不同海拔條件下VGT葉片開度對二級增壓柴油機燃燒特性的影響

董素榮，那曉亮，劉瑞林，劉卓學

(1.軍事交通學院 軍用車輛系, 天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

● 車輛工程 Vehicle Engineering

不同海拔條件下VGT葉片開度對二級增壓柴油機燃燒特性的影響

董素榮1，那曉亮2，劉瑞林1，劉卓學2

(1.軍事交通學院 軍用車輛系, 天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

為研究不同海拔條件下VGT葉片開度對兩級增壓柴油機燃燒特性的影響，利用二級可調(diào)增壓柴油機高海拔燃燒與性能模擬試驗系統(tǒng)，開展試驗研究。結(jié)果表明：不同海拔、最大轉(zhuǎn)矩(1 500 r/min、全負荷)工況下，隨著VGT葉片開度的增大，柴油機最高燃燒壓力、平均指示壓力以及瞬時放熱率均降低，滯燃期、速燃期、緩燃期增長；柴油機動力性與經(jīng)濟性下降；隨著海拔高度的升高，VGT葉片最佳開度減小。

海拔高度；共軌柴油機；二級可調(diào)增壓器；燃燒特性

高原地區(qū)海拔高，大氣壓力低，其惡劣的自然環(huán)境對我國軍車在高原地區(qū)實行作戰(zhàn)任務產(chǎn)生了很大影響[1]。當我軍在高海拔地區(qū)實施作戰(zhàn)任務時，車輛柴油機進氣量減少，燃燒惡化，動力性、經(jīng)濟性大幅下降，從而導致整車的性能大大降低。

針對這些問題，國內(nèi)外進行了很多高海拔相關(guān)試驗的研究[2-3]。研究表明，高海拔環(huán)境下柴油機燃燒效果和柴油機動力性、經(jīng)濟性均變差，而匹配了單級渦輪增壓器對于改善高海拔環(huán)境柴油機燃燒特性、動力性與經(jīng)濟性，作用效果不明顯。

目前，針對柴油機二級增壓技術(shù)的研究，主要集中在平原環(huán)境下二級增壓系統(tǒng)與柴油機的匹配與控制[4-5]，而對高原環(huán)境下二級增壓柴油機的燃燒與控制研究仍顯不足。本文利用柴油機高海拔模擬試驗系統(tǒng)，對基于可變截面渦輪增壓器(variable geometry turbocharger，VGT)的二級可調(diào)增壓柴油機進行高海拔模擬試驗，研究不同海拔條件下VGT葉片開度對二級可調(diào)增壓柴油機燃燒特性的影響，為二級可調(diào)增壓柴油機高海拔控制策略的研究提供支撐。

1 試驗系統(tǒng)及試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)

二級可調(diào)增壓柴油機高海拔模擬試驗系統(tǒng)如圖1所示。該試驗系統(tǒng)利用進氣節(jié)流和排氣抽真空的方法調(diào)節(jié)柴油機進、排氣壓力，從而模擬海拔高度0～5 000 m的環(huán)境，滿足試驗需求。試驗主要儀器設備有CW440D型測功機、AVL670型燃燒分析儀、TOCEILL-CMFD/025型瞬態(tài)油耗儀、GH14D型壓力傳感器、ToCeil-ZL3000型中冷恒溫裝置和AQUET T412型冷卻液恒溫系統(tǒng)等。

圖1 二級可調(diào)增壓柴油機高海拔模擬試驗系統(tǒng)

試驗柴油機主要技術(shù)參數(shù)：缸徑×沖程120×145 mm，排量8.6 L，壓縮比17.0，額定功率/轉(zhuǎn)速258 kW/2 100 r/min,最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速1 500 N·m/2 100 r/min。

二級可調(diào)增壓系統(tǒng)由高壓級——可變截面渦輪增壓器和低壓級——固定截面渦輪增壓器串聯(lián)而成。柴油機排氣先經(jīng)過高壓級渦輪做功，再經(jīng)過低壓級渦輪做功；進氣先經(jīng)過低壓級壓氣機壓縮，再進入高壓級壓氣機實現(xiàn)二次壓縮，兩級壓氣機之間和高壓級壓氣機后設置中冷恒溫裝置。

二級可調(diào)增壓器高壓級和低壓級增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見表1和表2。

表1 高、低壓級壓氣機結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 高、低壓級渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗方法

(1) VGT葉片開度調(diào)節(jié)方法：將VGT葉片開度調(diào)至100%，避免增壓器出現(xiàn)超溫超速現(xiàn)象，然后逐步減小VGT葉片開度，進行試驗；

(2) 海拔高度模擬方法：開啟柴油機進、排氣壓力模擬系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進排氣壓力，進行高海拔性能試驗；

(3)試驗限制條件：高壓級增壓器轉(zhuǎn)速小于等于120 000 r/min，低壓級增壓器轉(zhuǎn)速小于等于100 000 r/min，最高燃燒壓力小于等于16 MPa；

