对置二冲程柴油机可调复合增压方案切换规律研究

第*卷第*期*年*月对置活塞二冲程柴油机复合增压方案切换规律争论

Vol.*No.**.201*谢钊毅

1，赵振峰

1，王松涛

2，张付军

11(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.北京交通大学机械与电子把握工程学院，北京100044)StudyonSwitchStrategyofCompoundSuperchargingSysteminOpposed-pistonTwo-strokeDieselEngineXieZhao-yi1,ZhaoZhen-feng1,WangSong-tao2,ZhangFu-jun1,DongXue-fei1(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;2.SchoolofMechanical,ElectricalControlEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:Inordertoavoidlowscavengingqualityatenginestartandlightloadconditionsinopposed-pistontwo-stroke(OP2S)dieselengine,anadjustablecompoundsuperchargingsystemmodelisestablishedandthedesignprocessofboundaryswitchingstrategyisachievedasfollow:Firstlytheswitchingboundarybetweentheturbochargingmodeandthecompoundsuperchargingmodeisdeterminedafteranalyzingtherangesofdeliveryratioandnozzleringdiameter.Nexttheremainingloadintervalissimulatedusingthesuperchargingmodelandcompoundsuperchargingmoderelativelytodeterminetheswitchingboundarybetweenthesuperchargingmodeandthecompoundsuperchargingmodewithanoptimizationgoalofex-cellentfueleconomy.Theresultsshowthatthemaximumtorquepointandthemaximumpowerpointarelocatedinhigheffi-cientareaandthefuelconsumptionatfull-loadcharacteristicsdecreasesobviously.摘要:本文针对对置活塞二冲程柴油机起动和轻载工况时消灭的扫气障碍问题，建立了转速可调复合增压系统气机的高效区，与承受机械增压的增压系统相比，外特性上的燃油消耗率明显降低。关键词:对置活塞；二冲程；复合增压系统；切换规律Keywords:opposed-piston;two-stroke;compoundsuperchargingsystem;boundaryswitchstrategy中图分类号:TK421.8 文献标识码:A概述

发动机必需承受增压来帮助换气

[5]。但与传统四冲对置活塞二冲程〔Opposed-pistonTwo-strokeengine，OP2S柴油机作为一种型构造的发动机，自平衡性好等优点[1-3]，因而被广泛应用于卡车、坦克、船舶等领域[4]。换气过程是全部二冲程发动机的核心问题之OP2S性、经济性及工作稳定性，因此直流扫气式二冲程

程柴油机相比，OP2S柴油机承受涡轮增压实现缸内OP2S机的扫气短路损失比四冲程发动机的大，因此涡轮进口温度较低，假设增压器的效率不高，就难以得到必要的涡轮输出功率；另一方面，在起动和轻载工况时排气能量缺乏，涡轮输出功降低。在扫气压力小于排气背压的状态下，四冲程发动机靠活塞挤压仍可排出废气，且活塞所作的功增加了涡轮的输xxxx-xx-xx基金工程：国家部委及根底争论工程〔B2220230005〕;作者简介：谢钊毅〔1990-，男，硕士生，主要争论方向为柴油机工作过程优化，“mailto:xiaozhe0251@163“E-mail:xiaozhe0251@163；22入功率，因而不会给运转造成障碍。但直流扫气式排量L3.4有效压缩比-15.8在OP2S柴油机设计争论中通常承受带机械增压器额定功率kW/r/min170/2500的复合增压系统来确保发动机在起动和低负荷条件时正常运转[1,6-7]OP2S最大输出扭矩Nm/r/min776/1600过程开放了大量的争论[8-10]OP2S增压匹配争论才刚刚起步[5]。本文以折叠曲柄式对置活塞二冲程柴油机为争论对象，建立GT-Power仿真模型，并以燃油经济性为优化目标对复合增压系统的切换边界进展选取争论。对置活塞二冲程柴油机复合增压系统可调转速的复合增压系统复合增压系统是指承受两种或两种以上的增压形式组成的增压系统。可调转速复合增压系统由可调压气机及涡轮增压器组成，系统灵敏性与可控性强，且可调压气机的转速随工况连续变化，可在全工况内实现增压匹配[11,12]。图1所示为对置活塞二冲程柴油机转速可调复合增压系统工作原理示意

