高原環(huán)境下柴油機(jī)增壓技術(shù)研究與應(yīng)用

董素榮，熊春友，劉瑞林，張眾杰，周廣猛

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院研究生管理大隊，天津300161;3.軍事交通學(xué)院學(xué)員旅，天津300161)

我國高原地區(qū)面積約占國土面積的37%，其中，青藏高原面積約為240萬km2，平均海拔高于4 000 m。柴油機(jī)在高原運(yùn)行時，由于大氣壓力、空氣密度降低，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量減少、空燃比降低、燃燒惡化，造成柴油機(jī)動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性下降，熱負(fù)荷增大，碳煙排放增加［1－4］。柴油機(jī)作為各種車輛、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等機(jī)械裝備的“心臟”，其高原環(huán)境適應(yīng)性直接決定機(jī)械裝備性能在高原地區(qū)的有效發(fā)揮。因此，提高柴油機(jī)的高原適應(yīng)性是提升機(jī)械裝備整機(jī)性能的關(guān)鍵。大量研究表明，渦輪增壓技術(shù)已成為柴油機(jī)高原動力恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。

世界主要發(fā)達(dá)國家所處地域的海拔一般在3 000 m以下，100%重型車輛柴油機(jī)都采用渦輪增壓技術(shù)，其先進(jìn)的增壓技術(shù)使得柴油機(jī)有著較大的功率儲備，能夠保持海拔3 000 m以下功率不下降，但對3 000 m以上海拔的相關(guān)研究較少。而國內(nèi)由于特殊高原環(huán)境，圍繞高原地區(qū)柴油機(jī)動力恢復(fù)，主要開展了高原環(huán)境下增壓器壓氣機(jī)特性變化及修正、單級及多級渦輪增壓器與柴油機(jī)的高原匹配等方面的研究工作。

1 高原環(huán)境下增壓器壓氣機(jī)特性變化及修正

1.1 壓氣機(jī)特性隨海拔的變化

高原環(huán)境下，隨著海拔的上升，柴油機(jī)的進(jìn)氣量減少，其功率顯著下降，廢氣渦輪增壓是柴油機(jī)高原功率恢復(fù)的有效方法。然而，功率恢復(fù)的效能與渦輪增壓器的性能密切相關(guān)。為了研究高原環(huán)境對渦輪增壓器性能的影響，華中科技大學(xué)［5－6］基于11GJ渦輪增壓器壓氣機(jī)的主要參數(shù)，計算分析了不同海拔壓氣機(jī)雷諾數(shù)的變化及其對渦輪增壓器性能的影響。研究結(jié)果表明，小型渦輪增壓器壓氣機(jī)雷諾數(shù)隨海拔的升高急劇降低，壓氣機(jī)效率顯著下降、喘振提前發(fā)生、工作范圍變窄，進(jìn)而提出了僅僅按馬赫數(shù)相等所作的壓氣機(jī)“通用特性曲線”不宜直接用于高海拔地區(qū)。

西寧高原工程機(jī)械研究所［7］通過對80J－Ⅲ渦輪增壓器進(jìn)行模擬試驗，驗證了雷諾數(shù)隨海拔升高而減小的結(jié)論，并得出了增壓器壓氣機(jī)絕熱效率、壓比、流量、喘振線等參數(shù)隨海拔的變化關(guān)系。結(jié)果表明，海拔每升高1 000 m，壓氣機(jī)絕熱效率下降 0.79% ～1.64%，壓比下降1.16% ～2.69%，流量下降0.74% ～9.02%，壓氣機(jī)喘振線變窄 0.51% ～4.83%。

因此，當(dāng)渦輪增壓柴油機(jī)在高原地區(qū)工作時，由于柴油機(jī)排溫的升高和渦輪背壓的降低，使廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速隨海拔升高而上升。同時，與渦輪同軸的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之同步上升，進(jìn)而提高了增壓壓力，部分補(bǔ)償了因海拔的升高而引

式中:a為常數(shù)，0.15 ～0.57;γ 為常數(shù)，0.17 ～0.50;ηK為壓氣機(jī)絕熱效率;Re為雷諾數(shù);角標(biāo)“0”表示試驗工況值。

式(1)中，a和γ是兩個常數(shù)，但數(shù)值跨度很大，如何根據(jù)不同壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)和特性選取相應(yīng)的數(shù)值，成為準(zhǔn)確修正壓氣機(jī)效率的關(guān)鍵。

