增壓柴油機加速性提升的摸索

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

增壓柴油機加速性提升的摸索

熊津聯，凌建群，步裕方

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

通過對一款增壓機械泵柴油機加速性的測試，摸索飛輪轉動慣量、廢氣渦輪增壓器、低速零氣壓扭矩等對柴油機加速響應性的影響規律。試驗結果表明，降低飛輪轉動慣量、合理匹配增壓器、提高低速零氣壓扭矩等有利于提升柴油機的加速性；柴油機的加速性和自由加速煙度存在折衷（tradeoff）關系。

增壓柴油機 加速性 瞬態響應 折衷

1 緒言

土方機械作業工況復雜多變，負荷變化頻繁，柴油機轉速變化范圍大，這就迫切要求采用可行方法及有效技術措施，提高增壓柴油機的加速響應性，從而使土方機械作業高效、機動靈活。本文通過對一款六缸增壓機械泵柴油機加速性的測試，摸索飛輪轉動慣量、渦輪增壓器、低速零氣壓扭矩等對柴油機加速性的影響規律。

2 加速性測試方法及設備

柴油機加速性測試根據JB/T 4198.2－1999《工程機械柴油機性能試驗方法》進行。柴油機和測功機連接，在預熱至規定熱狀態后怠速運轉時，突然將調速手柄從怠速位置拉到最大位置，測量柴油機由怠速達到標定轉速和最高空轉轉速的時間。柴油機加速性測試設備見表1。

表1 加速性測試設備

3 飛輪轉動慣量對柴油機加速響應性研究

柴油機運動質量慣性矩Jfε只出現在轉速工況改變的過渡過程中[1]，由于它的存在就排除了在加速過程中獲得超過相對穩定工況動力性、經濟性指標的可能性。這部分慣性功率損失可以被減小，但不可能被消除。比較柴油機穩定工況和加速工況的有效扭矩Tew和Tef，有：

其中，Tiw、Tif和Tmw、Tmf分別為穩定工況和加

速工況時的指示扭矩及機械損失扭矩；Jf是柴油機運動質量相對曲軸中心線的轉動慣量；ε為曲軸角加速度。

來稿日期：2013-07-29

因此，減小Jf可以增大加速工況下的有效扭矩輸出，提升柴油機的加速響應性，而飛輪轉動慣量占柴油機總轉動慣量的80%～90%。表2為試驗柴油機所匹配2種飛輪A和B的質量、轉動慣量參數。圖1是試驗柴油機匹配飛輪A、飛輪B進行加速性測試取得的結果曲線，從該曲線可以看出減小飛輪轉動慣量可以提升柴油機的加速響應性。

表2 飛輪A和B主要參數

圖1 配不同轉動慣量飛輪的柴油機加速性對比

飛輪作為減小曲軸回轉不均勻性而設計的慣性蓄能件，減小飛輪轉動慣量，會增大柴油機曲軸回轉不均勻性，加大振動及噪聲，甚至會影響柴油機的可靠性，降低使用壽命。因此，應根據配套對象的不同用途，應合理設計和選用飛輪。

4 增壓器匹配對柴油機加速響應性研究

增壓技術對柴油機提高升功率、降低燃油耗和減少污染物排放、以及提升高原工作能力等具有顯著貢獻。但加速過程中，與同等功率、大排量的自然吸氣柴油機相比，增壓柴油機低速區瞬態響應扭矩相對不足，加速性差，如圖2所示。瞬態加速時，柴油機噴油量突然加大，廢氣溫度急劇升高，此時增壓器渦輪旋轉應該加快，帶動壓氣機葉輪旋轉加快，以增大柴油機充氣量，但由于增壓器渦輪和壓氣機葉輪存在慣性，增壓器的轉速不可能迅速提高，導致壓氣機不能提供如穩態工況中與柴油機噴油量相適應的進氣量，渦輪增壓器轉子的轉動慣量越大，進入氣缸的空氣量就越滯后，柴油機加速性就越差。

