涡轮增压柴油机整机性能仿真计算模型，其次，在对原机模拟计算结果分析的基础上，确定以最大扭矩工况点为该型柴油机的匹配点，根据可控两级涡轮增压系统与柴油机的匹配要求及匹配方法，选取Garrett公司T系列增压器GT－3071 R及GT－4088R为高低压级增压器，并在此基础上进行可控两级涡轮增压柴油机整机性能仿真计算，基于爆压限制的原则，确定了废气旁通阀开启的临界转速点，研究了废气旁通阀开度对发动机性能的影响，并对高于临界转速的工况确定了旁通阀的最优开度，同时研究了可控两级涡轮增压柴油机的配合特性、设计特点、提高升功率的潜力以及可控两级涡轮增压系统压比随柴油机转速变化关系等。

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