引用本文
刘忠长, 腾鹏坤, 田径, 许允, 亓升林, 于凯波. 二级增压柴油机旁通阀调节特性. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(3): 796-803
LIU Zhong-chang, TENG Peng-kun, TIAN Jing, XU Yun, QI Sheng-lin, YU Kai-bo. Regulation characteristics of bypass valve of two stage turbocharged diesel engine. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2017, 47(3): 796-803  
Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb201703015
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二级增压柴油机旁通阀调节特性
刘忠长, 腾鹏坤, 田径, 许允, 亓升林, 于凯波
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022
田径(1981-),男,讲师,博士.研究方向:内燃机公害与控制.E-mail:jingtian@jlu.edu.cn

作者简介:刘忠长(1956-),男,教授,博士生导师.研究方向:内燃机公害与控制.E-mail:liuzc@jlu.edu.cn

基金项目:“973”国家重点基础研究发展计划项目(2013CB228402)
摘要

在一台搭载可调二级增压系统的重型柴油机上,研究了增压器不同旁通阀开度对燃油消耗率及排放特性的影响规律。结果表明:低转速工况下打开增压器旁通阀有助于降低NO x排放,但在中大负荷工况下会导致燃油经济性恶化;在中高转速、小负荷工况下增大旁通阀开度有助于减小泵气损失,燃油消耗率最大降幅可达7.6%,在中大负荷工况下受泵气损失与指示热效率相互作用的影响,打开旁通阀可以在不恶化燃油经济性的前提下降低NO x排放。在不同转速、小负荷工况下大开度开启旁通阀,中高负荷工况下关闭或小开度开启旁通阀,可以在不明显恶化NO x排放的同时实现最优燃油经济性,烟度排放均低于4%;最优控制策略下,与原单级增压发动机样机相比,二级增压柴油机在低转速工况下更具燃油经济性优势。

关键词: 动力机械工程; 二级增压柴油机; 旁通阀; 分区控制
中图分类号:TK421.2 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)03-0796-08
Regulation characteristics of bypass valve of two stage turbocharged diesel engine
LIU Zhong-chang, TENG Peng-kun, TIAN Jing, XU Yun, QI Sheng-lin, YU Kai-bo
State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University,Changchun 130022,China
Abstract

In a heavy duty diesel engine equipped with regulated two-stage turbocharging system, the impacts of different turbocharge bypass valve opening on fuel consumption and emission are explored. Results show that, at low speed, opening the bypass valve helps to reduce NO x emission, but in large load it causes the deterioration of the fuel economy. At high speed and low load, increasing the opening of the bypass valve helps to reduce pumping loss, the maximal drop in fuel consumption can reach 7.6%. While in middle and large load, due the effect of the interaction between pumping loss and indicated thermal efficiency, opening the bypass valve can reduce NO x emission without worsening the fuel economy premise. At different speeds and low load condition increasing the opening of bypass valve, or at middle and large load condition closing or reducing the opening of the bypass valve can achieve the best fuel economy, without obvious deterioration of NO x emission that the smoke emission is less than 4%. Under the optimal control strategy of turbocharged diesel engine, compared with the original single-stage turbocharged engine prototype, two-stage turbocharging in low speed has the advantage of high fuel economy.

Key words: power machinery and engineering; two stage turbocharged diesel engine; bypass valve; zoning control
0 引言

