D6114柴油機高海拔功率恢復計算研究

李華雷，石 磊，鄧康耀，邢衛東，程江華

（1.上海交通大學動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240；2.柴油機增壓技術重點實驗室，山西 大 同 037036）

我國地域遼闊，地形復雜多變，海拔1 000m以上的高原面積約占全國總面積的58%，海拔2 000m以上的高原面積約占33%。隨著海拔高度的升高，大氣壓力和溫度降低，空氣密度也相應減小，另外空氣中氧濃度也會減小。環境壓力、溫度和濕度的變化都會影響柴油機的運行性能，而壓力隨海拔的變化最為明顯。

隨著海拔的升高，進氣壓力降低，氣缸內進氣終點的壓力減小，導致壓縮終點壓力和溫度相應降低，引起柴油機的功率和扭矩下降，同時燃油消耗率上升。海拔越高，柴油機性能惡化越明顯。空氣密度減小，進入氣缸內的空氣量相應減小，在噴油量不變的情況下，空燃比下降，柴油的霧化質量和油氣混合質量變差，導致滯燃期延長；空氣含氧量的減小使得參與燃燒的氧氣的量變少，導致燃燒不充分，后燃現象嚴重，燃燒持續期變長，這二者導致循環熱效率下降。另外后燃現象加重還會引起排氣溫度升高，使得柴油機的熱負荷變大。高海拔下柴油機的動力性、經濟性、可靠性和排放性都會大幅度下降，難以保證其正常運行［1－8］。

柴油機采用渦輪增壓技術可以提升功率密度，降低燃油消耗和排放，并在一定海拔內恢復柴油機功率。但受增壓器轉速和渦輪前排氣溫度等限制，增壓器的進氣自補償能力在高海拔工況不足以彌補環境變化引起的進氣量降低。

針對增壓柴油機高海拔動力性和經濟性惡化的問題，本研究開展了變海拔性能計算，并采用不同的增壓系統來進行柴油機功率恢復。

1 D6114柴油機仿真模型的建立

研究機型選用D6114渦輪增壓直噴柴油機，其主要參數見表1。

表1 D6114柴油機主要性能參數

采用GT－Power軟件建立D6114柴油機的仿真計算模型。進排氣管路采用一維簡化方式建立。中冷器采用Pipe模塊通過增大管壁面積、設定目標壁溫、增大傳熱系數等來實現中冷器的效果。渦輪和壓氣機模型采用試驗數據圖譜離散輸入。由此建立D6114柴油機的原機計算模型，并將計算值與原機性能試驗數據進行對比，模型的誤差情況見圖1和圖2。

可以看出，主要性能參數的計算結果與試驗數據的誤差都在5%以內，所建立的原機仿真模型精度較高，可以用來進行性能分析研究。

2 原機高原工況性能計算

在模型校核的基礎上，將環境模塊按表2參數來模擬高原大氣環境，并依據經驗公式［10］進行壓氣機圖譜的高原修正，結果見圖3。可以看出隨著海拔上升，壓氣機工作運行的整個流量范圍變窄，而且會向小流量方向移動，特性線斜率變大，壓氣機的增壓比隨著海拔上升也會逐漸增大。

表2 高原大氣環境參數

在等過量空氣系數條件下，假定高原與平原工況的燃燒模型差異不大，進行原機變海拔工況的外特性仿真，計算結果見圖4。

原機平原試驗條件為壓力101.5kPa，溫度300K，而在模擬計算中采用標準的高原大氣環境參數，壓力為100kPa，溫度為288K，環境參數變化會引起進氣量變化，在等過量空氣系數的條件下，循環噴油量在平原工況下與原機數據有些不一致，導致功率和扭矩存在一些差異。

