重型柴油机两级增压系统仿真
殷勇，赵艳婷
（东风商用车技术中心，湖北武汉）
摘  要：讨论了柴油机采用两级增压后的优势，对比采用两级增压前后某款柴油机的性能参数。将模拟分析作为先期研究，为后续研究工作提供参考。 关键词：两级增压；仿真 主要软件：A VL BOOST
1.两级增压技术简介
一般采用传统的单级增压可满足进气量的要求。要想进一步提高柴油机升功率，传统增压系统不能满足要求，因而出现了可变截面涡轮增压器。但可变截面涡轮增压系统所能达到的压比有限，所能调节的范围有限，仍不能满足未来柴油机开发的要求。
采用两级增压技术．具有以下几大优势：
z  调节的流量范围更大，在转速很宽的条件下，压比特性更好； z  能够显著提高柴油机的升功率； z  低排放、低油耗；
z  加速响应快，由于新鲜空气经两级增压后进入气缸，加速响应性能得到大幅度提高； z  单台增压器的设计与制造简单，且不涉及可变截面涡轮增压器的专利问题。 z  由于高压级和低压级的负荷相对比较低，保证了增压系统的可靠性和耐久性。 虽然二级增压可以带来柴油机性能的改进，但它的应用同时也带来了相当大的困难：由于采用了两个增压器，使得增压系统的尺寸和质量增加。给增压系统在发动机上的布置及发动机在整车上的布置带来了一定的困难，同时给增压系统的固定带来了一定的挑战，而连接管路数量的增加、进排气管复杂性的增加，润滑油路布置的更为复杂，使其成本也有一定程度的增加。
2.两级增压布置形式分析
两级增压系统由两个涡轮增压器组成，高压级增压器体积较小，低压级增压器体积相对较大。高压级增压器通常带有旁通阀。旁通阀的布置位置可以为外置。也可以为内置。两个增压器之间可以带中冷器，有的允许不带中冷器。 2.1 中冷器
图1：不带级间中冷的二级增压系统
图2：带有级间中冷的二级增压系统
图1可见，空气依次经低压级和高压级压气机压缩，经过中冷器冷却，最后经进气总管进入气缸。从排气来看，如果发动机处在低速，则旁通阀关闭，所有的排气依次经高压级和低压级涡轮膨胀；如果发动机处在高速大负荷工况，则旁通阀打开，部分排气不经高压级涡轮，直接经低压级涡轮膨胀后排出，以降低高压级的涡和进气压比，使进气压比不至于达到极限。
带有级间中冷的二级增压系统如图2所示，空气经低压级压气机压缩，经第一级中冷器冷却以增加空气密度、减小体积流量；冷却后的空气进入高压级压气机进一步压缩，经第二级中冷器进一步冷却后通过进气总管进入气缸。
就压缩过程而言，每级压气机后都装有中冷器，使整个压缩过程接近于等温压缩，压气机耗功减少，增压系统效率提高。然而级间中冷器以及与它连接的管路势必会增加系统布置难度，增加成本。故增压系统具体布置方式要根据发动机的设计要求权衡之后决定。
2.2 旁通阀
外置旁通阀的二级增压系统如果流通截面大小适当，则涡轮壳不需改变，然而外形体积较大且外置旁
通阀的密封较难实现。内置旁通阀的二级增压系统由于旁通阀内置结构，故结构紧凑外形体积小，然而由于接口的改变，涡轮壳需要重新设计。由于外置旁通阀全开时可以实现所有排气全部流向旁通阀而将高压级涡轮短路，故适用于流量调节范围大的应用对象。对于总压比要求较高，同时对流量的调节也有一定要求的发动机，可采用内置旁通阀。
3.两级增压发动机模型的建立
