朱振夏 張付軍 馬朝臣 韓愷 劉楊楊

（北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院北京100081）

·綜述·

柴油機增壓技術(shù)在高原環(huán)境下的應(yīng)用*

朱振夏 張付軍 馬朝臣 韓愷 劉楊楊

（北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院北京100081）

總結(jié)了高原環(huán)境對發(fā)動機各方面性能的影響，以及研究人員針對功率下降提出的解決措施。增壓系統(tǒng)的改進成為目前主要研究方向，介紹了兩類改進措施：高原增壓匹配和可調(diào)增壓技術(shù)。以帶放氣閥的增壓器、可調(diào)截面渦輪、二級增壓、相繼增壓、電輔助增壓和復(fù)合增壓這幾種典型的可調(diào)增壓為重點，介紹了各種技術(shù)的原理、發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了這些技術(shù)在高原環(huán)境下的應(yīng)用前景。通過研究成果的總結(jié)和方案之間的對比可知，可變截面渦輪、二級增壓、轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案不僅能夠使柴油機獲得較好的高原功率恢復(fù)效果，而且具有較強的實用價值。

內(nèi)燃機高原功率恢復(fù)二級增壓可變截面渦輪電輔助增壓轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓

引言

青藏高原具有典型的高原氣候：大氣壓力低，空氣密度小，氣溫低，晝夜溫差大，日輻射強，蒸發(fā)量大，干燥、風(fēng)沙大，水的沸點低等特點[1，2]。

高原的氣候條件與平原差別很大，隨著海拔的升高，空氣密度下降，柴油機進氣量減少，平原能正常使用的柴油機在高原地區(qū)常出現(xiàn)油耗和排溫升高，功率下降的問題。嚴重時還會出現(xiàn)冒黑煙，渦輪入口溫度過高，增壓器超速，柴油機熱負荷過高，冷卻液“開鍋”，空氣濾清器堵塞等“水土不服”的問題。

世界上主要的發(fā)達國家大多沒有我國如此廣闊的高原地形，對柴油機高原適應(yīng)性方面的工程需求不強，因此歐美國家在柴油機高原性能方面投入的精力很有限，研究成果多是海拔3000m以下條件下獲得的[3]。而我國高原車輛的運行條件遠比歐美嚴酷，例如新藏公路海拔在4000m以上的路段有915km，全線最高點達坂山處海拔5433m，海拔起伏達3000m，這樣的海拔高度及海拔變化幅度給運輸車輛和工程機械提出了特殊的要求[4]。同時，我國高原地區(qū)的汽車保有量持續(xù)增加，以拉薩市為例，從2000年的2.9萬臺到2011年的11.7萬臺，增長了約3倍。而且，我國西部高原地區(qū)同阿富汗、印度等國接壤，具有突出的軍事地位。因此，急需開展高原環(huán)境下柴油機適應(yīng)性研究[5]。

由于我國地理、軍事的需求以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的執(zhí)行，國內(nèi)研究機構(gòu)已在內(nèi)燃機高原性能方面取得了相當多的研究成果。目前，國內(nèi)研究高原內(nèi)燃機性能的主要機構(gòu)有：七〇研究所、西寧高原工程機械研究所、軍事交通學(xué)院、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、昆明理工大學(xué)等。

1 高原環(huán)境對柴油機的影響及應(yīng)對措施

1．1高原環(huán)境對柴油機的影響

高原環(huán)境（表1為海拔高度與大氣環(huán)境的關(guān)系）對柴油機性能的影響主要集中在以下方面[1]：

1）動力性能。研究結(jié)果表明，在海拔超過3000m以后，柴油機功率下降幅度明顯，而且低速段的降幅更大[6]。

2）經(jīng)濟性能。在高原下柴油機的機械效率和泵氣損失基本不變，但燃燒惡化，循環(huán)熱效率下降，加上道路條件的惡劣，造成了整車油耗的升高。

3）排放性能。高原環(huán)境下，柴油機進氣量減少，空燃比下降，燃燒溫度降低，造成NOx排放減少，而煙度增加。

4）啟動性能。高原環(huán)境下氣溫、氣壓過低，壓縮終了時刻溫度、壓力達不到混合氣壓燃和續(xù)燃要求，而且低溫下機油的摩擦阻力增大，蓄電池電量下降，造成啟動困難。

