董素榮，劉卓學(xué)，劉瑞林，劉澤坤，任?露

?

高壓共軌柴油機(jī)高海拔增壓匹配的試驗研究

董素榮1，劉卓學(xué)2，劉瑞林1，劉澤坤3，任?露2

(1. 陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛工程系，天津 300161；2. 陸軍軍事交通學(xué)院研究生管理大隊，天津 300161； 3. 曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院，曼徹斯特M13 9PL，英國)

基于柴油機(jī)高海拔模擬試驗系統(tǒng)，對高壓共軌柴油機(jī)不同海拔動力性和經(jīng)濟(jì)性、壓氣機(jī)特性、壓氣機(jī)與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線進(jìn)行了研究．結(jié)果表明：隨著海拔的升高，渦輪膨脹比及膨脹功均降低，壓氣機(jī)壓比及效率逐漸下降，增壓遲滯更加明顯；廢氣放氣閥開啟時刻對應(yīng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高，柴油機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性下降．相同海拔下，壓氣機(jī)壓比及效率在柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速下隨轉(zhuǎn)速增加較快，在高轉(zhuǎn)速時變化趨于平緩．此外，在海拔0～5500m，壓氣機(jī)與柴油機(jī)匹配良好，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩工況點均位于壓氣機(jī)最高效率區(qū)．

高壓共軌柴油機(jī)；高海拔；離心壓氣機(jī)；匹配特性

我國海拔超過1000m的高原面積約有358×104km2，約占國土面積的37%．高海拔地區(qū)大氣壓力低、空氣密度低，柴油機(jī)在高海拔地區(qū)工作時，進(jìn)氣質(zhì)量減少、空燃比降低、燃燒不充分，動力性和經(jīng)濟(jì)性下降，碳煙排放增加，熱負(fù)荷增大，增壓器出現(xiàn)超溫、超速及喘振等問題[1-4]，導(dǎo)致以柴油機(jī)為動力的車輛、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等機(jī)械設(shè)備高原運(yùn)輸效率和作業(yè)能力顯著降低．因此，開展柴油機(jī)高海拔環(huán)境適應(yīng)性研究對促進(jìn)高海拔地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國防建設(shè)具有重要意義．

目前，針對柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時性能下降的問題，主要開展了高原增壓匹配、供油系統(tǒng)調(diào)整、富氧進(jìn)氣、含氧替代燃料等研究工作[5-9]．研究表明，采用供油系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)僅能在3000m以下實現(xiàn)柴油機(jī)的功率恢復(fù)；采用二級可調(diào)增壓技術(shù)，雖然可以實現(xiàn)5000m以上柴油機(jī)功率恢復(fù)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，在車用柴油機(jī)上安裝非常困難；采用富氧進(jìn)氣可以改善柴油機(jī)高原燃燒狀況，但目前膜法制氧技術(shù)還不成熟，應(yīng)用受到限制；采用替代燃料改善柴油機(jī)不同海拔燃燒和性能的研究還需進(jìn)一步深化．因此，廢氣渦輪增壓技術(shù)仍是改善柴油機(jī)高海拔性能的重要手段之一，而渦輪增壓器與柴油機(jī)的高原匹配是研究的重點和難點．故筆者利用內(nèi)燃機(jī)性能高原模擬試驗系統(tǒng)，對匹配了某型渦輪增壓器的共軌柴油機(jī)進(jìn)行高海拔模擬試驗，研究不同海拔條件下渦輪增壓器與共軌柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時的增壓器性能、柴油機(jī)性能及增壓器與柴油機(jī)匹配特性，為增壓柴油機(jī)高原性能提升研究提供依據(jù)．

1?試驗系統(tǒng)與試驗方法

1.1?試驗系統(tǒng)

柴油機(jī)性能高原環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)見圖1．該系統(tǒng)采用進(jìn)氣節(jié)流、排氣抽真空的方式實現(xiàn)高壓共軌柴油機(jī)海拔(0～6000m)大氣環(huán)境的模擬與控制．

試驗用柴油機(jī)為某型號高壓共軌柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示．柴油機(jī)匹配帶廢氣放氣閥的渦輪增壓器，具體參數(shù)如表2所示．

1.2?試驗方法

開啟柴油機(jī)進(jìn)、排氣壓力模擬系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)排氣壓力，進(jìn)行不同工況高海拔模擬試驗．