复合增压系统切换边界的选取方法对置活塞二冲程柴油机可调转速复合增压系统共有三种运行模式：机械增压模式、涡轮增压模式以及机械-切换可以满足发动机在不同工况下的压比和流量的需求。为保证发动机在满足动力性需求的根底上实现最优的燃油经济性，本文针对可调转速复合增压系统的特点，在保证换气品质的前提下，以燃油经济性为优化目标对三种运行模式切换边界进展优化。由于机械增压器由单独的电机驱动，机械增压器用于扫气所消耗的功率的大小直接影响OP2S柴油机的燃油经济性，因此，在OP2S柴油机与可调复合增压系统的匹配过程中，本文定义一个重要的图，系统的两级增压器承受串联布置，第一级为可

评价指标——折合燃油消耗率BSFC

，来评价承受复变几何涡轮增压器〔VGT，其次级为可变传动比的机械增压器。当发动机转速较低时，机械增压器和

合增压系统的OP2S柴油机的整机燃油经济性：60nm涡轮增压器联合工作，可以提高增压比，增加进气

B SFC

PPe p

〔1〕减轻喘振倾向；当发动机转速较高时，旁通机械增

式中，mmg/cycP为发e压器，进入涡轮增压模式，削减增压系统耗功。

kWPp

为机械增压器在换气过程中所消耗的功率，kW；n为发动机转速，r/min；BSFC

g/(kW•h)-1。为了保证发动机的动力性需求，仿真时选取给l、捕获空燃比TrappedA/F和压气机效率01转速可调复合增压系统对置活塞二冲程柴油机原理样机主要构造性能11OP2S柴油机主要构造性能参数参数单位数值缸径mm100冲程〔进/排气〕mm110

三个参数作为切换边界优化的限制条件：adl90%0TrappedA/F20 〔2〕 45%ad依据发动机在全工况下对增压器压力及流量的需求，可调转速复合增压系统的边界切换由两局部组成，如图2〔1〕切换边界。对喷嘴环直径的取值范围进展分析，通过喷嘴环直径对运行模式的影响争论，获得不同工况下喷嘴环直径的最优值〔即使涡轮增压模式工作负荷区间最大〕，在此根底上分析给气比的取值范围，获得涡轮增压模式与复合增压模式之间的切换〔2〕其次确定机械增压模式和复合增压模式的切换边界。当涡轮增压模式的工作负荷区间确定后，以经济性最优为优化目标，对剩余的工作负荷-涡轮增压模式BSFC求差运算，确定机械增压模式和复合增压模式的切换边界。2切换边界方法流程图仿真模型的建立与验证图3所示为可调转速复合增压系统的仿真模型，涡轮增压器模型5GrrettGT4088R，压气map求调整喷嘴环直径的大小来模拟简洁涡轮增压器和可变几何涡轮增压器，由于没有现成的涡轮番通特0.68，并通过调整喷嘴3选用RotrexC38气机最大折合流量为0.63kg/s，完全可以满足OP2S柴油机不同工况下对流量和压比的需求，其叶轮最高转速90000r/min，增压器内置传动比为7.5〔即当叶轮转速到达最高转速，外部驱动转速仅需12023r/min〕体积小、重量轻〔6KG，机械传动效率高达97%，由可调速电机直接驱动。电机的转速4PID把握单元来把握电机转速，从而实现进气压力实现定压增压，承受PID6度进展调整从而实现在不同工况下对排气压力的需7PID元采集到的曲轴输出功率的信号来调整喷油器模型的喷油量大小，从而实现对发动机在不同工况下的功率调整。