5）冷卻性能。熱效率降低導(dǎo)致柴油機散熱量增大，空氣密度下降造成冷卻風(fēng)量不足，氣壓低導(dǎo)致冷卻沸騰降低，造成高原熱負荷過高[7]。

6）壽命及可靠性能。高原環(huán)境下增壓器易發(fā)生喘振、超速、超溫，柴油機可能會因熱負荷的加劇而出現(xiàn)拉缸或排氣管熱損，運動部件和空氣濾清器會因為空氣含塵量大而壽命縮短。

表1 海拔高度與大氣環(huán)境的關(guān)系

1．2提高柴油機高原適應(yīng)性的主要措施

針對柴油機在高原環(huán)境下使用所遇到的各種問題，科研人員提出了多方面的改進，比如采取進氣預(yù)熱來輔助啟動，提高冷卻液循環(huán)的壓力防止汽化等。然而，柴油機高原功率恢復(fù)是一個復(fù)合的課題，與換氣、供油和燃燒過程密切相關(guān)，如何改善高原環(huán)境下柴油機油、氣之間的匹配，成為柴油機功率恢復(fù)的關(guān)鍵。

早在20世紀80年代，我國研究人員通過青藏鐵路機車柴油機試驗，就得出了“供氣成為柴油機功率恢復(fù)的主要矛盾”的結(jié)論[8]。通過調(diào)整供油系統(tǒng)參數(shù)，可以在一定程度上提高柴油機功率恢復(fù)能力，但是依靠供油參數(shù)的調(diào)節(jié)難以同時解決柴油機功率下降與油耗高，冒黑煙，排溫高的問題。所以，目前國內(nèi)外的研究人員，大多以進氣系統(tǒng)的改進作為柴油機高原功率恢復(fù)的主要措施，將調(diào)節(jié)供油系統(tǒng)作為輔助手段。

2 高原環(huán)境下增壓系統(tǒng)的改進

與自然吸氣的柴油機相比，增壓中冷柴油機具有顯著的高原功率補償能力，而且對增壓系統(tǒng)進一步的改進能夠使發(fā)動機獲得較強的高原適應(yīng)能力[9]。增壓系統(tǒng)的高原適應(yīng)性改進主要分為：

一類是不改變增壓方案，為發(fā)動機匹配高原適用的增壓器。

中南大學(xué)和天雁公司分析了高原環(huán)境對增壓系統(tǒng)的影響，通過高原實地試驗進行增壓匹配，總結(jié)出高原下增壓器需要注意喘振、超速、超溫的問題[3]。按照高原的環(huán)境條件，需要為發(fā)動機匹配流量大、壓比高的增壓器，但這樣的增壓器難以滿足平原的需求。而且，高原環(huán)境下壓氣機的喘振線向大流量方向移動，高壓比、大流量的增壓器更易出現(xiàn)喘振[10，11]。如何拓寬壓氣機的流量、壓比和轉(zhuǎn)速的范圍，尋找能夠兼顧平原和高原性能的增壓器，成為高原增壓器匹配的主要研究方向[8，12]。

另一類是改進增壓方案，增強增壓系統(tǒng)的可調(diào)性。

由于往復(fù)活塞式發(fā)動機的耗氣特性與旋轉(zhuǎn)葉輪式增壓器的流量特性之間存在天然的矛盾，很難保證在全工況范圍內(nèi)增壓器與柴油機始終保持良好的匹配，可調(diào)增壓技術(shù)的發(fā)展在一定程度上緩解了這種矛盾。在高原柴油機上應(yīng)用的帶放氣閥的增壓器和二級增壓技術(shù)，已經(jīng)取得了一定的功率恢復(fù)效果。更先進的可調(diào)增壓柴油機具有更強的功率恢復(fù)潛力，成為近期研究的熱點，比較典型的有：可變截面增壓、相繼增壓、可調(diào)二級增壓、復(fù)合增壓等。

2．1帶放氣閥的增壓器

帶放氣閥增壓器（如圖1所示）的基本原理是渦輪入口處并聯(lián)放氣閥，放氣閥通過推桿與膜片相連；膜片的一側(cè)與壓氣機后管路相通，另外一側(cè)與大氣環(huán)境連通。初始狀態(tài)時膜片被彈簧壓緊，當增壓壓力過高時，壓氣機前后的壓力差超過彈簧的預(yù)緊力，推動膜片移動，打開廢氣放氣閥，使一部分渦輪前的廢氣直接排入大氣，防止增壓器超速，降低增壓比。