北京航空航天大學(xué)［9］通過模型理論推導(dǎo)了高原發(fā)動機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)效率修正公式:起的進(jìn)氣充量下降的影響。但同時增壓器性能參數(shù)也產(chǎn)生了變化，如渦輪前溫度升高、增壓器轉(zhuǎn)速增加、壓氣機(jī)效率降低及喘振線右移等，從而容易引起渦輪增壓器超速、喘振。

1.2 壓氣機(jī)特性的高原修正

高原大氣條件下，增壓器內(nèi)部流動雷諾數(shù)降低，氣體黏性影響增大，黏性摩擦力增大，流動邊界層增厚，導(dǎo)致增壓器高原工作時效率下降，流量范圍變窄，性能MAP圖與平原相比有較大區(qū)別。增壓器的性能變化導(dǎo)致柴油機(jī)增壓匹配失準(zhǔn)，使柴油機(jī)有效充氣量下降，燃燒惡化。為了實現(xiàn)柴油機(jī)與增壓器在高原環(huán)境條件下的最佳匹配，需要對壓氣機(jī)特性進(jìn)行高原修正。

Wiesner［8］于1979年提出了沿壓氣機(jī)的等轉(zhuǎn)速線對絕熱效率進(jìn)行轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗公式:

并與Wiesner轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，在海拔6 000 m以內(nèi)，由兩個公式計算的效率曲線在整個流量范圍內(nèi)具有較好的同步性和重合性，且該式更清楚地表示了Re與渦輪增壓器壓氣機(jī)效率的關(guān)系，為研究柴油機(jī)與增壓器的高原匹配提供了依據(jù)。

2 單級渦輪增壓器與柴油機(jī)高原匹配

由于高原大氣條件的改變，導(dǎo)致渦輪增壓器匹配特性、柴油機(jī)的耗氣特性及燃燒特性與平原相比也發(fā)生了變化，致使柴油機(jī)性能不能正常發(fā)揮。因此，渦輪增壓器與柴油機(jī)的變海拔、變工況匹配問題一直是關(guān)注的重點。

2.1 固定截面渦輪增壓器與柴油機(jī)的高原匹配

目前，圍繞固定截面渦輪增壓器與柴油機(jī)的高原匹配問題，柴油機(jī)高增壓技術(shù)國家級重點實驗室［10］、濰柴動力股份有限公司［11－12］、軍事交通學(xué)院［13－14］等單位開展了大量的理論計算和試驗工作，提出了固定截面渦輪增壓器與柴油機(jī)高原匹配原則及存在的局限性。研究表明:固定截面渦輪增壓器在高原使用時除了應(yīng)具有足夠的超溫、超速能力之外，還應(yīng)具有10% ～15%喘振裕度;匹配高壓比、大流量、高效率的渦輪增壓器可以有效提高柴油機(jī)的高海拔動力性，但同時存在平原地區(qū)過高增壓現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，通過增壓器局部改進(jìn)及選型匹配，僅能夠恢復(fù)部分高原功率，但不能兼顧柴油機(jī)平原和高原性能，在實際使用中仍然存在柴油機(jī)動力不足、經(jīng)濟(jì)性差、排溫高、瞬態(tài)響應(yīng)性遲緩、渦輪超溫超速等問題。此外，渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配大多針對固定海拔和固定工況，不能滿足柴油機(jī)變海拔、變工況的工作需求。

2.2 可變截面渦輪增壓器與柴油機(jī)的高原匹配

可變截面渦輪(variable geometry turbocharger，VGT)增壓器，通過改變增壓器渦輪的流通截面積，拓寬增壓器高效率工作范圍，進(jìn)而控制增壓器轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力。在一定海拔條件下，可改善柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩特性和經(jīng)濟(jì)性，提高柴油機(jī)加速性能，降低排溫，防止渦輪超速。

清華大學(xué)［15］和柴油機(jī)高增壓技術(shù)國家級重點實驗室［16］在原固定截面渦輪基礎(chǔ)上，設(shè)計了可變截面渦輪，并進(jìn)行了不同海拔柴油機(jī)的性能對比試驗。結(jié)果表明:可變截面渦輪增壓器有效解決低速區(qū)轉(zhuǎn)矩差、壓氣機(jī)喘振及渦輪超溫超速等問題，但受壓比和流量的限制，高原功率恢復(fù)潛能有限;與原機(jī)相比，海拔3 000 m時額定功率和最大轉(zhuǎn)矩分別提高1.77%和5.49%，海拔5 000 m時分別提高1.28%和2.91%。