增壓器轉(zhuǎn)速不大于120000r/min，排溫不大于720℃，最高燃燒壓力小于或等于16MPa．

試驗?zāi)M海拔高度為0m、2500m、3500m、4500m和5500m．

圖1?柴油機(jī)高原性能模擬試驗系統(tǒng)

表1?試驗用發(fā)動機(jī)參數(shù)

Tab.1?Parameters of test engine

表2?HX40增壓器的基本參數(shù)

Tab.2?Basic parameters of HX40 turbocharger

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?不同海拔共軌柴油機(jī)壓氣機(jī)特性

2.1.1?不同海拔柴油機(jī)全負(fù)荷工況壓氣機(jī)特性

圖2為不同海拔柴油機(jī)全負(fù)荷工況壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、耗功、絕熱效率變化曲線．由圖2可知，隨著海拔的升高，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、絕熱效率在柴油機(jī)中低速工況下降幅度較大，而在柴油機(jī)中高速工況變化較為平緩．壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速接近較大值時對應(yīng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨海拔的升高逐漸增大，尤其是在海拔5500m，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速在柴油機(jī)1800r/min時才達(dá)到較大值，出現(xiàn)了明顯的滯后現(xiàn)象．

圖2 海拔高度對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、耗功、絕熱效率的影響

壓氣機(jī)耗功與同軸相連的渦輪機(jī)做功能力密切相關(guān)．如圖3所示，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，渦輪膨脹比和膨脹功均增加，但隨著海拔的升高，渦輪膨脹比和膨脹功均降低，尤其是在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(1400～1500r/min)范圍內(nèi)下降更加明顯，導(dǎo)致渦輪增壓器嚴(yán)重滯后．

圖3?海拔高度對渦輪膨脹比、膨脹功的影響

圖4為不同海拔柴油機(jī)全負(fù)荷工況壓比變化曲線．由平原壓比曲線可以看出，渦輪放氣閥在柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(1500r/min)時開始打開，使壓氣機(jī)壓比在1400～2100r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化較??；隨著海拔的升高，中低轉(zhuǎn)速下壓比下降，尤其是海拔5500m時壓比下降更大，增壓器滯后更加嚴(yán)重，導(dǎo)致柴油機(jī)中低速下性能下降顯著；渦輪放氣閥打開時機(jī)隨著海拔的升高向高轉(zhuǎn)速移動，如海拔由0m升高到5500m時，渦輪放氣閥打開時機(jī)對應(yīng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由1500r/min升高到1800r/min．此外，海拔3500m以下，中高轉(zhuǎn)速壓比迅速增大且達(dá)到較大值，說明海拔3500m以下，增壓器壓氣機(jī)補(bǔ)氣能力較強(qiáng)，增壓共軌柴油機(jī)中高轉(zhuǎn)速動力性能下降較小，功率得到一定恢復(fù)．

圖4?海拔高度對柴油機(jī)全負(fù)荷工況壓比的影響

2.1.2?不同海拔柴油機(jī)部分負(fù)荷工況壓氣機(jī)特性

圖5為不同海拔柴油機(jī)部分負(fù)荷工況壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)耗功、絕熱效率曲線．由圖5可知，不同海拔、不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速及耗功均隨柴油機(jī)負(fù)荷的增加而增大，且中高轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和耗功變化更加明顯．這是因為低轉(zhuǎn)速下雖然負(fù)荷增加，噴油量增加，但是進(jìn)氣量有限，尤其是在高海拔下，進(jìn)氣壓力較低，燃油并沒有得到充分的燃燒，使得排氣能量變化有限，導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速及耗功變化較?。０?500m時，柴油機(jī)在1000r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷每升高20%，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高15.0%，耗功增加13.5%，而在2100r/min下，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高27.4%，耗功則增加123.0%．

圖6為不同海拔柴油機(jī)部分負(fù)荷工況壓比變化曲線．由圖可知，各海拔下壓氣機(jī)壓比均隨著負(fù)荷的增加而增大，這是由于負(fù)荷的增加使得柴油機(jī)排氣能量增加，增壓器做功能力隨之增強(qiáng)，最終導(dǎo)致壓比的升高；同時，中低轉(zhuǎn)速下壓比隨負(fù)荷的變化要小于高轉(zhuǎn)速下壓比隨負(fù)荷的變化，這一規(guī)律與圖5中壓氣機(jī)性能隨負(fù)荷變化的規(guī)律一致，這也證實了壓氣機(jī)耗功及效率是影響壓比的關(guān)鍵因素．其中，海拔5500m時，柴油機(jī)在1000r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷每升高20%，壓氣機(jī)壓比升高1.4%，而2100r/min下，壓比則增加29.8%．