圖1 帶放氣閥的增壓器

帶放氣閥的增壓器技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀70年代，用于解決汽油機上因增壓壓力過高而導(dǎo)致的爆燃問題。在柴油機領(lǐng)域，放氣閥技術(shù)能夠拓寬增壓器流量范圍，提高柴油機低速特性，主要應(yīng)用在中小型的車用柴油機上。帶放氣閥的增壓器一般以柴油機最大扭矩點為匹配點，采用噴嘴環(huán)直徑較小的渦輪，可以在發(fā)動機低速時提供較高的增壓壓力。在發(fā)動機高速時，為防止增壓器超速和增壓壓力過高需要進行放氣，放氣量不宜超過廢氣量的20%，否則會造成柴油機經(jīng)濟性能的明顯下降[13]。

在高原條件下應(yīng)用廢氣放氣技術(shù)時，需要采用電控放氣閥或根據(jù)海拔條件對彈簧預(yù)緊力進行調(diào)節(jié)。因為，機械式放氣的執(zhí)行依據(jù)是比較壓氣機前后壓差和彈簧預(yù)緊力，高海拔下雖然壓比升高但壓氣機前后的絕對壓差減小，導(dǎo)致機械式放氣閥失效，起不到保護增壓器的作用。在高原環(huán)境下匹配帶放氣閥的增壓器有利于提高低速扭矩特性，但高速放氣會造成柴油機功率損失[14]。

2．2可變截面渦輪技術(shù)

可變截面渦輪增壓器技術(shù)（VGT或VNT），相當于匹配一系列固定截面的增壓器，通過改變渦輪的流通面積，能拓寬增壓器高效率工作范圍。柴油機低速時，減小流通截面，提高增壓器轉(zhuǎn)速及增壓壓力，增大柴油機的進氣量，提高低速扭矩特性。柴油機高速時，增大流通截面，降低增壓器轉(zhuǎn)速，防止增壓壓力過高，同時能夠降低氣缸排氣背壓，減小泵氣損失。圖2和圖3分別為Holset公司和Garret公司的VGT渦輪增壓器，通過不同的方式改變噴嘴環(huán)面積，起到調(diào)節(jié)渦輪流通特性的作用[15]。

圖2 VGT滑移噴嘴環(huán)設(shè)計（Holset）

圖3 VNT轉(zhuǎn)動噴嘴環(huán)設(shè)計（Garrett）

清華大學(xué)通過仿真研究了VGT柴油機的高原性能，結(jié)果表明VGT技術(shù)能夠有效避免壓氣機喘振、超速和渦輪入口溫度過高的問題，減少了柴油機功率的下降幅度，調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)直徑實現(xiàn)變海拔下的動力性與經(jīng)濟性的優(yōu)化[15]。意大利依維柯（Iveco）公司通過采用VGT技術(shù)并開發(fā)了不同海拔下的控制策略，使Crusor10柴油機具有高海拔適應(yīng)能力，滿足歐Ⅳ排放要求[16]。

2．3二級增壓

圖4為二級增壓方案（Two-stage Turbocharging）原理圖，新鮮空氣經(jīng)過兩級壓氣機的壓縮后，進入中冷器冷卻，通過進氣管進入氣缸。柴油機的廢氣依次在高壓級和低壓級渦輪中膨脹做功，而后排入環(huán)境[17]。一般將選配兩個直徑不同的增壓器來組成二級增壓系統(tǒng)，流通面積較小的增壓器作為高壓級，流通面積較大的作為低壓級。

圖4 可調(diào)二級增壓方案原理圖

為了進一步拓寬增壓系統(tǒng)的高效工作范圍，在二級渦輪增壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展了可調(diào)二級渦輪增壓系統(tǒng)（R2S），通過調(diào)節(jié)渦輪旁通閥來實現(xiàn)兩級壓比的分配，見圖4。李華雷等人證明了高壓級旁通的可調(diào)二級增壓方案比低壓級旁通方案效果更好[18]。低速時，高壓級旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，廢氣需要在兩級渦輪中膨脹，柴油機獲得較高的進氣壓力，提高低速扭矩特性。在柴油機高速時，打開高壓級渦輪旁通閥，部分廢氣直接進入低壓級渦輪，相當于增加了渦輪流通面積，降低了排氣背壓和增壓壓力。為了減小進氣系統(tǒng)的流通阻力，可以對高壓級壓氣機進行旁通。另外，當?shù)蛪杭壴鰤浩饔谐傥ｋU時，也可以對低壓級渦輪進行放氣[19]。