意大利依維柯(Iveco)［17］公司采用VGT技術(shù)并開發(fā)了不同海拔下的控制策略，使Crusor10柴油機(jī)具有一定海拔高度功率補(bǔ)償能力，滿足歐Ⅳ排放要求。

3 兩級渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)高原匹配

隨著海拔升高，大氣壓力下降，只采用單級渦輪增壓技術(shù)不能夠給柴油機(jī)提供足夠的進(jìn)氣壓力。兩級渦輪增壓技術(shù)采用兩個壓氣機(jī)串聯(lián)對進(jìn)氣進(jìn)行兩次增壓，極大地提高了柴油機(jī)高海拔進(jìn)氣壓力，可以使柴油機(jī)標(biāo)定功率基本恢復(fù)至平原水平，是高原地區(qū)柴油機(jī)動力提升的關(guān)鍵技術(shù)。

兩級增壓系統(tǒng)是將兩個渦輪增壓器串聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng)。根據(jù)兩級渦輪增壓器形式的不同，可分為普通兩級渦輪增壓系統(tǒng)(two-stage tubocharging，TST)和可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)(regulated two－stage turbocharging，RTST)。其中，普通兩級渦輪增壓系統(tǒng)(TST)由兩個普通渦輪增壓器構(gòu)成(TC+TC);可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)(RTST)由VGT和普通渦輪增壓器構(gòu)成(VGT+TC)。

國外對兩級增壓技術(shù)研究較早，一些主要大公司如Borgwarner、Honeywell等已經(jīng)將兩級增壓技術(shù)運(yùn)用到大型貨車及轎車上，極大提高了車輛的各種性能指標(biāo)［18－24］。Opel公司［22］為其車用柴油機(jī)匹配兩級增壓系統(tǒng)后，柴油機(jī)額定功率可提高至156 kW，最大轉(zhuǎn)矩400 N·m時的轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，平均有效壓力達(dá)到 2.6 MPa，汽車每百公里加速時間僅為6.5 s，極大消除了渦輪滯后問題。Borgwarner與BMW公司聯(lián)合開發(fā)的基于VGT的兩級可調(diào)增壓柴油機(jī)［19－20］，使柴油機(jī)的動力性能提高約25%，燃油耗下降20%，且在低轉(zhuǎn)速時具有較快的響應(yīng)性，高轉(zhuǎn)速時擁有很大的功率儲備。

國內(nèi)許多高校如上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、昆明理工大學(xué)、吉林大學(xué)、軍事交通學(xué)院等在兩級增壓系統(tǒng)選型匹配、渦輪調(diào)節(jié)閥選型設(shè)計及調(diào)節(jié)能力分析、與發(fā)動機(jī)匹配軟件開發(fā)等方面開展了研究［25－27］。研究結(jié)果表明，兩級增壓系統(tǒng)有效提高了柴油機(jī)性能指標(biāo)，兩級增壓系統(tǒng)渦輪調(diào)節(jié)閥不同開度對渦輪膨脹比和流量分配、渦輪效率變化以及整機(jī)性能均有較大影響，為優(yōu)化兩級增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提供了依據(jù)。

雖然國內(nèi)外對兩級增壓技術(shù)開展了大量的研究工作，但針對高原環(huán)境條件的兩級增壓技術(shù)研究才剛剛開始。北京理工大學(xué)馬朝臣教授［28］針對0～5 500 m高原環(huán)境，設(shè)計了多閥兩級渦輪增壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)高壓級采用原機(jī)增壓器不變，渦輪調(diào)節(jié)閥為機(jī)械式放氣閥，低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度隨海拔升高而減小，在海拔2 000 m完全關(guān)閉，由單級增壓轉(zhuǎn)換為兩級增壓，保證了高海拔柴油機(jī)的進(jìn)氣量。結(jié)果表明，兩級增壓與單級增壓相比，海拔5 500 m時柴油機(jī)額定功率和最大轉(zhuǎn)矩分別提高27.2%和15.5%，低速轉(zhuǎn)矩提高約40%，兩級壓氣機(jī)均工作在高效率區(qū)且不會超速。但由于柴油機(jī)匹配是普通的渦輪增壓器，在柴油機(jī)低速區(qū)和0 m海拔高速區(qū)，高、低兩級壓氣機(jī)工作效率較低，在0～2 000 m低速部分負(fù)荷情況下，不能有效提高柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩。軍事交通學(xué)院［29］為了提高柴油機(jī)的變海拔適應(yīng)性，設(shè)計了基于VGT的兩級可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明:與原機(jī)相比，海拔5 500 m柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩提高約46%，額定功率提高48%，最低燃油消耗率下降12%;低速(1 000 r/min)轉(zhuǎn)矩提升121%，燃油消耗率下降22%。

