基于GT-Power的8190柴油机涡轮增压系统仿真研究

任运征 程伦 杨珂

摘 要：文章基于GT-Power仿真模拟软件，以8190柴油机为基础构建整机模型对涡轮增压系统进行研究。通过更改不同的相继涡轮增压系统设置，如大小增压器的位置、流量比和增压器开闭，得到不同工况下的发动机运行参数并分析对比，使8190柴油機整机经济性和动力性处于最佳。

关键词：仿真模拟;相继涡轮增压系统;流量比

中图分类号：U461.99  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）13-152-03

Simulation Research on Turbocharge System of 8190 Diesel Engine

Based on GT-Power

Ren Yunzheng， Cheng Lun， Yang Ke

（Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract： Based on GT-Power simulation software， this paper builds a model of the whole machine on the basis of 8190 diesel engine to study the turbocharging system. By changing the settings of different successive turbocharging systems， such as the position of the supercharger， the flow ratio and the opening and closing of the supercharger， the engine operating parameters under different operating conditions are obtained and analyzed and compared to make the 8190 diesel engine economic and power is at its best.

Keywords： Simulation; Successive turbocharging system; Flow ratio

CLC NO.： U461.99  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）13-152-03

引言

传统的涡轮增压系统已经难以满足排放法规和性能需求。在此背景下，能适应内燃机各种工况的增压系统呼之欲出。目前有相继涡轮增压、可变截面涡轮增压和废气旁通增压等研究成果得到大家的青睐，而相继涡轮增压又以诸多优势被一直研究使用[1]。本文以8190柴油机模型为基础寻找相继增压系统的最佳流量比以及大小涡轮的配合使用界限。

1 相继涡轮增压系统建模及计算

1.1 相继涡轮增压系统简介

相继涡轮增压系统（Sequential Turbo Charging）简称STC系统，是指由多个涡轮增压器并联而成的增压系统，通过不同的控制阀门分别对各个增压器的工作状况进行调节。[2]相继增压技术是解决柴油机与增压器匹配矛盾，提高柴油机低工况性能的有效办法之一，随着发动机的负荷和转速增加，增压器陆续开始运行。在低转速和小负荷时，通过控制阀门关闭其他增压器涡轮机的废气供给和压气机的空气流通，使废气集中流过工作的一个或少数涡轮，从而充分利用废气能量，解决小负荷时压气机和发动机不匹配引起的喘振问题，改善柴油机的经济性、动力性以及排放特性。[3]随着转速增加和负荷变大，剩余的增压器相继开始工作，增加流通面积来保证发动机的高工况性能。

1.2 相继增压方案设计和分析

本文以8190柴油机模型为基础，来解决相继增压系统大小涡轮的最佳流量比和配合切换点问题。初步考虑此切换点位置与小增压器布置位置、大小增压器流量比以及负荷有关。由此做出如下设计方案：小增压器的位置设为边置和中置两种形式，每种形式根据大增压器和小增压器的流量比分为3：1、2：1、1：1三种方案，且每种方案有小增压器开启和关闭两种情况。另外，在同一负荷下还需模拟出柴油机从低速到高速的运转区间，通过仿真模拟求得这12种方案的油耗、排温、功率等数据。然后都其他设置不变的情况下，分别更改负荷为80%、60%和40%，取出相应数据分析对比得到不同情况对柴油机性能的影响，并可对8190柴油机的相继增压系统做出最优化处理方案。

1.3 模型构建

将原柴油机唯一的增压器改为大小两个增压器并联的相继增压系统。并将小增压器设为边置和中置两种布置形式，其中边置小增压器的涡轮进气来源于第8缸，而大增压器是将排气总管中的废气直接导入涡轮机;中置小增压器的涡轮进气和大增压器涡轮一样来自排气总管。

在这两种模型的基础上，针对上述十二种情况进行参数设置。然后在原机案例设置中增添600、700和1600r/min三个转速的案例，以此来模拟出一个大范围运转区间，此时转速分别为600、700、800、900、1000、1199、1300、1499、1600r/min，其余设置如点火提前角、喷射正时等全部相同，在同一负荷下喷油质量流量也相同，因为柴油机的负荷大小是由喷油量决定。另外根据大增压器和小增压器的流量比是3：1，还需在保证大小涡轮及大小压气机叶轮的质量流量系数是原机质量流量系数的前提下，将其按大增压器/小增压器为3：1修改后写入案例设置中，其中原机的增压器涡轮质量流量系数为3.95，压气机叶轮质量流量系数为1.15。其余的都按照相同方法设置，然后保存运行。将同一负荷下12种情况运算完之后，分别将负荷变为80%、60%和40%即将喷油量变为原来的80%、60%和40%，其余不变依次按照上述步骤进行模拟运算。

2 计算结果分析

2.1 油耗结果分析

小增压器中置和边置时各种相同情况下油耗一样，可认为小增压器的位置对柴油机的经济性无影响。同时发现在低转速时，小增压器关闭的情况比开启时油耗要低，而高转速时则相反。因为在低转速时，柴油机进气少，废气能量不足以使增压器涡轮达到合适转速，此时开启增压器反而使柴油机负载增大，油耗因此升高;而高转速时两个增压器一块使用增加了涡轮的流通面积，使得油耗降低。[4]另外大增压器/小增压器的流量比3：1时，在1200r/min，由大增压器开启切换到大小增压器同时开启可保证柴油机经济性最好;在大小增压器流量比为2：1时，1100r/min时切换最合适;在流量比为1：1时，950r/min时切换最合适。大小增压器流量比在1：1时有最低的油耗。其他条件不变，负荷减小时整体油耗上升，而且随着负荷减小，大小增压器切换时的转速也有相应的提前。

2.2 排气温度结果分析

小增压器位置与排温无关。随着大小增压器流量比减小，最低转速对应的排气温度也降低。当负荷不变，不论其他条件如何变化，小增压器开启时的排气温度都保持不变，这个温度整体高于小增压器关闭时的温度。在负荷为100%中，大小增压器流量比为3：1和2：1时，在600-1600r/min区间内，小增压器关闭时的排温一直低于开启时的排温;而当流量比变为1：1，在1360r/min时，小增压器关闭时的温度升高超过开启时的温度。在负荷减小时，小增压器关闭和开启时排温的重合点相较于大负荷往后推迟。

2.3 有效功率结果分析

小增压器位置对发动机的功率也无影响;在低转速时，小增压器关闭的情况发动机动力性要比小增压器开启时的好，高转速时，双增压器开启的动力性要好;每种情况运行时，动力性的好坏都有一个切换点，并且也是在大增压器/小增压器流量是1：1时，整个运行工作过程中发动机动力性最好。

3 结论

本文介绍了研究相继增压系统的实验过程，得出了8190柴油机在各种不同工况下最佳的大小涡轮流量比分配以及大小增压器配合切换点，并且小增压器位置对发动机性能无影响。

参考文献

[1] 于恩程.柴油机相继增压切换过程的稳定性研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学， 2012.

[2] 吴旭艳，张克松，刘莹，等.相继涡轮增压的发展[J].内燃机与动力装置，2010，6：1-6.

[3] 張哲，王希波，邓康耀.相继涡轮增压系统对D6114型柴油机性能的影响[J].农业机械学报，2008， 39（5）： 30-35.

[4] 王希波，张哲，邓康耀.相继增压柴油机切换过程瞬态特性实验系统[J].农业机械学报， 2007， 38（7）： 46-48.