二级涡轮增压技术不仅可以提高柴油机平均有效压力, 降低排放, 还可以克服低速转矩性能差、废气再循环(EGR)引入能力较弱以及瞬态响应性能差等缺点, 目前已广泛应用在车用柴油机上[1, 2, 3]。其中在二级增压系统上增设涡轮旁通阀可以调节高、低压级涡轮之间的能量分配, 进而实现增压压力可调, 具有结构可靠、成本低、控制方便等优点, 成为国内外众多学者的研究热点[4, 5, 6]。如Hashimoto[7]和Canova[8]等研究了二级增压系统对柴油机动力性和燃油经济性的影响并进行了试验验证, 结果表明, 低转速工况下关闭旁通阀、中高转速工况下打开旁通阀可以获得良好的燃油经济性和排放性能。吉林大学田径[9]和许允[10]等的研究成果表明, 几何截面增压器(VGT)耦合EGR可以改善增压柴油机燃油经济性和排放性能, 二级增压系统的旁通阀可以改善压气机效率和燃油经济性。北京理工大学魏名山等[11, 12]的研究成果表明, 带有放气阀的外置蝶阀类旁通阀机构紧凑、体积较小, 可以更好地调节高、低涡轮间的排气能量分配。上海交通大学刘博等[13]的研究成果表明, 蝶阀可以在0~80%开度区间内近似呈线性地调节阀门与高压级涡轮间的排气流量分配; 但是在80~100%开度区间几乎无调节能力; 二级增压系统在中低转速、中高负荷工况下可以提高燃油经济性, 中高转速工况下, 提高进气量不会明显改善燃烧效果, 反而增大泵气损失, 基于燃油经济性考虑应开启涡轮旁通阀。Shi等[14]的研究成果表明, 合理地控制旁通阀和放气阀开度, 在低转速工况下可以提高柴油机的动力输出、降低燃油消耗率和烟度排放; 中高转速、高负荷工况下打开旁通阀能提高柴油机的瞬态性能。

通过以上研究发现:二级增压系统可以通过调节高压级涡轮旁通阀改变有效涡轮流通截面积, 进而改变增压压力和进、排气量, 最终影响柴油机的燃油经济性和排放性能。但针对全工况范围内旁通阀对柴油机燃油经济性和排放性能影响以及全工况范围内的旁通阀控制策略的试验和研究却鲜见报道, 因此本文在一台搭载可调二级涡轮增压系统的重型柴油机上, 研究了不同旁通阀开度对二级增压柴油机燃油经济性和排放性能的影响规律, 并以燃油经济性为基准, 给出旁通阀的最优控制策略, 为实现柴油机的节能减排提供了理论依据。

1 测控系统和试验方案
1.1 测控系统和试验台架

本文的试验发动机为一台高压共轨、增压中冷6缸柴油机, 主要技术参数如表1所示, 其中, 标定功率对应的转速为2100 r/min, 最大扭矩对应的转速为1300 r/min。图1为柴油机试验台架及测控系统布置图, 试验台架包含带有高压级涡轮旁通蝶阀的二级增压系统和测控系统。

表1 柴油机的主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of diesel engine

图1 二级增压柴油机测控平台Fig.1 Measurement and control platform of diesel engine with 2-stage turocharger

本文采用具有硬密封性的耐高温气动蝶阀作为高压级涡轮旁通蝶阀, 它具有流阻小、调节能力强、控制方便等特点, 具体参数如表2所示。试验中输入0~10 V电压信号以控制旁通阀定位器, 0~10 V电压信号对应的旁通阀开度为0%~100%。图2为旁通阀开度与电压值对应关系, 从图中可以看出, 输入电压值与旁通阀开度具有较高的线性拟合度。试验中可实现旁通阀开度良好的线性控制。

表2 旁通蝶阀的主要技术参数 Table 2 Main technical parameters of bypass valve

图2 旁通阀开度与电压值的对应关系Fig.2 Corresponding relationship between open degree and voltage value of bypass valve

测控系统包含油门电压控制器、南峰CW440电涡流测功机、高响应速率的传感器、高速A/D采集卡(毫秒级精度)、HORIBA排放分析仪、ToCeiL-CMFD010燃油质量流量计、小野DS-9100燃烧分析仪、AVL1000空气流量计、AVL439烟度计、FI-Piezo电荷放大器等, 可以实现对发动机转速、扭矩、燃油消耗量、燃烧参数、进气流量、消光烟度、进排气压力、温度和尾气排放等参数的实时测量和同步采集。

1.2 试验方案

对原单级增压柴油机及二级增压柴油机的全转速、全负荷范围内的工况进行研究。首先选取稳态测试循环不同转速下(A(1330 r/min)、B(1650 r/min)和C(1965 r/min))的负荷工况点, 分析不同旁通阀开度(为避免高压级压气机出现“ 惰转” 现象, 研究中将旁通阀最大开度定为80%; 并以10%间隔开度递增)对燃油经济性和排放性能的影响规律, 并在全工况范围内探讨高压级涡轮旁通阀开度对燃油经济性的影响规律, 进而制定旁通阀最优分区控制策略。