從圖4可以看出，隨著海拔高度上升，進氣壓力降低，空氣密度下降，進入氣缸內的空氣量相應減少，導致功率和扭矩逐漸降低，動力性能惡化。柴油機功率隨海拔升高逐漸下降，標定轉速點功率下降約37%；柴油機的最高扭矩隨著海拔升高而降低，并且最高扭矩對應發動機轉速向高轉速方向移動。進氣條件從平原變化到海拔4 500m時，最高扭矩轉速會從1 400r／min移動到1 800r／min。究其原因，與高轉速相比，柴油機的廢氣能量在較低轉速下隨海拔高度上升惡化嚴重，使得渦輪增壓器的自補償能力逐漸減弱。從圖4c可以看出，隨著海拔升高柴油機的燃油消耗率逐漸上升，海拔4 500m時最低燃油消耗率對應的轉速從平原的1 400r／min變化到1 600r／min，柴油機經濟運行區域變小，經濟性惡化。

綜上可知，D6114柴油機采用原機單級增壓系統已經不能滿足高海拔下的動力性和經濟性要求，需要針對高海拔工況進行功率恢復的計算。

3 高海拔功率恢復的適應能力研究

功率恢復目標為海拔3 000m時功率恢復到平原的100%，海拔4 500m時功率恢復到平原的85%。針對D6114柴油機分別采用廢氣放氣式和可調二級增壓系統等方案進行高海拔功率恢復研究。

3.1 廢氣放氣式增壓系統

原機增壓器在平原工況下，當柴油機轉速超過1 300r／min時通過開啟廢氣放氣閥來防止增壓器轉速過高，因此考慮在高海拔時通過關閉廢氣放氣閥來恢復整機功率。圖5和圖6分別示出海拔3 000m下功率和燃油消耗的對比情況。可以看出，關閉廢氣放氣閥后在1 400r／min時功率從100kW提升到123kW，實現恢復部分功率，但未能達到原機平原的153kW；在1 600r／min時功率從124kW上升到180kW，超過了原機平原的171kW。其原因是關閉廢氣放氣閥使得渦輪等效流通面積相應變小，導致渦輪膨脹比變大，渦輪膨脹功率增大，從而提高了增壓比和進氣流量，在等過量空氣系數條件下柴油機循環噴油量增加，使得功率得到提升，改善了高海拔工況的動力性和經濟性。從圖6中可以看出，1 600r／min時燃油消耗率從213g／（kW·h）減小到平原水平的206g／（kW·h）。

圖7和圖8分別示出海拔高度4 500m時的功率和燃油消耗對比情況。關閉廢氣放氣閥后，1 400r／min時功率從78kW提高到99kW，未能恢復到原機平原功率的85%；但1 600r／min時功率從103kW提升到151kW，恢復到了平原功率的85%。1 600r／min時柴油機的燃油消耗率從219g／（kW·h）減小到210g／（kW·h），但未能達到原機平原的206g／（kW·h）水平。

采用廢氣放氣式增壓系統，當發動機轉速超過1 600r／min時關閉廢氣放氣閥導致增壓器超速，發動機不能正常運行。對于1 800r／min的發動機運行點，渦輪增壓器已經超速（見圖9）。

3.2 可調二級增壓系統方案

采用廢氣放氣式增壓系統未能實現高海拔功率目標，現考慮采用可調二級增壓系統進行功率恢復計算。可調二級增壓系統有旁通低壓級和旁通高壓級2種方案。旁通低壓級方案是在高壓級采用原機增壓器，低壓級選用比原機增壓器流量范圍更大的渦輪增壓器，來滿足變海拔工況流量變化范圍大的需求。旁通高壓級方案是選擇合適的匹配點，并通過高低壓級的壓比分配來初步確定高低壓級增壓器的大小，然后兼顧平原工況和高海拔工況進行調整，并確定最終的高低壓級增壓器。

圖10示出可調二級增壓系統的方案布置。旁通低壓級方案設置3個調節閥門，1個廢氣放氣閥，并在低壓級渦輪和壓氣機旁各并聯1個旁通閥。而旁通高壓級方案將閥門減少到2個。