目前，應(yīng)用二級增壓系統(tǒng)進行高原柴油機功率恢復(fù)已取得一定的成果。北京理工大學(xué)的馬朝臣、魏名山和施新等人，研究了二級增壓系統(tǒng)的匹配方法，比較了不同形式調(diào)節(jié)閥的集成度和調(diào)節(jié)范圍。通過仿真計算得出：在海拔5500m條件下，采用二級增壓系統(tǒng)可以避免增壓器的喘振和超速，柴油機的標定功率可恢復(fù)至平原的80%[20～22]。上海交通大學(xué)鄧康耀、劉博等人提出了采用等效增壓器模型匹配二級增壓的方法，研究了調(diào)節(jié)閥的動態(tài)特性和調(diào)節(jié)規(guī)律[23～25]。李華雷進行了D6114柴油機二級增壓方案的計算研究，海拔4500m二級增壓柴油機的標定功率恢復(fù)至平原的85%[14]。

2．4相繼增壓

發(fā)動機高速時，渦輪增壓器能量充足，可以保證較高的空燃比，燃油經(jīng)濟性較好；而在發(fā)動機低速時，增壓壓力偏低，缸內(nèi)空燃比下降導(dǎo)致低速特性較差。渦輪增壓器難以保證在發(fā)動機全工況范圍內(nèi)都高效地運行，為了克服增壓器與發(fā)動機匹配之間的矛盾，提出了相繼渦輪增壓方案（STC）。如圖5所示，相繼渦輪增壓系統(tǒng)由2臺或2臺以上的渦輪增壓器并聯(lián)組成，能夠根據(jù)發(fā)動機工況對投入運行的增壓器數(shù)量進行控制。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速或負荷低于設(shè)定值時，廢氣集中進入一臺渦輪，增加其廢氣流量，提高增壓壓力，改善發(fā)動機低速特性。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的升高，逐次將一臺或幾臺增壓器相繼投入使用，保證運行的增壓器高效工作，降低發(fā)動機的燃油消耗率[25]。

圖5 大小渦輪三階段相繼增壓方案

相繼增壓技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀80年代初，主要應(yīng)用在兩棲車輛和艦船柴油機上。德國的MTU公司在兩棲車輛的MT883系列柴油機上首先應(yīng)用了相繼增壓，隨后在發(fā)電機組和艦船配備的MTU2000、4000、8000系列柴油機也都采用了該技術(shù)[26]。美國海軍對LPD-17驅(qū)逐艦的柴油機進行相繼增壓改進后，低速扭矩特性得到提升，全工況油耗平均下降了9%。國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)的王銀燕等人與四〇八廠合作研制了16PA6-280STC船用柴油機，隨后又對該系列的12缸柴油機進行了相繼增壓試驗。此外，法國的SEMT Pielstick、日本Niigata、國內(nèi)的七一一研究所、海軍工程大學(xué)都在艦船用柴油機上研究過相繼增壓系統(tǒng)的應(yīng)用[27]。

在發(fā)電機組、兩棲車輛和艦船上工作的柴油機工況相對比較固定，增壓系統(tǒng)有足夠的時間進行狀態(tài)切換。一般陸用車輛上，發(fā)動機工況范圍變化較大，相繼增壓系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制策略。瑞典Volvo公司、德國的Porsche公司、日本的Mazda公司曾在車用發(fā)動機上進行過相繼增壓的試驗，結(jié)果表明，相繼增壓的車輛加速性有了很大提高，但由于切換策略和閥門動作過于復(fù)雜，其實用性下降[28]。國內(nèi)，上海交通大學(xué)的鄧康耀，張哲等人在型號為D6114ZLQB的柴油機上通過臺架試驗和數(shù)值仿真的方法對車用柴油機相繼增壓方案進行了系統(tǒng)的研究，包括相繼增壓系統(tǒng)的匹配方法、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性、控制策略等[29]。

