皮道平等

摘要：

在非道路移動(dòng)機(jī)械中，柴油機(jī)憑借其低油耗、高轉(zhuǎn)矩低油耗等性能優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)占有主導(dǎo)地位。柴油機(jī)在使用增加技術(shù)后，高負(fù)荷區(qū)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，機(jī)械效率也得到了明顯提高。增壓技術(shù)在非道路柴油機(jī)上的運(yùn)用，必須綜合考慮各方面的影響來(lái)選擇折衷的方案。

關(guān)鍵詞：

增壓；柴油機(jī)；油耗；排放

中圖分類號(hào)：

TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2015）11019001

1渦輪增壓器種類

渦輪增壓器按增壓方式分為廢氣渦輪增壓器、組合式渦輪增壓器、復(fù)合式廢氣渦輪增壓器三種，它們的工作原理簡(jiǎn)介如下：

（1）廢氣渦輪增壓器是通過將發(fā)動(dòng)機(jī)排放的仍具有一定能量的氣體循環(huán)進(jìn)入到渦輪進(jìn)一步膨脹做功，渦輪機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)工作葉輪的驅(qū)動(dòng)是廢氣渦輪的作用工作，然后，將新鮮空氣通過壓氣機(jī)壓縮進(jìn)一步送入氣缸中，通常情況下，壓氣機(jī)和廢氣渦輪組合為一體。廢氣渦輪增壓器最大的特點(diǎn)是工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在一般的柴油機(jī)械中，如果科學(xué)合理的加裝廢氣渦輪增壓后，可以降低油耗約5%，提高輸出功率30%。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體的經(jīng)濟(jì)性能、動(dòng)力性能、排放性能等都有較好的改善，因此，得到了較好的推廣應(yīng)用。

（2）組合式渦輪增壓器是由進(jìn)氣慣性增壓和廢氣渦輪增壓經(jīng)過科學(xué)組合而構(gòu)成的。在本增壓系統(tǒng)中，不僅具有前述廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，還有共振室、共振管、穩(wěn)壓箱組成的進(jìn)氣慣性增壓系統(tǒng)。通過對(duì)壓力峰值的利用，對(duì)增壓后的進(jìn)氣壓力進(jìn)一步提高。此增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩的改善很有利，也可以提高機(jī)械的加速性能。

（3）復(fù)合式廢氣渦輪增壓器是將廢氣渦輪增壓器與廢氣動(dòng)力渦輪通過串聯(lián)進(jìn)行增壓作業(yè)。一方面廢氣能量在驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪增壓器以外，還將多余的廢氣驅(qū)動(dòng)低壓廢氣動(dòng)力渦輪，動(dòng)力渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸通過液力耦合器、齒輪變速器進(jìn)行聯(lián)接，從而達(dá)到增壓增效。廢氣動(dòng)力渦輪則直接作用于曲軸，廢氣能量轉(zhuǎn)化為功率。復(fù)合式廢氣渦輪增壓器一般適用于要求高增壓度的柴油機(jī)上面，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性能、動(dòng)力性能大幅提高的目的。

2渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配

在柴油機(jī)中，當(dāng)采取渦輪增壓技術(shù)時(shí)，如何使增壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間能夠在復(fù)雜的工況條件下仍能配合良好的安全運(yùn)行，需要科學(xué)合理地選取正確的運(yùn)行參數(shù)，這也是一個(gè)復(fù)雜的過程。在渦輪增壓技術(shù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器之間只通過發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣和進(jìn)氣系統(tǒng)將兩者聯(lián)系，也就是說二者只存在氣動(dòng)關(guān)系。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)因工況的變化，排氣能量出現(xiàn)波動(dòng)，直接影響到增壓器的進(jìn)氣，然后因相對(duì)的氣動(dòng)關(guān)系，又影響到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量、溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能?？梢哉f增壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在工作過程中，需要根據(jù)不同的工況，不斷協(xié)調(diào)平衡。針對(duì)此情況，渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配需要滿足以下條件：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行應(yīng)盡可能位于壓氣機(jī)的高效率圈和壓氣機(jī)高效率區(qū)域，且無(wú)堵塞或喘振。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性中，排氣背壓與增壓壓力的交點(diǎn)，應(yīng)越低越好，總之應(yīng)處于低荷區(qū)域。

（3）壓氣機(jī)應(yīng)工作于高效率區(qū)域，并具有較為寬廣的流量范圍，達(dá)到預(yù)設(shè)的壓比。

（4）為保證達(dá)到壓氣機(jī)所需要的功率，渦輪應(yīng)具有較好的流通能力，在柴油機(jī)運(yùn)行中保持較高的效率。

（5）增壓系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)匹配設(shè)計(jì)要求，達(dá)到相應(yīng)空氣流量、增壓壓力、燃油消耗率、功率等技術(shù)參數(shù)。在低負(fù)荷區(qū)域工作時(shí)，油耗應(yīng)處于良好。

（6）為保證增壓器與柴油機(jī)在復(fù)雜工況條件安全穩(wěn)定的運(yùn)行，增壓器不允許出現(xiàn)排氣溫度過高、燃燒壓力過高、超速等現(xiàn)象。

