CN114738109A - 一种两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法 - Google Patents

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CN114738109A CN202210347346.3A CN202210347346A CN114738109A CN 114738109 A CN114738109 A CN 114738109A CN 202210347346 A CN202210347346 A CN 202210347346A CN 114738109 A CN114738109 A CN 114738109A
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Abstract

本发明涉及活塞式内燃机技术领域，具体公开了一种两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法，首先估算匹配的柴油机在外特性各工况点时所需进气流量与增压压力；将两级增压器看作一个整体，由增压器涡轮与压气机之间的功率平衡关系，通过调整总增压器效率，来确定涡前压力的大小，计算两级增压器增压比和膨胀比的最优值，计算低压级增压器优化后的最佳涡轮几何当量流通面积，确定旁通系数的优化范围以及高压级涡轮有效流通面积与高压级压气机相似流量；并建立压端/涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则。本发明为进一步优化两级增压器压比分配策略提供依据，简化了关键参数匹配问题的复杂性，使方案更容易实现。

Description

一种两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法
技术领域
本发明涉及活塞式内燃机技术领域，具体为一种两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法。
背景技术
两级涡轮增压技术是实现内燃机高功率、低油耗、小型化目标的一项重要技术。随着对能量利用高效率和严格排放法规的不断追求，内燃机对节能减排提出了更高的要求，两级涡轮增压技术也随之迈入了大的发展阶段。其中带旁通阀的两级增压系统通过在高压级增压器涡轮端或者压气机端并联一个旁通阀，使内燃机废气能量的利用更加灵活，几乎满足任何复杂燃烧模式的进气需求，同时也能实现较快的响应，为内燃机平衡态与非平衡态流通特性的优化匹配提供了条件。
近年来，针对两级增压系统的匹配提出了众多的模型描述。但目前的两级增压匹配方法并未考虑带旁通道的流通特性参数的描述，导致带旁通阀的两级增压系统匹配方法缺少相关解决方案。同时，带旁通阀的两级增压系统与内燃机的非最佳匹配将会直接导致低速满负荷工况下的性能不佳。因此，提出一种适用于带旁通阀两级增压系统的匹配方法，丰富两级增压器的优化选型理论基础是非常必要的。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于带旁通阀的两级增压系统关键参数的匹配方法，能够更有效地优选出带旁通阀的两级增压系统中旁通系数、高压级涡轮有效流通面积和高压级压气机相似流量等相关特性参数。技术方案如下：
一种两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法，包括以下步骤：
步骤1：估算匹配的柴油机在外特性各工况点时所需进气流量与增压压力；
步骤2：将两级增压器看作一个整体，由增压器涡轮与压气机之间的功率平衡关系，通过调整总增压器效率，来确定涡前压力的大小；
步骤3：以对废气能量利用率最高为优化原则，计算出柴油机在各工况点时，两级增压器增压比和膨胀比的最优值；
步骤4：分别计算柴油机在外特性各工况点时，低压级增压器优化后的最佳涡轮几何当量流通面积；
步骤5：确定旁通系数δ的优化范围；
步骤6：确定高压级涡轮有效流通面积与高压级压气机相似流量的优化范围；
步骤7：根据使用需求从优化范围中确定旁通系数、高压级涡轮有效流通面积与高压级压气机相似流量的优化值；
步骤8：建立压端/涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则。
进一步的，所述步骤5中确定旁通系数δ的优化范围具体包括：
骤51：将高压级压气机与压端旁通阀视为等效高压级压气机，高压级涡轮与涡端旁通阀视为等效高压级涡轮，利用两级增压的匹配特性可以获取带旁通阀两级增压系统中的等效高压级增压比EπHPC和等效高压级膨胀比EπHPT；