2.2?不同海拔共軌柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性

圖7為不同海拔時共軌柴油機(jī)全負(fù)荷工況的進(jìn)氣量、空燃比變化曲線．由此可知，進(jìn)氣流量和空燃比均隨海拔的增高而降低；相同海拔時，柴油機(jī)進(jìn)氣流量和空燃比均隨轉(zhuǎn)速的增加而增加．柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2100r/min時，海拔由2500m升至5500m時，每升高1000m，壓氣機(jī)進(jìn)氣流量降低12.0%，空燃比降低7.1%，海拔5500m時進(jìn)氣流量和空燃比分別為平原的52.2%和71.8%．

圖5 海拔高度對柴油機(jī)部分負(fù)荷工況壓氣機(jī)性能的?影響

圖8為不同海拔柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩及燃油消耗率的變化曲線．柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩隨海拔的增高而降低，且最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速移動．如海拔0～3500m范圍內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速為1400r/min，而海拔5500m時對應(yīng)轉(zhuǎn)速為1800r/min．海拔5500m、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速800r/min時轉(zhuǎn)矩僅為平原的31.5%，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2100r/min時轉(zhuǎn)矩為平原的64.4%．同時，隨著海拔的升高，燃油消耗率逐漸上升，經(jīng)濟(jì)性變差.其中，在海拔5500m處，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min時燃油消耗率為平原的167.3%，轉(zhuǎn)速為2100r/min時燃油消耗率為平原的112.9%.

圖6?海拔高度對柴油機(jī)部分負(fù)荷工況壓比的影響

圖7?海拔高度對柴油機(jī)全負(fù)荷工況進(jìn)氣量、空燃比的影響

圖8 海拔高度對柴油機(jī)全負(fù)荷工況轉(zhuǎn)矩及燃油消耗率的影響

圖9 海拔高度對柴油機(jī)部分負(fù)荷工況進(jìn)氣量和空燃比的影響

圖9為不同海拔時柴油機(jī)部分負(fù)荷工況進(jìn)氣流量、空燃比的變化曲線．由圖可知，隨著負(fù)荷的增加，不同海拔下柴油機(jī)進(jìn)氣量均呈現(xiàn)增加的趨勢，而空燃比則逐漸下降．這是由于負(fù)荷的增加雖然會提高缸內(nèi)進(jìn)氣量，但同時也增加了噴油量，在低轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)進(jìn)氣量較少，因此共同作用下空燃比下降趨勢較為顯著；而中高轉(zhuǎn)速下，由于進(jìn)氣量的大幅增加，使得空燃比變化相對平緩，其中在5500m海拔處時，柴油機(jī)在1000r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷每升高20%空燃比下降達(dá)58.5%，而轉(zhuǎn)速為2100r/min時，空燃比下降約15.3%．

圖10?海拔高度對柴油機(jī)部分負(fù)荷特性的影響

圖10為不同海拔處柴油機(jī)部分負(fù)荷特性曲線.如圖所示，隨著負(fù)荷的增加，不同海拔下柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩1000r/min時，負(fù)荷每提高20%，轉(zhuǎn)矩增加71.1%，而均呈現(xiàn)升高的趨勢，5500m海拔下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2100r/min時，轉(zhuǎn)矩增加117.5%．在高海拔、低轉(zhuǎn)速工況，燃油消耗率隨負(fù)荷增加呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，而在高轉(zhuǎn)速工況，燃油消耗率則呈現(xiàn)出隨負(fù)荷增加而降低的變化規(guī)律，且在大負(fù)荷狀態(tài)下，變化趨于平緩．這是由于在高海拔條件下，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況時，增壓器滯后嚴(yán)重，空燃比降低明顯(見圖9(a))，燃燒惡化，功率降低，導(dǎo)致燃油消耗率增加，經(jīng)濟(jì)性變差．