Rotrex；4-增压器PID56PID7PID8、9-旁通阀3可调转速复合增压系统仿真模型仿真的初始和边界条件依据北京理工大学开发OP2S4态进气压力传感器以及缸内压力传感器分别承受kistler6055A6056ADewetron缸内和进排气的瞬态压力，采样精度0.2°CA。图5所示为柴油机转速为1200r/min时缸内压力试验值与仿真值的比照结果，二者具有较好的全都性，因此该模型可以用来进展OP2S4OP2S5缸内压力试验与仿真结果比照仿真结果分析涡轮增压与复合增压模式切换边界分析当增压系统为单涡轮运行模式时，燃油经济性主要与缸内过量空气系数有亲热的关系：缸内过量空气系数过小，封存在缸内的颖充量缺乏，使得缸内燃烧不完全，燃油消耗率提高。图6工况时喷嘴环直径对发动机性能参数的影响规律。经压气机压缩后的进气流量增加，给气比提高，同时由于涡轮前压力变小，捕获空燃比减小。依据公243mm-47mm。6喷嘴环直径对发动机性能参数的影响同一转速下，喷嘴环直径对涡轮增压模式的运行边界有较大的影响。图7对涡轮增压模式切换边界的影响规律。随着喷嘴环直径的增加，涡轮增压模式的运行区域变宽，从而使OP2S柴油机在整个运行工况下的燃油经济性提高。因此，在保证给气比和捕获空燃比满足要求的状况下，喷嘴环直径越大越好。7喷嘴环直径对切换模式边界的影响

OP2S气比和扫气效率来评价[10给气比越大，扫气效率越好，换气品质越佳。但过大的给气比会导致用于扫气的泵气功增加，对发动机有效输出功率的提高不利。因此，在保证经济性的状况下，选择适宜的给气比尤为重要。图8压模式切换边界的影响规律。给气比越小，涡轮增压模式的运行区间越宽，但换气品质越差；当给气比的取值越大，涡轮增压模式的运行区间越窄，同时机械增压器介入的运行区间变宽，与仅涡轮增压模式运行相比，燃油经济性变差。因此在涡轮增压模式与复合增压模式的切换边界选取时必需同时兼顾发动机的换气品质和燃油经济性。以发动机转速1600r/min为例，假设目标给气比过大，仅承受涡轮增压无法满足发动机对进排气压差的需求时，机械增压器工作进入复合增压模式，因此涡轮增压模式对应的最大给气比的值为136%；随着发动机负荷的下降，排气能量渐渐减小，涡轮膨胀功降低，涡轮压气机做功力气下降，压比和流量减小，给气比减小。依据公式245%时，给气比到达其最小值107.92了不同发动机转速下承受涡轮增压模式时喷嘴环直径和给气比的选取范围。8给气比对切换模式边界的影响当以燃油经济性为优化目标时，即在不同转速下给气比选最小值时，涡轮增压模式的运行区域最9整个工况的燃油经济性就越好；当以换气品质为优化目标时，以牺牲局部燃油经济性为代价，在兼顾扫气效率的原则下得到的切换边界如图10所示。转速/r·min-110001300转速/r·min-1100013001600190022002500喷嘴环直径选取范围/mm33~3734~3736~4038~4340~4543~47喷嘴环直径优选值/mm373740434547给气比选取范围/%144.5~173108.1~147107.9~136101~12692~10791.4~99.99经济性最优的涡轮增压模式切换边界复合增压与机械增压模式切换边界分析在选定涡轮增压模式与复合增压模式的切换边界后，对承受涡轮增压模式区域以外的局部，分别承受复合增压模式和机械增压模式仿真得到的发动机折合燃油消耗率等值线图如图1112当增压系统处于复合增压模式时，发动机的折合燃油经济性主要取决于缸内过量空气系数和给气比。负荷较小时，废气能量缺乏，涡前压力较小，进而影响缸内捕获空燃比的提高以及对进气的压缩，进气压力和流量较小，致使换气品质变差。因此，在小负荷时必需增加额外的关心动力来提高进气压力及进气流量，导致发动机折合燃油消耗率上升。11复合增压模式时折合燃油消耗等值线图12机械增压模式时折合燃油消耗等值线图