骤52：根据所述等效高压级增压比EπHPC和等效高压级膨胀比EπHPT，利用高压级增压器功率平衡方程，优化出高压级旁通系数δ与高压级增压器效率ηHP的关系；
骤53：将高压级增压器效率ηHP表达成旁通系数δ的约束关系的函数
ηHP＝F(δ)
则将δ描述为关于ηHP的反函数：
δ＝F-1(ηHP)
若考虑高压级增压器效率ηHP的高效率区间为[a～b]，则所匹配两级增压柴油机在EOCL、EOCM、EOCH即低、中、高三个工况的旁通系数范围结果分别为：
Figure BDA0003577226830000021
Figure BDA0003577226830000022
Figure BDA0003577226830000023
三个工况下满足要求的值域δ所表示的交集范围为发动机全转速工况下最优旁通系数选取范围值：δ＝δL∩δM∩δH,ηHP∈[a～b]。
更进一步的，所述建立压端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则具体包括：
步骤81.1：根据压端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级增压器压气机的总功率Wc为：
Figure BDA0003577226830000024
其中，QLPC为低压级压气机流量，kC为空气等熵指数，RC为空气气体常数，T1和T0分别为高压级与低压级压气机的进口温度，πHPC和πLPC分别为高压级与低压级压气机的增压比；
步骤81.2：控制各级中冷器，使
Figure BDA0003577226830000025
则将压端旁通两级增压器压气机的总功率Wc化简为：
Figure BDA0003577226830000031
其中，ε为压端旁通升温比；
步骤81.3：使各级压气机满足
Figure BDA0003577226830000032
即
Figure BDA0003577226830000033
Figure BDA0003577226830000034
以使两级增压器压气机总耗能最少，实现目标总增压比；
步骤81.4：为实现目标总膨胀比，以最小涡轮功耗来优化各级膨胀比的分配关系，由压端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级涡轮总功率WT为：
Figure BDA0003577226830000035
其中，ηHP和ηLP分别为高压级与低压级涡轮增压器总效率，QHPT为高压级涡轮流量，kT为废气等熵指数，RT为废气气体常数，T4和T5分别为高压级与低压级涡轮的涡前温度，πHPT和πLPT分别为高压级与低压级涡轮的膨胀比；
步骤81.5：使
Figure BDA0003577226830000036
以使两级涡轮耗能最少；
考虑高压级和低压级增压器膨胀比相等，则两级涡轮总功率简为：
Figure BDA0003577226830000037
当
Figure BDA0003577226830000038
时，达到目标增压比；
依据柴油机在不同的工作情况时高压级涡轮前后温差(T4-T5)值，得出
Figure BDA0003577226830000039
时，柴油机实现目标增压比，两级涡轮消耗总能量最少，即废气利用效率最高；
所述建立涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则具体包括：
步骤82.1：根据涡端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级增压器压气机的总功率Wc为：
Figure BDA00035772268300000310
其中，QHPC为高压级压气机流量；
步骤82.2：控制各级中冷器，使
Figure BDA00035772268300000311
则将涡端旁通两级增压器压气机的总功率Wc化简为：
Figure BDA00035772268300000312
其中，γ为涡端旁通升温比；
步骤82.3：使各级压气机满足
Figure BDA0003577226830000041
即
Figure BDA0003577226830000042
以使两级增压器压气机总耗能最少，实现目标总增压比；
步骤82.4：根据涡端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级涡轮总功率WT为：
Figure BDA0003577226830000043
其中，QLPT为低压级涡轮流量；
步骤82.5：使
Figure BDA0003577226830000044
时，以使两级涡轮耗能最少；
提出高压级和低压级增压器膨胀比相等的假设，则两级涡轮总功率化简为：
Figure BDA0003577226830000045
当
Figure BDA0003577226830000046