2 试验结果及分析
2.1 旁通阀开度对低转速性能的影响

图3以转速A(1330 r/min)4个负荷工况点(A25、A50、A75、A100)为例说明旁通阀开度对进、排气参数和空燃比的影响。

图3 不同旁通阀开度对进、排气参数的影响(A转速工况)Fig.3 Influence of different bypass valve opening on intake and exhaust parameters under condition of A speed condition

随着高压级涡轮旁通阀开度增大, 可调二级增压系统的等效涡轮流通面积增大, 增压比降低, 进、排气压力和空燃比降低, 且由于蝶阀的流通特性变化趋势为先急后缓。结合进、排气参数对发动机排放性能的影响(见图4)可知, 消光烟度值随旁通阀开度的增大单调递增, 但均低于2.6%, 如图4中下面箭头所示, 这主要是由于二级增压柴油机空燃比较大, 旁通阀打开引起的进气量减少对烟度的影响较小所致; NOx值在小负荷工况下随旁通阀开度增大变化的幅值较小, 如图4中上面箭头所示, 这是由于在小负荷工况下二级增压系统空燃比较大(见图3), 旁通阀开度对燃烧影响较小; 中高负荷工况下随旁通阀开度的增大, NOx值单调降低, 降幅均超过13%, 这是由于随旁通阀开度增大, 进气量降低, 富氧燃烧区减小所致。

图4 不同旁通阀开度对排放性能的影响(A转速工况)Fig.4 Effect of different bypass valve opening on emission performance under A speed condition

发动机的燃油消耗率主要与缸内燃烧情况、换气过程有关, 因此主要由表征燃烧过程的总指示效率和表征换气过程的泵气功决定该工况下的燃油消耗率。旁通阀开度对燃油经济性的影响如图5所示。从图5可以看出, 随着旁通阀开度的增大, 小负荷工况下燃油消耗率变化很小, 结合图3可知, 这是由于小负荷工况下旁通阀开度对进排气压差引起的泵气损失和缸内燃烧影响较小; 中高负荷工况下燃油消耗率随旁通阀开度增大而单调增加。由图3和图6可知:中高负荷工况下打开旁通阀, 进气量减少, 引起燃烧变差, 导致高压循环指示热效率降低, 同时排气压力下降幅度大于进气压力下降幅度, 导致泵气功逐渐为正。但是高压循环指示热效率的恶化程度大于泵气功的改善程度, 使得燃油消耗率随旁通阀打开而升高, 且最大增幅达8.0%。所以综合考虑排放性能和燃油经济性, 低转速小负荷工况下旁通阀应该中开度开启(开度为10%~20%), 中高负荷工况下关闭旁通阀。

图5 不同旁通阀开度对燃油经济性的影响(A转速工况)Fig.5 Effect of different bypass valve opening on economy performance under A speed condition

图6 不同旁通阀开度对进、排气压差及高压循环指示热效率的影响(A50工况)Fig.6 Influence of different bypass valve opening on inlet and outlet pressure and combustion parameters under A50 condition

2.2 旁通阀开度对中、高转速性能的影响

由图7~图9可知, 旁通阀开度对不同转速下进排气参数和排放性能的影响与低转速基本一致。进、排气压力和空燃比随开度的增大而降低, 烟度值随旁通阀开度增大而单调递增, 但烟度值仍较小, 低于3.5%, 主要是由于空燃比降低引起的进气量减小对烟度影响较小; 小负荷工况下NOx值随旁通阀开度增大而单调递增, 最大增幅达20%, 这是由于中高转速工况下增压比较大, 进气量充足, 空燃比降低使燃烧温度升高导致高温区增加; 中高负荷工况下随旁通阀开度的增大, NOx值单调降低, 最大降幅达15%, 结合进、排气参数(见图7和图8)可知, 旁通阀打开导致空燃比降低、进气量减小是NOx值降低的主要原因。

图7 不同旁通阀开度对进、排气参数的影响(B转速工况)Fig.7 Influence of different bypass valve opening on intake and exhaust parameters under condition of B speed condition

图8 不同旁通阀开度对进、排气参数的影响(C转速工况)Fig.8 Influence of different bypass valve opening on intake and exhaust parameters under condition of C speed condition

图9 不同旁通阀开度对排放性能和燃油经济性的影响(B、C转速工况)Fig.9 Effect of different bypass valve opening on emission performance and economy perfor-mance under B and C speed condition