2.3?柴油機(jī)與壓氣機(jī)高海拔匹配特性

圖11是不同海拔處全負(fù)荷工況柴油機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線．從圖中可知，從平原至海拔5500m，共軌柴油機(jī)與壓氣機(jī)在中、高轉(zhuǎn)速下匹配效果較好，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩工況均在壓氣機(jī)最高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行，且各工況點均未穿過喘振線和阻塞線，壓氣機(jī)也并未出現(xiàn)超速狀況，總體運(yùn)行狀況良好．圖12是在不同海拔處部分負(fù)荷工況時柴油機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線.由圖可知，在柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速時壓氣機(jī)效率較低，特別在高海拔條件下與柴油機(jī)匹配效果較差，而中高轉(zhuǎn)速時壓氣機(jī)效率隨負(fù)荷的增加逐漸增加，在大負(fù)荷時達(dá)到高效率區(qū)，且未接近喘振線及阻塞線，與柴油機(jī)匹配效果較好．

圖11 不同海拔全負(fù)荷工況柴油機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線

圖12 不同海拔處部分負(fù)荷工況柴油機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線

隨著海拔高度的增加，雷諾數(shù)不斷減小，氣體黏性阻力影響增大．不同海拔處HX40壓氣機(jī)雷諾數(shù)變化曲線如圖13所示，隨著海拔高度的增加，壓氣機(jī)進(jìn)氣雷諾數(shù)下降，當(dāng)海拔高度達(dá)到3000m時，HX40型增壓器壓氣機(jī)雷諾數(shù)小于1.5×105，進(jìn)入自模區(qū)．

圖13?離心壓氣機(jī)雷諾數(shù)隨海拔的變化曲線

圖14為根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]計算得到的該增壓器海拔3500m和5500m時修正后的壓氣機(jī)特性曲線以及與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線．由此可見，隨著海拔升高，特性曲線逐漸向小流量方向移動，且流量范圍逐漸變窄，高效率區(qū)范圍變?。捎眯拚龎簹鈾C(jī)特性所得到的柴油機(jī)與壓氣機(jī)的匹配狀況與圖11基本相符合，各工況點均處于同一效率區(qū)之中，柴油機(jī)與壓氣機(jī)在中、高轉(zhuǎn)速下匹配效果較好．

圖14 不同海拔壓氣機(jī)特性修正后與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線

3?結(jié)?論

(1) 隨著海拔的升高，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、絕熱效率、壓比在柴油機(jī)中、低速工況下降幅度較大，而在中高速工況變化較為平緩，且接近較大值時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨海拔的升高逐漸增大，滯后現(xiàn)象逐漸明顯．渦輪放氣閥開啟時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨海拔的升高而增大．

(2) 柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性隨海拔的增加而下降，且最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速移動．海拔5500m，2100r/min時轉(zhuǎn)矩下降為平原的64.4%，燃油消耗率增加至平原的112.9%；海拔由0m升高到5500m，最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速由1400r/min增大到1800r/min．

(3) 柴油機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線表明，各海拔下柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點在壓氣機(jī)最高效率區(qū)范圍內(nèi)運(yùn)行，且各工況點均未穿過喘振線和阻塞線，壓氣機(jī)也未出現(xiàn)超速狀況，總體運(yùn)行狀況良好．

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Experimental Study of Turbocharge Matching in High-pressure Common-rail Diesel Engine at High Altitude

Dong Surong1，Liu Zhuoxue2，Liu Ruilin1，Liu Zekun3，Ren Lu2

(1. Military Vehicle Engineering Department，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China； 2. Postgraduate Training Brigade，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China； 3. School of Material，University of Manchester，Manchester M13 9PL，UK)

On a high-altitude performance simulation test system for diesel engines，we investigated the power and economy characteristics，compressor characteristics，and joint operation line of a compressor and a high-pressure common-rail diesel engine at differentaltitudes. The results show thatas thealtitude increased，both the turboexpansion ratio and expansion work decreased.The compressorpressure ratio and efficiencywere gradually reducedand booster retardation was more obvious. The diesel engine speed corresponding to the timing of the opening of the exhaust-gas vent valve increased，and the diesel engine power and economy declined at high altitude. At the same altitude，the compressor pressure ratio and efficiency increased rapidly with increases in engine speed in the medium and low ranges.This change tended to be gentle at high speeds.In addition，at altitudes of 0 to 5500m，the compressor and diesel engine were well matched，and the maximum torque operating point of the diesel engine was located in the highest efficiency zone of the compressor.

high-pressure common-rail diesel engine；high altitude；centrifugal compressor；matching characteristic

TK421

A

1006-8740(2019)01-0024-07

10.11715/rskxjs.R201805011

2018-05-09．

董素榮（1967— ），女，博士，教授.

董素榮，dongsr@126.com.