时，达到目标增压比。
本发明的有益效果是：
1)本发明充分考虑了旁通阀对两级增压系统匹配关系的影响，从而提出了适用于带压端/涡端旁通阀的两级增压系统的匹配方法，建立了压端/涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则，不但丰富了两级增压器的优化选型理论基础，还能够为进一步优化两级增压器压比分配策略提供依据。
2)本发明采用等效增压器的理论思路匹配带旁通阀的两级涡轮增压系统简化了关键参数匹配问题的复杂性，使方案更容易实现。
附图说明
图1为本发明两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法流程图。
图2为带旁通阀两级增压系统等效示意图；HPC—高压级压气机，HPT—高压级涡轮，LPC—低压级压气机，LPT—低压级涡轮。
图3为带旁通阀两级增压系统最优分配时δ与ηHP的约束关系
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
一种用于带旁通阀的两级增压系统关键参数的匹配方法，包括以下步骤：
1、两级涡轮增压系统关键参数计算流程
步骤1：对匹配的柴油机在外特性各工况点时所需进气流量qmb与增压压力Pb进行估算
步骤2：将两级增压器看作一个整体，由增压器涡轮与压气机之间的功率平衡关系得到，式中通过调整总增压器效率ηTb,来确定涡前压力PT的大小
步骤3：以对废气能量利用率最高为优化原则，计算出柴油机在各工况点时，各级增压器增压比、膨胀比的最优值。
步骤4：分别计算柴油机在外特性各工况点时，低压级增压器优化后的最佳涡轮几何当量流通面积FTL；
步骤5：确定旁通系数δ(旁通阀开度)的优化范围
步骤51：如图2所示，将高压级压气机与压端旁通阀视为等效高压级压气机，高压级涡轮与涡端旁通阀视为等效高压级涡轮。这样带旁通阀的两级增压系统可看做传统的两级增压系统(不带旁通阀)，等效前后的增压器在流通特性与做功程度上具有完全一致的外在表现，利用两级增压的匹配特性可以获取带旁通阀两级增压系统中的等效高压级增压比EπHPC和等效高压级膨胀比EπHPT。
步骤52：如图3所示，根据所述步骤51中得到的等效高压级增压比EπHPC和等效高压级膨胀比EπHPT，利用高压级增压器功率平衡方程，优化出高压级旁通系数δ与高压级增压器效率ηHP的关系。图中为柴油机低、中、高三个转速的满负荷工况(分别表示为EOCL、EOCM、EOCH)。
步骤53：将高压级增压器效率ηHP表达成旁通系数δ的约束关系的函数(ηHP＝F(δ))，则δ可描述为关于ηHP的反函数(δ＝F-1(ηHP))，若考虑高压级增压器效率ηHP的高效率区间为[a～b]，则所匹配两级增压柴油机在EOCL、EOCM、EOCH三个工况的旁通系数范围结果分别为
Figure BDA0003577226830000051
和
Figure BDA0003577226830000052
三个工况下满足要求的值域δ所表示的交集范围为发动机全转速工况下最优旁通系数选取范围值(δ＝δL∩δM∩δH,ηHP∈[a～b])。
步骤6：确定高压级涡轮有效流通面AHPT与高压级压气机相似流量
Figure BDA0003577226830000053
步骤61：如图3所示，根据所述步骤5中确定的旁通系数δ优选范围值，进一步确定高压级涡轮有效流通面积AHPT、高压级压气机相似流量
Figure BDA0003577226830000054
范围。
步骤62：根据发动机运行要求从上一步骤确定的范围中优选出最终旁通系数δ、高压级涡轮有效流通面积AHPT与高压级压气机相似流量
Figure BDA0003577226830000055
值。
2、本发明的另一目的是建立压端/涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则
(1)压端旁通两级增压系统增压比和膨胀比最优分配时的约束原则
步骤1：根据压端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式可得两级增压器压气机的总功率Wc为
Figure BDA0003577226830000061
步骤2：控制各级中冷器，使
Figure BDA0003577226830000062
则压端旁通两级增压器压气机的总功率Wc可化简为
Figure BDA0003577226830000063
步骤3：由均值不等式可知，当
Figure BDA0003577226830000064
时，压端旁通两级增压系统中两级增压器压气机的总功率Wc最小。因此，为实现目标总增压比，当各级压气机满足
Figure BDA0003577226830000065
即