虽然打开旁通阀可以降低中高负荷工况下NOx的排放, 然而从图9可以看出, 旁通阀开度对燃油消耗率的影响与对排放性能的影响并不一致。随旁通阀开度的增大, B转速小负荷工况下燃油消耗率呈下降趋势, 但幅值较小, 这主要是由于小负荷工况下旁通阀打开对进排气压差引起的泵气损失和燃烧影响较小; 中高负荷工况下燃油消耗率随旁通阀开度的增大而单调增加, 最大增幅达到3.2%, 结合图7和图10可知:这是由于随旁通阀开度的增大, 高压循环指示热效率的恶化程度大于泵气功(泵气功为正)的改善程度; C转速小负荷工况下燃油消耗率随旁通阀开度的增大而单调递减, 降幅达7.4%, 主要是由于高转速使排气压力较大(见图8), 引起了较大的泵气损失, 关闭旁通阀可以改善燃油经济性; 中高负荷工况下燃油消耗率随旁通阀开度的增大幅值变化较小, 这主要是因为随转速的增大, 排气能量增加, 泵气功(泵气功为正)的改善程度与高压循环指示热效率的恶化程度(见图10)趋于一致。所以综合考虑排放性能和燃油经济性, 中高转速工况下需要打开旁通阀, 其中, 中转速小负荷工况下旁通阀中开度开启(开度为10%~20%); 高转速小负荷工况下旁通阀大开度开启(开度为30%~40%); 中高负荷工况下旁通阀小开度开启(开度为10%~20%)。

图10 不同旁通阀开度对进、排气压差及高压循环指示热效率的影响(B50、C50工况)Fig.10 Influence of different bypass valve opening on inlet and outlet pressure and combustion parameters under B50 and C50 condition

2.3 全负荷工况下旁通阀控制策略

为了进一步得到二级增压柴油机全工况范围内的最优旁通阀控制策略, 本文对二级增压柴油机全工况范围内6个转速(1000、1330、1500、1650、1965、2100 r/min)的6个负荷(10%、25%、50%、75%、90%、100%)工况下的涡轮旁通阀调节性能进行了研究, 并综合考虑排放性能和燃油经济性, 绘制出全工况范围内的高压级涡轮旁通阀分区控制策略图, 如图11所示。从图11可以看出:中低转速中高负荷工况下关闭旁通阀有利于提高二级增压柴油机的燃油经济性, 而随负荷降低以及转速增加, 适当增大旁通阀开度有利于提高二级增压柴油机的燃油经济性, 尤其在高转速的低负荷区域, 完全打开旁通阀可以使二级增压柴油机获得较好的燃油经济性。

图11 高压级涡轮旁通阀分区控制Fig.11 High pressure turbine bypass valve area control

在图11所示的分区控制策略的基础上, 在全工况范围内对比了二级增压与原机单级增压柴油机的燃油经济性, 如图12所示。从图中可以看出, 涡轮旁通阀分区控制下的二级增压在低转速中高负荷工况下的燃油消耗率较原机降低, 其余工况的燃油消耗率较原机小幅度升高, 二级增压表现出明显的低转速优势。

图12 原机与分区控制下二级增压万有特性图Fig.12 Original machine and partition under control of two level of pressurized universal characteristic

3 结论

(1)低转速工况下打开旁通阀可以降低NOx排放, 其中小负荷工况下小开度开启旁通阀可以在不恶化燃油经济性的同时降低NOx排放, 而中高负荷工况下关闭旁通阀却可以使燃油消耗率降幅达6.5%; 中高转速小负荷工况下随旁通阀开度增大, NOx排放增多, 但打开旁通阀可以减小泵气损失, 使燃油消耗率降低7.6%, 中高负荷工况下小开度开启旁通阀可以在不恶化燃油经济性的同时降低NOx排放。

(2)中低转速、小负荷工况下中开度开启旁通阀, 中低转速、中高负荷工况下关闭旁通阀, 高转速、小负荷工况下大开度开启旁通阀, 以及高转速、中高负荷工况下小开度开启旁通阀均可以得到最优的旁通阀控制策略, 实现燃油经济性和排放性能的折衷。