4 增壓技術(shù)對柴油機(jī)高原動力提升的潛能分析

通過幾種增壓技術(shù)比較，VGT增壓技術(shù)和兩級渦輪增壓技術(shù)均能提高柴油機(jī)的高原動力性能，是柴油機(jī)高原動力恢復(fù)的先進(jìn)技術(shù)，表1列出了VGT、TST、RTST三種增壓技術(shù)性能比較。

表1 柴油機(jī)各種增壓技術(shù)比較

從表中可以看出，VGT增壓器可實現(xiàn)變工況自適應(yīng)增壓，極大地提高了車輛柴油機(jī)高海拔適應(yīng)能力。但為使柴油機(jī)在高原地區(qū)功率基本恢復(fù)至平原水平，增壓系統(tǒng)增壓比應(yīng)至少達(dá)到4以上，因此VGT增壓器難以滿足要求，需要采用兩級渦輪增壓技術(shù)。同時，若采用普通的兩級增壓(TST)系統(tǒng)，將難以滿足柴油機(jī)在變海拔、變工況具有最佳動力性和經(jīng)濟(jì)性目的。因此，需采用兩級可調(diào)增壓(RTST)系統(tǒng)。

兩級增壓系統(tǒng)對柴油機(jī)高原動力性、經(jīng)濟(jì)性能提升的潛能見表2。可以看出，基于VGT的兩級可調(diào)增壓技術(shù)，不僅可以提高柴油機(jī)高原的動力性、經(jīng)濟(jì)性，而且可以提高車輛高原適應(yīng)能力，解決了單級增壓器高原超溫超速問題。

表2 兩級可調(diào)增壓器對柴油機(jī)性能提升情況

5 結(jié)語

柴油機(jī)在高原運(yùn)行時，隨著大氣壓力降低，進(jìn)氣量減少，造成動力性、經(jīng)濟(jì)性下降，排溫升高。盡管渦輪增壓器對柴油機(jī)高原功率具有一定的自動補(bǔ)償能力，卻不能在全工況下實現(xiàn)最佳匹配，在高海拔條件下低速動力性下降，易出現(xiàn)超溫超速，采用可變截面增壓(VGT)技術(shù)雖能夠在一定程度上實現(xiàn)變工況、變海拔的控制，但受壓比和流量的限制，高原功率恢復(fù)有限。普通兩級增壓(TST)能夠提供寬流量、高壓比，極大地提高柴油機(jī)高海拔的動力性和經(jīng)濟(jì)性，但只能針對單一工況進(jìn)行匹配，高效區(qū)流量范圍較窄，難以滿足柴油機(jī)在變海拔、變工況具有最佳動力性和經(jīng)濟(jì)性的目的。因此，基于VGT的兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)，兼顧了兩級增壓和VGT技術(shù)的優(yōu)點，具有高壓比、寬流量的特點，可全面提高柴油機(jī)高原各個工況的性能指標(biāo)，實現(xiàn)柴油機(jī)變海拔、變工況的實時控制。

［1］ 劉瑞林，劉宏威，秦德.渦輪增壓柴油機(jī)高海拔低氣壓性能試驗研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2003，21(3):213-216.

［2］ 劉瑞林.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2013:97-126.

［3］ 董素榮，許翔，周廣猛，等.車用柴油機(jī)高原性能提升技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.裝備環(huán)境工程，2013(2):67-70.

［4］ 董素榮，劉瑞林，周廣猛，等.共軌柴油機(jī)高海拔碳煙形成歷程的數(shù)值模擬［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2013，19(5):388-394.

