提高柴油机的增压压力以实现高平均有效压力是降低燃油消耗率及C02温室气体排放的一个有效手段。另一方面,面对越来越严格的有害物排放法规,较高的增压压力也为废气再循环、米勒循环和均质燃烧等技术措施提供了足够新鲜充量的保障。因此,柴油机的增压压力有必要进一步的提高,宽转速运行范围的柴油机与高增压系统的优化匹配成为亟须解决的问题。可调二级涡轮增压系统集合了二级增压和可调增压技术的优点,能够兼顾高压比和宽流量范围,是极具潜力的一种的涡轮增压技术,为此本文对其开展了相关研究。首先应用等效增压器的概念对柴油机可调二级涡轮增压系统进行了理论研究,建立了可调二级涡轮增压系统的等效增压器模型,得到了基于旁通流量比的等效涡轮流通面积表达式和基于旁通流量比与涡轮焓降比的等效增压器效率的表达式。等效增压器效率表达式从经济性角度指明了排气能量分配与效率的相适应可以实现增压系统效率的最大化。调节等效涡轮流通面积可以使增压系统适应更宽的发动机转速范围,基于调节能力的要求提出并研究了可调二级涡轮增压系统的匹配方法,揭示了可调二级涡轮增压系统总压比、压比分配、低高压级涡轮流通面积比以及系统调节能力等关键参数间的相互关系。设计了涡轮旁通阀和压气机旁通阀等关键部件,建立了可调二级涡轮增压柴油机以及试验台架。进行了匹配方法的验证性试验,证明了基于调节能力的匹配方法的适用性。对可调二级涡轮增压柴油机进行了全工况稳态试验,分析了高压级压气机旁通阀的开启时刻特性,以及高压级涡轮旁通阀对增压系统的调节特性和对发动机油耗性能和烟度排放的影响规律。在此基础上,提出了济性和动力性两种调节规律。结合进一步的瞬态试验对两种调节规律进行了综合评价:稳态性能方面,经济性调节规律优于动力性调节规律;瞬态特性方面,直接开环应用调节规律时,在模拟起步过程的加速加载加载工况和中低转速范围内(900 r/min和1100r/min)的定转速加载工况时,动力性调节规律会取得较快的响应和较低的瞬态烟度排放,而在中高转速范围内的1400r/min转速线上的加载工况试验则表明,由于存在高压级增压器的旁通过程使得动力性调节规律的优势不再明显。对增压压力闭环控制策略进行了计算研究。应用仿真模型对涡轮旁通阀开度命令到增压压力的动态过程进行了系统辨识,基于区域线性化的方法,设计了参数可变PI反馈控制器结合前馈模块的控制系统。对1400r/min的加载工况进行计算分析表明,动力性型调节规律结合PI反馈控制器的闭环控制系统实现了最快的响应过程,而且即使是经济性调节规律结合PI反馈控制器的闭环控制系统也比直接应用动力性调节规律的开环控制响应要快,证明闭环控制可以实现经济性和动力性的兼顾。