3增壓技術(shù)對(duì)柴油機(jī)的主要影響

3.1噴油壓力

為了保證較短的噴油持續(xù)期和較高的噴油率，在對(duì)柴油機(jī)增壓后，噴油的壓力也必須相應(yīng)提高，從而達(dá)到降低燃油消耗的目的。提高噴油壓力，還可以使炭煙排放量降低，達(dá)到低碳環(huán)保提高燃油效率之目的。在實(shí)驗(yàn)中，我們將其他參數(shù)不變，僅在實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)上將噴油壓力分別提升到200bar、220bar、235bar、250bar。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著噴油壓力的提升，我們發(fā)現(xiàn)整機(jī)的比油耗在較小的一個(gè)范圍變化。在標(biāo)定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著噴油壓力的增加，柴油機(jī)油耗波動(dòng)幅度較大，呈先增后減的變化。無(wú)論是在標(biāo)定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速還是標(biāo)定轉(zhuǎn)速，油耗最低時(shí)，噴油壓力均為200bar。

經(jīng)分析，當(dāng)噴油壓力增加，但油耗沒有明顯降低的主要原因?yàn)椋涸谔岣邍娪蛪毫Φ倪^程中，一般采用提高柱塞運(yùn)動(dòng)速率和增大噴油柱塞直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，就不可避免地在噴油壓力增大的同時(shí)增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，造成油泵傳動(dòng)功率上升，油泵傳動(dòng)功率上升，抵消了提高噴油壓力所帶來(lái)的好處。因此，提高噴油壓力并非完全有利于降低油耗。另一方面，在實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)提高噴油壓力，對(duì)NOx比排放有升高的趨勢(shì)，但變化的范圍很小，對(duì)HC、CO的排放影響也很小。在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下，隨著噴油壓力的增加，煙度出現(xiàn)了較大的上升幅度。而在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)，煙度變化范圍很小。分析后認(rèn)為，在提高噴油壓力，可以將油霧細(xì)化，從而對(duì)炭煙排放有所改善。但在不變動(dòng)柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)，噴油壓力的增加，也會(huì)增加噴注貫穿距離，增加落壁油量，進(jìn)而惡化混合氣，升高排溫，使煙度增加。在進(jìn)氣量相對(duì)較少的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，這種現(xiàn)象更為明顯。在對(duì)柴油機(jī)多次實(shí)驗(yàn)后，綜合考慮排放和油耗等因素，將噴油壓力選定為200bar較為科學(xué)。

3.2壓縮比

在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行增壓的過程中，發(fā)現(xiàn)隨著增壓空氣溫度上升，循環(huán)平均溫度也在升高，從而提高了柴油機(jī)的熱負(fù)荷。為了降低燃燒壓力，可以采取降低壓縮比來(lái)實(shí)現(xiàn)。在保證其他相關(guān)技術(shù)參數(shù)不變的前提下，在實(shí)驗(yàn)中分別選取壓縮比為16、16.5、17.5，來(lái)比較不同壓縮比下，比油耗、比排放、比煙度的變化。在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下，隨著壓縮比的增加，比油耗不斷下降，變化較為明顯。而在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著壓縮比的增加，比油耗變化很小?？梢钥闯?，壓縮比的增加，對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下燃油的經(jīng)濟(jì)性有很明顯的影響，較好的提高了燃燒效率。另一方面，壓縮比增加后，實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速處煙度變化不大，但在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速區(qū)煙度明顯降低。在壓縮比增加以后，可以加快自燃前中間化學(xué)反應(yīng)速度和可燃混合氣體的形成，缸內(nèi)溫度增加，滯燃期縮短，提高了燃燒效率，Soot排放也減小了。但，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，在壓縮比增加后，燃燒室單位容積的含氧量也隨之增加，NOX排放增加。針對(duì)柴油機(jī)的排放受壓縮比的影響，合理的壓縮比應(yīng)根據(jù)Soot排放和NOX排放情況進(jìn)行科學(xué)選擇，一般選取壓縮比為17.5時(shí)，Soot排放和NOX排放較為合理，也滿足柴油機(jī)在大部分工況條件的工作需要。

3.3氣門重疊角

在對(duì)自然吸氣式柴油機(jī)進(jìn)行增壓時(shí)，考慮到排溫和發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的影響，會(huì)加強(qiáng)氣門重疊間的掃氣作用，這一般采用增加氣門重疊角來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是針對(duì)ω型燃燒室，因大活塞隙難以滿足，對(duì)氣門重疊角加大范圍有所限制。否則，活塞會(huì)在上止點(diǎn)附近與氣門發(fā)生干涉，致使燃燒惡化。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)氣門重疊角調(diào)整到20°CA時(shí)，掃氣效率較好，排氣所消耗的泵氣功減少，柴油機(jī)油耗明顯降低。同時(shí)，增加氣門重疊角可以降低燃燒始點(diǎn)溫度，NOX排放降低。也發(fā)現(xiàn)，增加氣門重疊角在標(biāo)定轉(zhuǎn)速片排溫升高，但在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速處，排溫幾乎沒受到影響。在對(duì)氣門重疊角調(diào)整時(shí)，需要綜合考慮排放、排溫、油耗三方面的相互影響，經(jīng)多次試驗(yàn)，科學(xué)分析后，氣門重疊角在20°CA時(shí)，NOX排放和油耗都得到較好的改善，但柴油機(jī)的HC、CO、排溫略有增加，但影響不大。

4結(jié)束語(yǔ)

通過增壓技術(shù)在非道柴油機(jī)上的運(yùn)用，可以進(jìn)一步降低整機(jī)的油耗、排溫和排放，但必須綜合考慮各方面的影響來(lái)選擇折衷的方案?？梢酝ㄟ^不斷試驗(yàn)，對(duì)柴油機(jī)的壓縮比、進(jìn)排氣門正時(shí)及噴油壓力等參數(shù)的調(diào)整，使得柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性得到進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

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