Figure BDA0003577226830000066
时两级增压器压气机总耗能最少。
步骤4：为实现目标总膨胀比，以最小涡轮功耗来优化各级膨胀比的分配关系。由压端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式可得两级涡轮总功率WT为
Figure BDA0003577226830000067
步骤5：由步骤3同理可得，当
Figure BDA0003577226830000068
时，两级涡轮耗能最少来实现目标增压比。若考虑高压级和低压级增压器膨胀比相等，则两级涡轮总功率可化简为
Figure BDA0003577226830000069
其中
Figure BDA00035772268300000610
时，达到目标增压比。依据柴油机在不同的工作情况时高压级涡轮前后温差(T4-T5)值，可以得出
Figure BDA00035772268300000611
时，柴油机实现目标增压比，两级涡轮消耗总能量最少，即废气利用效率最高。
(2)涡端旁通两级增压系统增压比和膨胀比最优分配时的约束原则
步骤1：根据涡端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式可得两级增压器压气机的总功率Wc为：
Figure BDA00035772268300000612
步骤2：控制各级中冷器，使
Figure BDA00035772268300000613
则涡端旁通两级增压器压气机的总功率Wc可化简为
Figure BDA00035772268300000614
步骤3：由均值不等式可知，当
Figure BDA00035772268300000615
时，涡端旁通两级增压系统中两级增压器压气机的总功率Wc最小。因此，为实现目标总增压比，当各级压气机满足
Figure BDA0003577226830000071
即
Figure BDA0003577226830000072
时两级增压器压气机总耗能最少。
步骤4：根据涡端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式可得两级涡轮总功率WT为
Figure BDA0003577226830000073
步骤5：由步骤3同理可得，当
Figure BDA0003577226830000074
时，两级涡轮耗能最少来实现目标增压比。若提出高压级和低压级增压器膨胀比相等的假设，则两级涡轮总功率可化简为
Figure BDA0003577226830000075
当
Figure BDA0003577226830000076
时，达到目标增压比。
本发明充分考虑了旁通阀对两级增压系统匹配关系的影响，从而提出了适用于带压端/涡端旁通阀的两级增压系统的匹配方法，建立了压端/涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则，不但丰富了两级增压器的优化选型理论基础，还能够为进一步优化两级增压器压比分配策略提供依据。

Claims (3)

1.一种两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：估算匹配的柴油机在外特性各工况点时所需进气流量与增压压力；
步骤2：将两级增压器看作一个整体，由增压器涡轮与压气机之间的功率平衡关系，通过调整总增压器效率，来确定涡前压力的大小；
步骤3：以对废气能量利用率最高为优化原则，计算出柴油机在各工况点时，两级增压器增压比和膨胀比的最优值；
步骤4：分别计算柴油机在外特性各工况点时，低压级增压器优化后的最佳涡轮几何当量流通面积；
步骤5：确定旁通系数δ的优化范围；
步骤6：确定高压级涡轮有效流通面积与高压级压气机相似流量的优化范围；
步骤7：根据使用需求从优化范围中确定旁通系数、高压级涡轮有效流通面积与高压级压气机相似流量的优化值；
步骤8：建立压端/涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则。
2.根据权利要求1所述的两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法，其特征在于，所述步骤5中确定旁通系数δ的优化范围具体包括：
骤51：将高压级压气机与压端旁通阀视为等效高压级压气机，高压级涡轮与涡端旁通阀视为等效高压级涡轮，利用两级增压的匹配特性可以获取带旁通阀两级增压系统中的等效高压级增压比EπHPC和等效高压级膨胀比EπHPT；
骤52：根据所述等效高压级增压比EπHPC和等效高压级膨胀比EπHPT，利用高压级增压器功率平衡方程，优化出高压级旁通系数δ与高压级增压器效率ηHP的关系；
骤53：将高压级增压器效率ηHP表达成旁通系数δ的约束关系的函数：