3.2.1 旁通低壓級方案

圖11示出旁通低壓級方案在海拔3 000m和4 500m時高海拔功率對比情況。在海拔高度3 000m時，1 300～2 000r／min區間采用旁通低壓級方案功率基本可以恢復到原機平原水平，但2 200r／min時略低于原機平原水平。在海拔高度4 500m時，除2 200r／min之外，采用旁通低壓級方案均可以實現功率恢復目標，然而對于2 200r／min功率只恢復到原機平原水平的83%。

從圖12中可知，在海拔3 000m時原機增壓器只是貢獻一小部分的增壓作用，而低壓級壓氣機起主要作用。柴油機的運行線遠離高壓級壓氣機的高效區域，而穿過低壓級壓氣機的高效區域，可以看出高壓級采用原機增壓器未能實現最大化兩級增壓系統總效率。

3.2.2 旁通高壓級方案

圖13示出采用旁通高壓級方案在海拔3 000m和4 500m時功率對比情況。在海拔3 000m，1 300～2 200r／min范圍內，采用旁通高壓級方案基本能夠將功率恢復到原機平原水平。在海拔4 500m，采用旁通高壓級也基本可以實現功率恢復目標，在1 400r／min和1 600r／min兩個轉速下，柴油機功率甚至實現了100%的功率恢復。

從圖14可以看出，通過匹配計算所確定的旁通高壓級方案在海拔3 000m時使得高壓級增壓器起到主要的進氣壓縮作用，而低壓級增壓器加以輔助。柴油機的運行線穿過高壓級壓氣機的高效區域，而同樣距離低壓級壓氣機的高效區域較近，從而取得較高的增壓系統總效率。

可以看出，相比于單級增壓和廢氣放氣式增壓系統，通過高低壓級增壓器的兩次增壓作用，采用可調二級增壓系統可以實現更高的進氣壓力和流量，在等過量空氣系數的條件下柴油機的進氣在循環內可以燃燒更多的柴油，從而提升柴油機的整機功率，實現高海拔下的功率恢復目標。

3.3 兩種方案性能對比分析

針對可調二級增壓系統的兩種不同方案，分別進行了兩種海拔下泵氣平均有效壓力和燃油消耗率的性能對比分析（見圖15和圖16）。

從圖15可知，在海拔3 000m和4 500m，各轉速下旁通高壓級的泵氣平均有效壓力均要低于旁通低壓級，增壓系統效率相對較高，使得柴油機的燃油消耗率相應較低。而在海拔3 000m各轉速下旁通高壓級的燃油消耗率均低于旁通低壓級。在1 400r／min時兩種方案的燃油消耗率相差不大。在標定轉速時旁通低壓級的燃油消耗率為233g／（kW·h），而旁通高壓級的燃油消耗率為223g／（kW·h），降低了10g／（kW·h）。

在海拔4 500m，與采用旁通低壓級方案相比，1 400r／min時旁通高壓級的燃油消耗率減小了2g／（kW·h）。2 200r／min時旁通低壓級的燃油消耗率為238g／（kW·h），而旁通高壓級的燃油消耗率與其相比減小了8g／（kW·h）。

綜上所述，可調二級增壓系統的旁通高壓級方案在實現功率恢復目標和優化經濟性能方面都要優于旁通低壓級方案。

4 結論

a）隨著海拔的升高，柴油機的動力性和經濟性下降，柴油機的最高扭矩值逐漸減小，而且最高扭矩所對應的轉速逐漸向高轉速方向移動；燃油消耗率隨海拔升高而增加，最低燃油消耗率對應的轉速也向高轉速移動，經濟運行區域減小；

b）采用廢氣放氣式增壓系統可以部分恢復中間轉速的功率，但在高海拔高轉速區域渦輪增壓器會超速，影響柴油機正常運行；

c）與旁通低壓級相比，旁通高壓級的可調二級增壓系統可以實現高海拔的功率恢復目標，而且經濟性能相對較好。

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