［5］ 吳承雄.高海拔區(qū)運(yùn)行的渦輪增壓器性能［J］.華中工學(xué)院學(xué)報，1981(6):127-132.

［6］ 周文波，朱梅林.高原柴油機(jī)的渦輪增壓技術(shù)研究［J］.柴油機(jī)設(shè)計與制造，2003(3):4-8.

［7］ 李魯晉，李健，李德清.小型渦輪增壓器高原特性的試驗研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1986(3):29-32.

［8］ Wiesner F J.A new appraisal of raynolds number effects on centifugal compressor performance［J］.ASME Journal of Engineering for Power，1979，101(3):384-396.

［9］ 徐斌，薄東，堯輝.高原發(fā)動機(jī)渦輪增壓的效率修正計算［J］.車用發(fā)動機(jī)，2009(6):8-11.

［10］ 郗健，劉天清.車用柴油機(jī)高原恢復(fù)功率問題的研究［J］.車用發(fā)動機(jī)，1996(3):25-32.

［11］ 冀麗琴.GJ90B增壓器匹配斯太爾發(fā)動機(jī)高原功率恢復(fù)試驗研究［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2003(3):28-40.

［12］ 王軍.WD615柴油機(jī)高原適應(yīng)性技術(shù)研究［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2003(3):22-27.

［13］ 董素榮，劉瑞林，劉剛.渦輪增壓器與柴油機(jī)高海拔匹配試驗［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報，2014，16(1):42-45.

［14］ 董素榮，郝志剛，劉剛，等.車用渦輪增壓柴油機(jī)高海拔性能研究［C］//中國高等教育學(xué)會工程熱物理專業(yè)委員會第十五屆全國學(xué)術(shù)會議.天津，2009.

［15］ 張海雷.柴油機(jī)變海拔渦輪增壓技術(shù)研究［D］.北京:清華大學(xué)，2008:41-54.

［16］ 靳嶸，張俊躍，胡力峰，等.高原自適應(yīng)柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32(4):27-31.

［17］ Biaggini Giovanni，Knecht Walter.The Advanced lveco Cursor 10 Heavy Duty Truck Diesel Engine［C］//Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress.Seoul，Korea，F(xiàn)2000A066.

［18］ Dipl-lng，F(xiàn)rank Pflüger.Regulated 2-stage turbocharging(R2S)-a new charging system for commercial diesel engines［EB/OL］.［2014-08-20］.www.turbos.bwauto.com.2005.

［19］ Fritz Steinparzer.The BMW six-cylinder engine with two-stage turbo charging［J］.Auto Technology，2007，7(7):44-47.

［20］ Langen P，Hall W，Nefischer P.The new two-stage turbocharged six-cylinder diesel engine of the BMW 740d［J］.ATZ Autotechnology，2010，10(2):44-51.

［21］ Choi H，Kwon S，Cho S.Development of fuel consumption of passenger diesel engine with 2 stage turbocharger［J］.SAE Paper.Detriot，MI，USA，2006，2006-01-002.

［22］ Adam Opel AG.Opel twin－ turbo revolutionizes diesel engine technology［EB/OL］.［2014-08-20］.www.Germancarfans.com/news.cfm/newsid/2040414.009/opel/1.html.

［23］ Naresh Gandhi，Nitin Gokhale，Yogesh Aghav.Development of two stage turbo-charging for medium duty diesel engine of power generation application［J］.SAE Paper.Detriot，MI，USA，2012，2012-28-0007.

［24］ Jinsuk Kang，Jaeyeon Lee，Hyun － soo Song.Enhancing power density with two-stage turbochargers［J］.SAE Paper.Detriot，MI，USA，2012，2012-01-0709.

［25］ 雷超.車用重型柴油機(jī)二級增壓系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2012:41-51.

［26］ 劉博.柴油機(jī)可調(diào)二級渦輪增壓系統(tǒng)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011:39-62.

［27］ 魏明山，張志，何永玲，等.帶不同類型調(diào)節(jié)閥的二級增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能對比［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30(1):51-54.

［28］ 劉系暠，魏名山，馬朝臣，等.不同海拔下單級和二級增壓柴油機(jī)的仿真［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2010，28(5):447-452.

［29］ 張眾杰.二級可調(diào)增壓系統(tǒng)設(shè)計及其與高壓共軌柴油機(jī)高海拔匹配仿真研究［D］.天津:軍事交通學(xué)院，2013:44-61.