相繼增壓系統(tǒng)應(yīng)用在高原車用柴油機上的報道較少，西班牙的瓦倫西亞理工大學(xué)開展過相繼增壓柴油機高原匹配的仿真研究[30]，國內(nèi)僅有一篇關(guān)于進氣條件對控制策略影響的研究文獻[31]。車用發(fā)動機工況變化范圍大，要求相繼增壓系統(tǒng)頻繁地切換閥門，而且進氣條件的變化會導(dǎo)致切換點的改變，進一步增加了控制策略的復(fù)雜程度，并降低了系統(tǒng)的可靠性。與其他方案相比，相繼增壓方案應(yīng)用于高原功率恢復(fù)的優(yōu)勢并不明顯。

2．5電輔助增壓

電輔助渦輪增壓技術(shù)利用電能在短時間內(nèi)迅速提高渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速，提高發(fā)動機的加速響應(yīng)性。當發(fā)動機在啟動、低速、加速工況時，依靠電池能量，由電機驅(qū)動壓氣機，提高進氣壓力。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高時，渦輪壓氣機能夠保證足夠空氣量，關(guān)閉或脫開電機。當發(fā)動機在高速大負荷工況時，通過發(fā)電機回收一部分廢氣能量，轉(zhuǎn)換成電能貯存在電池中[32]。

電輔助增壓系統(tǒng)分為電機與渦輪增壓器同軸的EuATL系統(tǒng)和電動增壓器獨立布置的EATS系統(tǒng)。EuATL又包括兩種，電機前置的方案（圖6）電機中置的方案（圖7）。EATS也包括兩種方案，電動增壓器前置方案（圖8）和電動增壓器后置方案（圖9）。經(jīng)對比研究，EATS系統(tǒng)比EuATL有著更大優(yōu)勢，應(yīng)用前景更加廣闊。由于電輔助增壓系統(tǒng)響應(yīng)快、工作方式靈活，使其有望成為解決增壓柴油機瞬態(tài)排放、提高增壓柴油機響應(yīng)性和低速特性的有效措施[33]。

圖6 EuATL電機前置方案

圖7 EuATL電機中置方案

圖8 EATS電動增壓器后置

圖9 EATS電動增壓器前置

1973年，曼徹斯特理工大學(xué)的J.D.Leder和Benson等人提出了在發(fā)動機加速時將高壓空氣補充入壓氣機的方法，來改善渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)，這個想法促成了電輔助增壓系統(tǒng)的發(fā)明。20世紀90年代底特律柴油機公司，論證電輔助增壓技術(shù)在改善發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)性、排放性方面的潛力。Honeywell公司驗證了電動增壓技術(shù)在提高瞬態(tài)響應(yīng)、燃油經(jīng)濟性的效果，通過強化冷卻提高了電機中置方案的可靠性，并開始了EATS方案的研究。Caterpillar公司提出ISG集成在渦輪增壓器內(nèi)的布置方案，并進行了仿真計算，研究結(jié)果表明采用電輔助增壓后發(fā)動機的油耗平均降低5%[34]。三菱重工還論證了高速大功率電機直接驅(qū)動壓氣機的方案，能夠準確地控制壓氣機轉(zhuǎn)速，但是由于該方案需要很大的電機和電池，不適合車用[35]。天津大學(xué)的姚春德、周紅秀等人應(yīng)用電輔助增壓技術(shù)提高公交車加速性，減少瞬態(tài)排放[36，37]。南京理工大學(xué)的趙付舟等人研究了電輔助增壓系統(tǒng)的能量調(diào)整策略[38]。

受限于電機可靠性等因素，將電輔助增壓應(yīng)用高原功率恢復(fù)的研究還不多。吉林大學(xué)的王文閣曾在西藏日喀則機場(海拔3800m)進行了渦輪增壓和電輔助增壓車輛的加速試驗，由于電機本身的原因，在車輛的加速過程中電動增壓器工作10s。試驗結(jié)果證明了加裝電動增壓器能夠有效地提高車輛高原行駛的動力性[39]，最高檔25km/h～75km/h加速過程的時間由70s（渦輪增壓器）減少到了59s（電動增壓器）。目前制約電輔助增壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要問題有：低壓比、大流量、恒轉(zhuǎn)速高效率工作的壓氣機；可靠的高轉(zhuǎn)速電機和軸承；增壓器軸系振動；控制系統(tǒng)的開發(fā)等[33]。