(3)最优控制策略下的二级增压柴油机与原单级增压发动机样机相比, 低转速中高负荷工况下燃油消耗率较原机低, 其余工况的燃油消耗率较原机有小幅度增加, 二级增压具有低转速优势。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Watel E, Pagot A, Pacaud P, et al. Matching and evaluating methods for EURO 6 and efficient two-stage turbocharging diesel engine[C]∥SAE Paper, 2010-01-1229. [本文引用:1]
[2] 田径, 刘忠长, 张文杰, 等. 加载条件对车用发动机瞬态工况性能的影响[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2015, 45(6): 1798-1803.
Tian Jing, Liu Zhong-chang, Zhang Wen-jie, et al. Effect of load conditions on the performance of diesel engine under transient operation condition[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2015, 45(6): 1798-1803. [本文引用:1]
[3] Kang J, Lee J, Song H S, et al. Enhancing power density with two-stage turbochargers[C]∥SAE Paper, 2012 -01-0709. [本文引用:1]
[4] Gautier P, Albrecht A, Chasse A, et al. A simulation study of the impact of LP EGR on a two-stage turbocharged diesel engine[J]. Oil & Gas Science and Technology, 2009, 64(3): 361-379. [本文引用:1]
[5] Li Hua-lei, Shi Lei, Cui Yi, et al. Research on a closed-loop control strategy of boost pressure in diesel engines with regulated two-stage turbocharging system[C]//SAE Paper, 2015-01-1986. [本文引用:1]
[6] Plianos A, Stobart R. Modeling and control of diesel engines equipped with a two-stage turbo-system[C]∥SAE Paper, 2008-01-1018. [本文引用:1]
[7] Hashimoto M, Aoyagi Yuzo, Kobayashi M, et al. BSFC improvement and NOx reduction by sequential turbo system in a heavy duty diesel engine[C]∥SAE Paper, 2012-01-0712. [本文引用:1]
[8] Canova M, Chiara F, Rizzoni G, et al. Model-based characterization and analysis of diesel engines with two-stage turbochargers[C]∥SAE Paper, 2010-01-1220. [本文引用:1]
[9] 田径, 刘忠长, 葛思非, 等. 可变几何截面增压器/废气再循环对重型柴油机性能和排放的影响[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2009, 39(4): 864-868.
Tian Jing, Liu Zhong-chang, Ge Si-fei, et al. Effect of VGT/EGR system on performances and emissions of heavy-duty diesel engine[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2009, 39(4): 864-868. [本文引用:1]
[10] 许允, 亓升林, 刘忠长, 等. 二级增压系统压气机效率的优化策略研究[J]. 车用发动机, 2015, 219(4): 60-66.
Xu Yun, Qi Sheng-lin, Liu Zhong-chang, et al. Optimization strategy of compressor efficiency for two-stage turbocharging system[J]. Vehicle Engine, 2015, 219(4): 60-66. [本文引用:1]
[11] 魏名山, 张志, 何永玲, 等. 带不同类型调节阀的二级增压系统结构与性能对比[J]. 内燃机工程, 2009, 30(1): 51-54.
Wei Ming-shan, Zhang Zhi, He Yong-ling, et al. Configuration and performance comparisons between regulated two-stage turbocharging systems with different valves[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2009, 30(1): 51-54. [本文引用:1]
[12] 魏名山, 张志, 方金莉, 等. 带有放气阀的二级增压系统的设计与试验[J]. 内燃机学报, 2009, 27(2): 166-170.
Wei Ming-shan, Zhang Zhi, Fang Jin-li, et al. Design and experiments for a regulated two-stage turbocharging system with a waste gate valve[J]. Transactions of CSICE, 2009, 27(2): 166-170. [本文引用:1]
[13] 刘博, 胡志龙, 李华雷, 等. 可调二级增压柴油机旁通阀特性和调节规律的试验[J]. 内燃机学报, 2012, 30(1): 72-78.
Liu Bo, Hu Zhi-long, Li Hua-lei, et al. Experiment on characteristic of bypass valves and regulating MAP of a regulated two-stage turbocharged diesel engine[J]. Transactions of CSICE, 2012, 30(1): 72-78. [本文引用:1]
[14] Shi Lei, Li Hua-lei, Zhang Hui-yan, et al. The effect of bypass valve control on the steady state and transient performance of diesel engines with regulated two-stage turbocharging system[C]//SAE Paper, 2015-01-1987. [本文引用:1]