双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法技术方案

本发明专利技术涉及一种双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法，本方法应用于高原柴油机的双VGT二级可调增压系统，将双VGT二级可调增压系统转化为等效单级可调增压器，具体步骤为：首先，分别将高压级和低压级涡轮增压器及对应的旁通阀转化为等效高压级增压器和等效低压级增压器；然后，以进排气系统质量守恒和能量守恒公式，转化为等效二级增压器，分别得到了对应的等效涡轮流通面积和等效增压器效率。本方法根据海拔、柴油机转速和负荷的变化，确定双VGT二级可调增压系统高、低压级涡轮流通面积，进而确定HPVGT、LPVGT、HP‑valve和LP‑valve四个控制变量的开度变化范围，实现在0m～5500m海拔范围内，柴油机动力性和经济性的全工况恢复。

Matching method of dual VGT two-stage adjustable supercharging system and diesel engine with variable altitude

【技术实现步骤摘要】
双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法
本专利技术发动机
，具体是一种双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法。
技术介绍
我国是一个高原大国，拥有世界上面积最大的高原地域。青藏高原是世界上最具代表性的高原，平均海拔超过4000m，总面积达240万km2，约占国土面积的1/4。车辆在高原公路(如青藏线、川藏线和滇藏线等)行驶时，具有海拔高、落差大、坡陡、长坡多、工况复杂的特点，进气充量减少致使柴油机燃烧恶化，功率、燃油消耗率、热负荷等各项技术性能劣化明显。据统计，海拔每升高1000m柴油机动力性下降4.0％～13.0％、经济性下降2.7％～12.9％，涡前排温和缸盖温度升高7％～10％。二级可调增压系统具有高压比、宽流量的特点，能够提高柴油机高海拔下的增压压力。特别地，双VGT二级可调增压系统由高、低压级VGT串联组成，能够根据海拔和工况的变化，有效利用排气能量和进行排气能量的分配，实时控制增压压力和进气流量，提高不同海拔下柴油机的进气密度，确保缸内空燃比最佳，实现海拔5500m柴油机功率与0m海拔相比不降低的目标。如何根据柴油机海拔和工况的变化，实现双VGT二级可调增压系统与柴油机的变海拔匹配是目前需要解决的重点，因此，本专利申请提出了双VGT二级可调增压系统与柴油机的变海拔匹配方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法，实现在变化海拔中柴油机动力性和经济性的全工况恢复。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法，本方法应用于高原柴油机的双VGT二级可调增压系统，其特征在于：将双VGT二级可调增压系统转化为等效单级可调增压器，具体步骤为：首先，分别将高压级和低压级涡轮增压器及对应的旁通阀转化为等效高压级增压器和等效低压级增压器；然后，以进排气系统质量守恒和能量守恒公式，转化为等效二级增压器，分别得到了对应的等效涡轮流通面积和等效增压器效率。而且，等效增压器效率的计算方法为：设ρ5等于ρ′5，那么：Δh(3-5)＝Δh(3-4)+Δh(4-5)(1)等效二级涡轮流通面积A′T为：其中，μHT、μLT分别为高压级和低压级涡轮的流通系数；γ、δ分别为高压级涡轮和低压级涡轮的旁通率；πLT为低压级涡轮的膨胀比；AHT和ALT分别为高、低压级涡轮几何流通面积，分别为：其中，AHV为高压级涡轮喷嘴环截面积；AHR为高压级涡轮叶片出口截面积；ρ4、ρ5分别为高压级涡轮喷嘴环出口和涡轮叶片出口的燃气密度。其中，ALV为低压级涡轮喷嘴环截面积；ALR为低压级涡轮叶片出口截面积；ρ6、ρ7分别为低压级涡轮喷嘴环出口和涡轮叶片出口的燃气密度。结合(1)、(2)和(3)式，能够得到二级可调增压器等效涡轮流通面积的大小由高、低压级涡轮喷嘴环截面积(AHV、ALV)和高、低压级涡轮旁通率(γ、δ)四个参数决定，对应着高、低压级VGT叶片开度和高、低压级涡轮旁通阀开度四个控制变量。等效二级可调涡轮效率为：等效低压级涡轮效率：与排气系统类似，进气系统近似为：Δh(0-2)＝Δh(0-1)+Δh(1-2)(7)综合公式(1)、(5)、(6)、(7)，得到等效二级涡轮效率为：上述双VGT二级可调增压系统的变海拔控制策略，包括：1)在0m～3000m海拔范围内，低压级涡轮旁通阀随海拔升高，由全开至全关。在3000m～5500m海拔，低压级涡轮旁通阀全关；2)在3000m～5500m海拔范围内，以增压压力不降低为目标，实时控制高压级VGT叶片和高压级涡轮旁通阀开度大小；3)在800r/min～1500r/min范围，高压级VGT叶片随转速升高，由最小开度至最大；在1500r/min～2100r/min，高压级VGT叶片开度最大，高压级涡轮旁通阀随转速升高，由全关至全开；4)在海拔3000m最大转矩点，低压级VGT叶片随着负荷的升高开度由最小至最大。上述计算变海拔条件下二级可调增压系统的调节范围，具体步骤为：(1)根据涡轮增压器能量平衡公式，得到增压压力和涡轮流量和流通面积的关系：在同一海拔下，进气压力不变，柴油机的循环进气量不变，在固定发动机负荷情况下，不变的转矩输出所需的空燃比也不变，因此可认为柴油机排气温度T3为定值，则(9)式变为：不同海拔条件下，根据功率恢复至平原环境目标，对应的总压比πc不同，其中，高压级VGT叶片和HP-valve根据发动机转速进行调节，在中低转速范围下800r/min～1500r/min，高压级VGT叶片由最小至最大开度，在中高转速范围1500r/min～2100r/min，HP-valve逐渐开启至最大开度；在海拔3000m环境下，从高压级VGT叶片开启至全开的转速比，为转速800r/min～1500r/min下的调节范围，这个转速范围内，高压级VGT叶片通过调节高压级涡轮喷嘴环截面积对总增压压力进行调节，由(10)得到：通过式(11)，在转速800r/min～1500r/min，二级可调增压系统调节能力与高、低压级涡轮流通面积比和最高增压压力有关，影响πLT，其中，高低压级涡轮流通面积比越大，调节能力越强。当目标最高增压压力升高时，相应的πLT升高，系统调节能量减弱，式(11)在二级可调增压系统的选配阶段可用来确定高压级VGT涡轮的流通范围；(2)在海拔3000m环境下，在转速1500r/min～2100r/min，HP-valve从关闭至完全开启的转速比，为二级增压系统中高转速范围的调节，由公式(10)得：在nmax2处，流经高压级涡轮流量很小，可近似认为(1-γmax)2≈0，将(12)简化为：(3)LP-valve根据海拔进行调节，在0m～3000m范围，在柴油机最大转矩点，随着海拔升高，LP-valve由最大开度至完全关闭，发动机的动力性不降低，公式(10)变为：若保持增压压力在0m～3000m不变，则有：在海拔3000m，低压级旁通阀全关δ＝0，同时，调节过程中高压级旁通阀全关，1-γ≈1，将(15)式变为：(4)在海拔3000m额定功率点，随着负荷增加，排气温度升高，低压级VGT叶片(LPVGT)由开度最小至最大开度，公式(10)变为：从LPVGT叶片全部关闭至全开的涡前排气温度比Tmax/Tmin为二级可调增压系统调节范围，这个范围内通过调节LPVGT叶片开度大小对增压压力进行调节本专利技术的优点和积极效果是：1、本方法包括双VGT二级可调增压系统方案设计与双VGT二级可调增压器与柴油机的变海拔匹配。建立面向高原柴油机的双VGT二级可调增压系统，包括高、低压级VGT、高压级涡轮旁通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法，本方法应用于高原柴油机的双VGT二级可调增压系统，其特征在于：将双VGT二级可调增压系统转化为等效单级可调增压器，具体步骤为：首先，分别将高压级和低压级涡轮增压器及对应的旁通阀转化为等效高压级增压器和等效低压级增压器；然后，以进排气系统质量守恒和能量守恒公式，转化为等效二级增压器，分别得到了对应的等效涡轮流通面积和等效增压器效率。/n