2．6復(fù)合增壓

復(fù)合增壓系統(tǒng)是指采用兩種或兩種以上的增壓形式組成的增壓系統(tǒng)。如圖10所示，早期的復(fù)合增壓主要將諧振增壓與渦輪增壓進行復(fù)合[40]，以提高柴油機的瞬態(tài)特性，但是由于其體積過大，匹配難，這種復(fù)合增壓技術(shù)并沒有得到推廣。2006年以后，以Volkswagen公司1.4L TSI汽車為代表的機械-渦輪復(fù)合增壓發(fā)動機得到了廣泛的關(guān)注。GOLF汽車采用了1.4L TSI增壓發(fā)動機后，比2.3 L非增壓發(fā)動機的排量減小39%，油耗節(jié)省20%[41]。

圖10 諧振-渦輪復(fù)合增壓方案

2.6.1 機械-渦輪復(fù)合增壓

如圖11所示，TSI發(fā)動機采用機械增壓與渦輪壓氣機串聯(lián)的連接形式，進氣系統(tǒng)包括：空氣濾清器、機械增壓器、進氣旁通閥、渦輪增壓器、中冷器、節(jié)氣門、進氣歧管等。TSI發(fā)動機的復(fù)合增壓系統(tǒng)的工作模式如下[42]：

圖11 大眾1.4L TSI雙增壓方案

1）在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速大負荷時，電磁離合器結(jié)合，旁通關(guān)閉，發(fā)動機的進氣壓力主要由機械增壓器提供。

2）當發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2500r/min～3500r/min之間時，電磁離合器結(jié)合，控制閥部分開啟，機械增壓器工作，但此時，一部分廢氣通過旁通支路直接進入渦輪壓氣機。

3）在發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過3500r/min時，電磁離合器脫開，控制閥打開，機械增壓器停止工作，由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力。

機械增壓器響應(yīng)快且不受廢氣能量的約束，能夠提高發(fā)動機響應(yīng)性和低速扭矩特性；通過搭配一個壓比低、流量寬的渦輪增壓，降低排氣背壓，并配合電磁離合器的動作，使發(fā)動機獲得良好的經(jīng)濟性[41]。

2.6.2 轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓

參考了二級增壓、電輔助增壓、機械-渦輪復(fù)合增壓方案的特點及在高原功率恢復(fù)方面的潛力，北京理工大學(xué)的韓愷提出了轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案，如圖12所示，進氣系統(tǒng)主要由可調(diào)增壓器、進氣旁通閥、渦輪壓氣機、中冷器組成[43]。

圖12 轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案

在發(fā)動機低速大負荷時，進氣旁通閥關(guān)閉，可調(diào)增壓器投入使用。新鮮空氣依次經(jīng)過可調(diào)增壓器和渦輪壓氣機的兩級壓縮后，經(jīng)中冷器進入發(fā)動機氣缸。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，渦輪增壓器能量增加，通過電子調(diào)節(jié)降低可調(diào)增壓器的轉(zhuǎn)速，減小耗功。當廢氣渦輪的能量足夠時，打開進氣旁通閥，可調(diào)增壓器停止工作，這時發(fā)動機工作模式與普通渦輪增壓發(fā)動機相同。此外，為防止渦輪增壓器超速，渦輪增壓器配置放氣閥。轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案通過液壓調(diào)速和高增速比傳動等方式，使可調(diào)增壓器連續(xù)工作成為可能。

從形式上看，轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案與EATS電動增壓器前置方案很相似，可以看作是電輔助增壓的一種發(fā)展，但兩種方案在理念上存在以下主要區(qū)別：

1）轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案的驅(qū)動形式不限于電機驅(qū)動?？烧{(diào)增壓器代表一類由機械、液力或電力等直接驅(qū)動并能夠?qū)ζ涔ぷ鳡顟B(tài)準確控制的增壓裝置，例如在機械-液壓混合動力裝置中，可以采用液壓馬達對其驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)流量來控制增壓器轉(zhuǎn)速。