(4)試驗海拔高度：0 m、2 500 m、3 500 m、4 500 m。

(5)試驗工況：最大轉(zhuǎn)矩工況(1 500 r/min、全負荷)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同海拔缸內(nèi)壓力參數(shù)隨VGT葉片開度的變化

2.1.1 缸內(nèi)壓力曲線隨VGT葉片開度的變化

VGT葉片開度的改變對柴油機性能的影響可以通過缸內(nèi)燃燒壓力的變化反映出來。0～4 500 m海拔高度，轉(zhuǎn)速1 500 r/min、全負荷工況下，缸內(nèi)壓力隨VGT葉片開度的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，不同海拔柴油機缸內(nèi)燃燒壓力隨著VGT葉片開度增大而降低。這主要是由于VGT葉片開度增大后，高壓級渦輪流通面積變大，渦輪膨脹比減小，總壓比減小，柴油機進氣壓力降低，進氣質(zhì)量減小，壓縮終了壓力、溫度降低，使得缸內(nèi)燃燒壓力下降。

壓力升高率是反映柴油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的重要指標。壓力升高率過小，會導致柴油機燃燒不充分，熱效率低；壓力升高率太大，則柴油機工作粗暴。由圖2可知，隨著VGT開度增大，壓力升高率減小，這是由于VGT開度增大，進氣質(zhì)量減小，滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣隨之減少，使得壓力升高率降低。海拔高度0、2 500、3 500、4 500 m時，不同VGT葉片開度下，平均壓力升高率分別為0.73、0.68、0.64、0.59 MPa /°CA。

2.1.2 缸內(nèi)平均指示壓力和最大壓力隨VGT葉片開度的變化

圖3所示為缸內(nèi)平均指示壓力和最大壓力隨VGT葉片開度的變化曲線。由圖3可知，柴油機在1 500 r/min、全負荷工況下，缸內(nèi)平均指示壓力隨VGT葉片開度增大而減小，尤其是隨著海拔的升高，缸內(nèi)平均指示壓力下降明顯。海拔高度分別為0、2 500、3 500、4 500 m時，VGT葉片開度增加10%，平均指示壓力分別減小5.12%、5.89%、6.01%、14.3%。同時，不同海拔下，當VGT葉片開度增大，柴油機進氣流量減少，缸內(nèi)的工質(zhì)燃燒不完全，放出的熱量減少，所以使得缸內(nèi)壓力峰值降低。

圖2 不同海拔缸內(nèi)燃燒壓力隨VGT葉片開度的變化

圖3 不同海拔平均指示壓力和最高燃燒壓力隨VGT葉片開度的變化

2.2 不同海拔缸內(nèi)放熱參數(shù)隨VGT葉片開度的變化

2.2.1 缸內(nèi)瞬時放熱率隨VGT葉片開度的變化

柴油機的瞬時放熱率反映了缸內(nèi)燃燒過程進行的狀況，對柴油機整體性能有著重要的影響。在轉(zhuǎn)速1 500 r/min、0～4 500 m海拔高度，缸內(nèi)瞬時放熱率曲線如圖4所示，隨著VGT葉片開度增大，缸內(nèi)瞬時放熱率減小，柴油機在海拔高度0、2 500、3 500 m時，缸內(nèi)瞬時放熱率變化較明顯，且變化趨勢基本一致，VGT葉片開度增加10%，瞬時放熱率峰值平均降低3.24%、2.45%、1.89%；而在海拔高度4 500 m時，缸內(nèi)瞬時放熱率出現(xiàn)兩次峰值，其主要原因是隨著海拔的升高，柴油機進氣壓力降低，進氣質(zhì)量減小，預混合期形成的混合氣減少，大部分燃料在擴散燃燒期內(nèi)燃燒。

2.2.2 滯燃期、速燃期和緩燃期隨VGT葉片開度的變化

滯燃期是柴油機燃燒過程中的一個重要時期，是指從噴油時刻開始到瞬時放熱率大于零的時刻為止持續(xù)的時間[6]，對整個燃燒過程起著重要作用。圖5所示為不同海拔柴油機燃燒滯燃期、速燃期和緩燃期隨VGT葉片開度的變化曲線。由圖5可知，不同海拔下，隨著VGT葉片開度增大，滯燃期增長，VGT葉片開度增加10%，0～4 500 m海拔高度滯燃期增加了1.2%～16.4%。這是因為隨著VGT葉片開度增大，渦輪膨脹比減小，進氣壓力降低，導致進氣質(zhì)量減小，缸內(nèi)壓縮終點壓力和溫度下降，滯燃期增大。

速燃期是指從瞬時放熱率曲線出現(xiàn)大于零的時刻到最高燃燒壓力時刻為止持續(xù)的時間[6]，這一階段的燃燒效果對于柴油機動力性、經(jīng)濟性有很大影響。緩燃期是指從最高燃燒壓力時刻到出現(xiàn)最高溫度時刻持續(xù)的時間[6]。由圖5可以知道，隨著VGT葉片開度的增大，由于進氣質(zhì)量減小，使得柴油機燃燒過程的速燃期和緩燃期略有增大；但是，隨著海拔的升高，進氣質(zhì)量明顯減小，使得柴油機燃燒過程的速燃期、緩燃期均減小。