【技术特征摘要】
1.一种双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法，本方法应用于高原柴油机的双VGT二级可调增压系统，其特征在于：将双VGT二级可调增压系统转化为等效单级可调增压器，具体步骤为：首先，分别将高压级和低压级涡轮增压器及对应的旁通阀转化为等效高压级增压器和等效低压级增压器；然后，以进排气系统质量守恒和能量守恒公式，转化为等效二级增压器，分别得到了对应的等效涡轮流通面积和等效增压器效率。


2.根据权利要求1所述的双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法，其特征在于：等效增压器效率的计算方法为：
设ρ5等于ρ′5，那么：
Δh(3-5)＝Δh(3-4)+Δh(4-5)(1)
等效二级涡轮流通面积AT为：



其中，μHT、μLT分别为高压级和低压级涡轮的流通系数；γ、δ分别为高压级涡轮和低压级涡轮的旁通率；πLT为低压级涡轮的膨胀比；AHT和ALT分别为高、低压级涡轮几何流通面积，分别为：



其中，AHV为高压级涡轮喷嘴环截面积；AHR为高压级涡轮叶片出口截面积；ρ4、ρ5分别为高压级涡轮喷嘴环出口和涡轮叶片出口的燃气密度。



其中，ALV为低压级涡轮喷嘴环截面积；ALR为低压级涡轮叶片出口截面积；ρ6、ρ7分别为低压级涡轮喷嘴环出口和涡轮叶片出口的燃气密度。
结合(1)、(2)和(3)式，能够得到二级可调增压器等效涡轮流通面积的大小由高、低压级涡轮喷嘴环截面积(AHV、ALV)和高、低压级涡轮旁通率(γ、δ)四个参数决定，对应着高、低压级VGT叶片开度和高、低压级涡轮旁通阀开度四个控制变量。
等效二级可调涡轮效率为：



等效低压级涡轮效率：



与排气系统类似，进气系统近似为：
Δh(0-2)＝Δh(0-1)+Δh(1-2)(7)
综合公式(1)、(5)、(6)、(7)，得到等效二级涡轮效率为：





3.根据权利要求1所述的双VGT二级可调增压系统与柴油机变海拔匹配方法，其特征在于：双VGT二级可调增压系统的变海拔控制策略，包括：
1)在0m～3000m海拔范围内，低压级涡轮旁通阀随海拔升高，由全开至全关。在3000m～5500m海拔，低压级涡轮旁通阀全关；
2)在3000m～5500m海拔范围内，以增压压力不降低为目标，实时控制高压级VGT叶片和高压级涡轮旁通阀开度大小；
3)在800r/min～1500r/min范围，高压级VGT叶片随转速升高，由最小开度至最大；在1500r/min～2100r/min，高压级VGT叶片开度最大，高压级涡轮旁通阀随转速升高，由全关至全开；
4)在海拔3000m最大转矩点，低压级VGT叶片随着负荷的升高开度由最...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞林，张众杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军军事交通学院，
类型：发明
国别省市：天津;12