2）電輔助增壓方案中，電動增壓器作為輔助裝置主要解決的是渦輪增壓器響應(yīng)慢的問題，所以更加關(guān)注柴油機的瞬態(tài)加速性和排放性。復(fù)合增壓方案更加關(guān)注增壓系統(tǒng)在全工況范圍內(nèi)與發(fā)動機的匹配，在這一點上轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案與機械-渦輪復(fù)合增壓的方案理念更加接近。除了提高增壓系統(tǒng)響應(yīng)性以外，轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案更關(guān)注全工況內(nèi)的增壓匹配、柴油機的低速扭矩特性和高原適應(yīng)性。

經(jīng)過仿真研究，采用了轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓柴油機具有良好的低速扭矩特性和高原功率恢復(fù)的潛力。海拔3000m時，標定點功率和最大扭矩值分別恢復(fù)至平原的89.6%和96.7%。由于原機渦輪增壓器流量的限制，復(fù)合增壓并沒有發(fā)揮出最大的潛力，下一步需要對復(fù)合增壓方案的匹配和控制策略進行更細致的研究。除了具有高原功率恢復(fù)的潛力外，轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓方案還具有以下的優(yōu)點：

1）方案易于實現(xiàn)，對原機改動小。

2）增強了進氣狀態(tài)的可控性，合理的控制策略可以使發(fā)動機具有海拔自適應(yīng)的能力。

3）渦輪壓氣機的增壓比降低，緩解了在高原環(huán)境下的喘振傾向。

4）可調(diào)壓氣機的轉(zhuǎn)速隨工況連續(xù)變化，不會出現(xiàn)壓力和流量的劇烈波動。

5）提高了進氣溫度和進氣壓力，有助于改善高原條件下的啟動性能。

3 結(jié)論

幾種可調(diào)增壓技術(shù)在高原功率恢復(fù)方面的應(yīng)用特點為：

1）帶放氣閥的增壓器技術(shù)，可以提高低速扭矩特性和增壓器的可靠性，但對高速功率的貢獻不大。

2）可變截面渦輪技術(shù)，可根據(jù)海拔條件對噴嘴環(huán)直徑進行控制，能夠起到高原功率恢復(fù)的作用。需要拓寬壓氣機的流量范圍，并提高噴嘴環(huán)調(diào)節(jié)機構(gòu)的可靠性。

3）可調(diào)二級增壓技術(shù)，對原增壓系統(tǒng)的改動較大，已經(jīng)取得了較豐富的研究成果和工程經(jīng)驗，可以有效地提高柴油機高原功率恢復(fù)能力。

4）相繼增壓技術(shù)，控制策略復(fù)雜，目前不適用于車用柴油機的高原功率恢復(fù)。

5）電輔助增壓方案，重點提高發(fā)動機的瞬態(tài)性能，對高原車輛加速性的提高有一定幫助。

6）轉(zhuǎn)速可控復(fù)合增壓技術(shù)，靈活性與可控性很強，對原機改動不大，具有高原功率恢復(fù)的潛力，需要進一步研究其穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性及控制策略。

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Application of Supercharging Technologies for Diesel Engine at Plateau

Zhu Zhenxia，Zhang Fujun，Ma Chaochen，Han Kai，Liu Yangyang
School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology(Beijing，100081，China）

Firstly，the adverse effects of plateaus ambient conditions on engines and the corresponding solutions are reviewed.The improvement for turbocharging system has been drawing the attention of researchers，who were dedicated to power recovery for engines running at plateau.And two types of such improvement are introduced-matching turbocharger for plateaus usage and adjustable turbocharging technologies.Secondly，the theories，history and the status quo of typical adjustable turbocharging tech-nologies are presented individually，such as:Turbo Waste-gate technology，variable geometry turbocharger（VGT），two stage turbo-charger（TST），sequential turbocharging system（STC），electrically assisted turbocharger（EAT）and Combined Supercharging Sys-tem（CSC）.What's more，the prospect of every technology applying at plateau was also discussed.Eventually，after the discussion and comparison，VGT，TST and Speed-Controllable Combined Supercharging were considered to be capable to enhance the power of diesel engines at plateau and also easy to be carried out.

IC engine，Plateau，Power recovery，Two stage turbocharger，Variable geometry turbocharger，Electrical assisted turbocharger，Speed-controllable combined supercharging

TK421.8

A

2095-8234（2014）04-0073-08

2014-06-12）

省部級項目（D2220112901）。

朱振夏（1987-），男，博士生，主要研究方向為內(nèi)燃機工作過程與匹配。