10兼顾换气品质的涡轮增压模式切换边界依据燃油经济性最优的原则，将图1112中得到的等值线图在全域内进展求差运算，可以得13经济性较优，且数值越大，与机械增压模式相比，承受复合增压的经济性越好；当等值线为负值时，说明承受机械增压模式的燃油经济性较优，且数值越小，承受机械增压模式的燃油经济性越好。其主要缘由是：当发动机在低负荷工况工作时，由于排气能量较小，涡轮增压器的效率较低、压气机对进机械增压器需要消耗更大的功率，以便抑制废气涡轮增压器的功耗，因此，机械增压模式在低负荷工况下的燃油经济性优于复合增压模式；而在低速低负荷时，发动机的扫气时间间隔较长，获得确定的给气量所需要的进排气压差较低，区分于机械增压模式，复合增压模式在消耗很小的泵气功的状况下便可获得很高的给气比；随着负荷的不断增加，排气能量增大，涡轮增压器效率增加、压气机对进气泵气耗功减小。两种模式的折合燃油消耗率求差运算等于零的等值线即为机械增压与复合增压模式之间的切换边14OP2S比和流量的需求，且适用于较高负荷工况；复合增压模式适用于低速低负荷和不同转速中等负荷工况；机械增压模型适用于中高速低负荷工况。14转速可调复合增压系统的切换边界OP2S1516OP2S的联合运行线及外特性曲线。从图中可知，最大扭矩点和最大功率点均位于压气机的高效区，且联合运行线距离喘振线和堵塞线有较大的裕度。随着发动机转速的增加，外特性燃油消耗率不断下降，最大扭矩点和最大功率点的燃油消耗率相比于承受机16.412.4%。15外特性涡轮压气机运行线16OP2S

结论喷嘴环直径及给气比大小对涡轮增压模式的影响较大。在同一工况下，喷嘴环直径越大，涡轮增压模式的工作范围就越宽。但喷嘴环直径的最涡轮增压模式的运行区间到达最大，而给气比的最小值是依据边界条件和涡轮压气机流量特性来确定的。由两者的取值范围确定了涡轮增压与复合增压模式之间的切换边界。在涡轮增压模式以外的运行区域对分别承受复合增压和机械增压得到的折合燃油消耗率等值线进展求差运算，以燃油经济性最正确为优化目标，确定机械增压模式和复合增压模式的切换边界。切换边界优化后的转速可调复合增压方案的最大扭矩点和最大功率点均位于压气机的高效区，外特性最大扭矩点和最大功率点的燃油消耗率相比于承受机械增压系统分别降低了16.4%12.4%。参考文献PeterH.OpposedPistonOpposedCylinder(OPOC)EngineforMilitaryGroundVehicles[R].SAEPaper2023-01-1548,2023.NaikS,JohnsonD,KoszewnikJ,etal.PracticalApplicationsofOpposed-PistonEngineTechnologytoReduceFuelConsumptionandEmissions[R].SAEPaper2023-01-2754,2023.HeroldRE,WahlMH,RegnerG,etal.Thermodynamictwo-strokeengines[R].SAEPaper2023-01-2216,2023.张付军,郭顺宏,王斌等.对置活塞二冲程内燃机折叠曲柄系方案设计争论[J].兵工学报,2023,35(3):289-297.ZhangFJ,GuoSH,WangB,etal.DesignofFolded-cranktrainofOpposed-pistonTwo-strokeInternalCombustionEngine[J].ACTAARMAMENTARII,2023,35(3):289-297.董雪飞,赵长禄,胡清欣等.对置活塞二冲程发动机机械增压匹配分析[J].北京理工大学学报,2023,34(2):132-137.DongXF,ZhaoCL,HuQX,etal.TheMatchingAnalysisofSuperchargingofOpposed-PistonTwo-StrokeEngine[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology,2023,34(2):132-137.RegnerG,HeroldRE,WahlMH,etal.TheAchatesPowerOpposed-PistonTwo-StrokeEngine:Perfor-manceandEmissionsResultsinaMedium-DutyTechnicalPaper2023-01-2221,2023.夏孝朗.型二冲程柴油机性能研发关键技术争论[D].2023.XiaXL.Studyonthekeytechnologiesoftheopposedpistonopposedcylindertwostrokedieselengine[D].HunanUniversity,2023.许汉君,宋金瓯,姚春德等.对置二冲程柴油机缸内流淌形式对混合气形成及燃烧的模拟争论[J].内燃机学报，2023,27(5)：395-400.XuHJ,SongJO,YaoCD,etal.SimulationonIn-CylinderFlowonMixtureFormationandCom-bustioninOPOC