ηHP＝F(δ)
则将δ描述为关于ηHP的反函数：
δ＝F-1(ηHP)
若考虑高压级增压器效率ηHP的高效率区间为[a～b]，则所匹配两级增压柴油机在EOCL、EOCM、EOCH即低、中、高三个工况的旁通系数范围结果分别为：
Figure FDA0003577226820000011
Figure FDA0003577226820000012
Figure FDA0003577226820000013
三个工况下满足要求的值域δ所表示的交集范围为发动机全转速工况下最优旁通系数选取范围值：δ＝δL∩δM∩δH，ηHP∈[a～b]。
3.根据权利要求1所述的两级涡轮增压内燃机关键参数的匹配方法，其特征在于，所述建立压端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则具体包括：
步骤81.1：根据压端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级增压器压气机的总功率Wc为：
Figure FDA0003577226820000021
其中，QLPC为为低压级压气机流量，kC为空气等熵指数，RC为空气气体常数，T1和T0分别为高压级与低压级压气机的进口温度，πHPC和πLPC分别为高压级与低压级压气机的增压比；
步骤81.2：控制各级中冷器，使
Figure FDA0003577226820000022
则将压端旁通两级增压器压气机的总功率Wc化简为：
Figure FDA0003577226820000023
其中，ε为压端旁通升温比；
步骤81.3：使各级压气机满足
Figure FDA0003577226820000024
即
Figure FDA0003577226820000025
Figure FDA0003577226820000026
以使两级增压器压气机总耗能最少，实现目标总增压比；
步骤81.4：为实现目标总膨胀比，以最小涡轮功耗来优化各级膨胀比的分配关系，由压端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级涡轮总功率WT为：
Figure FDA0003577226820000027
其中，ηHP和ηLP分别为高压级与低压级涡轮增压器总效率，QHPT为高压级涡轮流量，kT为废气等熵指数，RT为废气气体常数，T4和T5分别为高压级与低压级涡轮的涡前温度，πHPT和πLPT分别为高压级与低压级涡轮的膨胀比；
步骤81.5：使
Figure FDA0003577226820000028
以使两级涡轮耗能最少；
考虑高压级和低压级增压器膨胀比相等，则两级涡轮总功率简为：
Figure FDA0003577226820000029
当
Figure FDA00035772268200000210
时，达到目标增压比；
依据柴油机在不同的工作情况时高压级涡轮前后温差(T4-T5)值，得出
Figure FDA0003577226820000031
时，柴油机实现目标增压比，两级涡轮消耗总能量最少，即废气利用效率最高；
所述建立涡端旁通两级增压系统各级间增压比与膨胀比最优分配时的约束原则具体包括：
步骤82.1：根据涡端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级增压器压气机的总功率Wc为：
Figure FDA0003577226820000032
其中，QHPC为高压级压气机流量；
步骤82.2：控制各级中冷器，使
Figure FDA0003577226820000033
则将涡端旁通两级增压器压气机的总功率Wc化简为：
Figure FDA0003577226820000034
其中，γ为涡端旁通升温比；
步骤82.3：使各级压气机满足
Figure FDA0003577226820000035
即
Figure FDA0003577226820000036
Figure FDA0003577226820000037
以使两级增压器压气机总耗能最少，实现目标总增压比；
步骤82.4：根据涡端旁通两级增压系统的各级功率平衡方程式得到两级涡轮总功率WT为：
Figure FDA0003577226820000038
其中，QLPT为低压级涡轮流量；
步骤82.5：使
Figure FDA0003577226820000039
时，以使两级涡轮耗能最少；
提出高压级和低压级增压器膨胀比相等的假设，则两级涡轮总功率化简为：
Figure FDA00035772268200000310
当
Figure FDA00035772268200000311
时，达到目标增压比。
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