圖2 增壓柴油機與非增壓柴油機加速響應對比

國內外很多專家學者對改善加速過程中廢氣渦輪增壓柴油機瞬態響應這個課題做了研究[2]。英國的J.D.Leder和Benson[3]，德國的Harndorf[4]等先后提出在加速時用高壓空氣補充壓氣機、或同時向渦輪及壓氣機噴氣等方法來改善廢氣渦輪增壓柴油機的瞬態響應。而國內上海交通大學、吉林大學等高校也對利用高壓空氣向增壓器壓氣機端或渦輪端噴氣做了試驗研究，試驗證明這種方法能有效地提高柴油機的加速響應[5]。

因此，降低增壓器轉子的轉動慣量，或增大加速工況下柴油機的充量系數，可以提升柴油機的加速響應，但這需要優化匹配增壓器。表3為試驗樣機匹配2種增壓器T34和T36的技術參數。圖3是試驗樣機匹配增壓器T34和T36進行加速性測試得到的曲線。從該曲線可以看出，該柴油機匹配T34增壓器在加速性上明顯優于T36增壓器。在油門瞬間拉到全油門位置時，瞬時扭矩主要受柴油機加速過程中的充量系數決定。而對關于加速工況下充量系數ηv的變化特性，至今有著不同的研究結果：有的結果表明加速時ηv下降，也有的顯示ηv增加。其中一種觀點認為加速時氣缸中充氣量的差異與2個因素有關：（1）與加速時產生的附加空氣動力損失有關，由于空氣動力損失使循環充氣量下降；（2）與加速時零部件的熱力狀態變化滯后于工況的變化有關。多數試驗研究揭示出熱慣性的影響占主導地位。圖4是試驗柴油機匹配T34增壓器的穩態外特性與瞬態加速外特性的充量系數ηv對比曲線。從該曲線可知，在瞬時加速時充量系數ηv是減小的。

表3 增壓器參數簡單描述

圖3 配不同增壓器的柴油機加速性對比

圖4 穩態工況與瞬態加速工況下外特性充量系數對比

圖5為試驗柴油機匹配增壓器T34和T36的外特性燃油消耗率對比曲線。從圖4和圖5的曲線可知，該柴油機匹配T34增壓器雖然在加速性及低速燃油耗上明顯優于T36增壓器，但犧牲高速燃油耗，會增加作業時的油耗[6]。

5 低速零氣壓扭矩對柴油機加速響應性研究

冒煙限制器一般裝在噴油泵總成上，它能根據柴油機進氣壓力的變化改變噴油泵的供油量，從而限制柴油機低速時的煙度。采用機械泵的柴油機通過冒煙限制器來調整低速零氣壓時的扭矩。在限煙器不通入渦輪增壓器的增壓空氣的情況下，調整限位螺釘，使拉桿處于S1位置，不同的S1位置對應不同的低速零氣壓扭矩。冒煙限制器的性能曲線如圖6所示。圖中拉桿位置S1'、S1"對應的扭矩分別為拉桿位置S1時對應扭矩值的1.2、1.3倍；P1為零氣壓壓力，數值為0；P2、S2對應為800 r/min外特性時的增壓壓力及拉桿位置，具體見表4各拉桿位置對應的工況參數。

圖5 配不同增壓器的外特性燃油消耗率對比

圖6 冒煙限制器的性能曲線

表4 各拉桿位置對應的工況參數

將試驗柴油機噴油泵按表4所示低速零氣壓扭矩值調整，并進行各自的加速性及自由加速煙度測試，加速性對比及自由加速煙度結果曲線如圖7、圖8所示。從試驗結果可知，在性能方案配置確定后，改善加速響應性就得犧牲加速煙度指標，改善加速煙度指標就得犧牲加速響應性，二者存在著一種折衷關系。

Groping for Acceleration Improvement of Turbocharged Diesel Engine

Xiong Jinlian,Ling Jianqun,Bu Yufang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd,Shanghai 200438,China）

Through acceleration tests on a turbocharged diesel engine with mechanical fuel pump,the effects are investigated of the moment intertia of flywheel,exhaust turbocharger and low-speed zero pressure torque on engine acceleration response.The test results demonstrate that reduction of flywheel moment intertia,reasonable matching of turbocharger and improvement of low-speed zero pressure torque can upgrade the acceleration of diesel engine,,and there is a tradeoff between engine acceleration and free-acceleration smoke.

turbocharged diesel engine,acceleration,transient response,tradeoff

熊津聯（1984-），男，工程師，主要研究方向為柴油機性能開發及電控標定。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.005