本研究中建立的两级增压发动机模型，如图3所示。发动机有两个串联的增压器，而且辅有一定的调节措施，使得发动机的增压压力在一定范围内可以调节。低压废气涡轮增压器在发动机低转速时由于提供的废气量较少，故只承担一小部分增压任务。此时把高压涡轮的旁通阀完全关闭，以充分利用废气能量来压缩高压压气机中的新鲜空气。在中、高转速区域，一旦达到了所要求的增压压力，一部分废气通过涡轮侧的旁通阀绕流，此时的废气能量完全供给低压涡轮工作。外部旁通阀可利用简单的气动系统进行控制，也可以采用电控，国外先进的二级增压已经采用电子控制，对进气压比进行连续的无级调节。
北京车辆摇号>专用车中国图3：两级增压发动机模型图4：高低压压气机图谱忽略中间过程，将二级增压系统作为一个整体，只考虑系统的进口和出口。在满足匹配要求的前提下，尽可能选择尺寸小的增压器，以提高瞬态响应性。根据发动机所需空气流量，首先确定低压级增压器。因此暂时尝试使用的两级增压系统高低压级压气机图谱如图4。
由于不确定旁通阀的开启时刻，因此针对两个极端状态进行仿真分析，即旁通阀全开（阀的流量系数为1）和全关（阀的流量系数为0）。
4. 仿真结果及分析高尔夫旅行版价格
经仿真计算得到如下的结果。
图5：扭矩对比
图6：功率对比
由图5~图6可知，当流量系数是1的时候，发动机高速动力性得以改善；当流量系数是0的时候，发动机低速动力性得以改善。由此可知，合理调控旁通阀的开启和关闭（开度），可以有效改善发动机全工况范围内的动力性。
图7：比油耗对比
发动机燃油经济性的变化趋势顺如图7，当流量系数是1的时候，发动机高速经济性得以改善；当流量系数是0的时候，发动机低速经济性得以改善。
图8：EGR率对比
图9：空燃比对比
如图8所示的EGR率，当流量系数是0的时候即发动机系统只用高压级涡轮增压器，此涡轮增压器相对原涡轮增压器较小，排气背压较大，进排气管道的压力差较大，能够实现相对较大的EGR率；流量系数是1时的EGR率与原机相当。如果采用可控旁通阀实现流量系数的连续变化，则可以根据需要得到较适宜EGR率。
图9所示的空燃比由于为新鲜空气的空燃比，所以当EGR率增加时候，必然导致空燃比的降低。但如果根据需要进行选择，仍然可以得到大于20的空燃比，以保证该发动机较优的颗粒物排放水平。
图10和图11分别为高
低压级压气机的联合运行
线。由图可知，低压级压气
机运行稳定，但旁通阀流量
系数是1的发动机运行线的
西安汽车报价最大压比已经达到  3.5，接
近限值，影响该压气机的使
富迪探索者用寿命。此压比的工况可以
逐渐过渡到旁通阀流量系数是0的工况，即高压级压气机分流一部分废气给低压级压气机，以此保护涡轮增压器。
注：本研究是在保持供油量不变的前提下进行的，而采用了两级增压系统的发动机由于在整个运行工况范围内，都可以达到很高的增压压力，使得空气量供给非常充分，因此还可以增加供油量，提高升功率。
5.小结
z根据某重型柴油机用二级增压系统结构形式搭建发动机及其涡轮增压器模型，并对该发动机的性能进行了仿真预测；
z增压系统旁通阀采取全开和全关两种极限状态，并根据发动机性能需要，大致确定旁通阀理想开启时刻，实现发动机全工况范围内动力性、经济性、排放性的优化；
z两级增压系统在增加进气量的同时可以避免总压比过高，能够有效保护涡轮增压器；
z在结构强度允许的范围内，两级增压系统可以使柴油机标定功率上升，显著提高其动力性能；
z通过仿真计算匹配两级增压涡轮增压器，能够实现降低零部件数量、减少装机次数、缩短试验周期、提高工作效率，为后续工作提供理论指导。
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