圖4 不同海拔瞬時放熱率隨VGT葉片開度的變化

圖5 不同海拔柴油機燃燒滯燃期、速燃期和緩燃期隨VGT葉片開度的變化

2.3 不同海拔柴油機動力性與經(jīng)濟性隨VGT葉片開度的變化

燃燒過程的優(yōu)劣直接關(guān)系到柴油機的動力性與經(jīng)濟性。當VGT位于最佳開度時，進氣充足，滯燃期內(nèi)燃料混合充分，能為燃燒創(chuàng)造良好的條件，使得燃油及時燃燒，柴油機發(fā)出最大的功率，提高動力性；同時柴油機有較高的熱效率，也提高其經(jīng)濟性。圖6所示為不同海拔高度，1 500 r/min、全負荷工況時，柴油機有效功率和有效熱效率隨VGT葉片開度的變化曲線。隨著VGT葉片開度增大，柴油機有效功率減小，在0 m和4 500 m海拔高度下，VGT葉片開度增加10%，柴油機有效功率減少4.23%和1.33%。

圖6 有效功率隨VGT葉片開度的變化

同時，由圖6可知，隨著海拔的增高，柴油機有效熱效率明顯降低，尤其是海拔高度4 500 m時柴油機的有效熱效率低于34%。在海拔高度0～3 500 m范圍內(nèi)，VGT葉片開度增大，有效熱效率降低，但隨著海拔的升高，有效熱效率降低幅度減小，如海拔0 m和3 500 m，VGT開度增加10%，有效熱效率平均下降3.65%和1.28%；海拔4 500 m時，VGT葉片開度對柴油機有效熱效率影響不大，由于此時進氣質(zhì)量減小，燃料燃燒不充分，調(diào)節(jié)VGT葉片開度對燃燒效果影響較小。

3 結(jié) 論

通過不同海拔二級可調(diào)增壓柴油機最大轉(zhuǎn)矩工況(轉(zhuǎn)速1 500 r/min、全負荷)燃燒與性能的試驗研究，得到如下結(jié)論：

(1)不同海拔下，隨著VGT葉片開度的增大，二級可調(diào)增壓柴油機缸內(nèi)燃燒壓力減小。VGT葉片開度增加10%，0～4 500 m海拔高度平均指示壓力減小5.12%～14.3%，最高燃燒壓力減小2.05%～11.43%。

(2)隨著VGT葉片開度增大，二級可調(diào)增壓柴油機缸內(nèi)瞬時放熱率降低，在海拔0～4 500 m，VGT開度增加10%，瞬時放熱率降低1.89%～3.24%。同時，隨著VGT葉片開度增大，滯燃期、速燃期、緩燃期均增大。

(3)隨著VGT葉片開度增大，二級可調(diào)增壓柴油機有效熱效率減小，且隨著海拔的升高，有效熱效率下降明顯。

[1] 許翔,周廣猛,鄭智,等.高原環(huán)境對保障裝備的影響及適應性研究[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(5):100-105.

[2] 劉瑞林,周磊,劉楠,等.輕型渦輪增壓柴油機高海拔性能試驗[J].軍事交通學院學報,2015,17(6):32-35.

[3] 劉祖柏.不同海拔下汽車渦輪增壓柴油機性能研究[D].上海:上海海事大學,2006.

[4] 劉博,李華雷,胡志龍,等.可調(diào)二級增壓柴油機瞬態(tài)加載性能的試驗[J].內(nèi)燃機學報,2010,30(2):107-112.

[5] LANGEN P, HALL W, NEFISCHER P. The new two-stage turbocharged six-cylinder diesel engine of the BMW 740d[J]. ATZ Auto Technology, 2010,10(2):44-46.

[6] 吳建華.汽車發(fā)動機原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013:84-89．

(編輯：張峰)

Effect of VGT Blade Opening on Combustion Characteristic of Two-stage Turbocharged Diesel Engine at Different Altitude

DONG Surong1, NA Xiaoliang2, LIU Ruilin1, LIU Zhuoxue2

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To study the effect of VGT blade opening on combustion characteristic of two-stage turbocharged diesel engine at different altitude, the paper conducts experiment on high altitude combustion and performance simulation test system of two-stage regulated turbocharged diesel engine. The result shows that at the condition of different altitude and maximum torque (1 500 r/min, full load), with the increase of the VGT blade opening, the maximum combustion pressure, average indicated pressure and instantaneous heat release rate decrease, and the ignition delay period, rapid combustion period and slow-burning period extend; the power and economic performance of the diesel engine decrease; the best blade opening of VGT decreases while the altitude increases.

altitude; common rail diesel engine; two-stage regulated turbocharger; combustion characteristic

2016-06-24；

2016-06-29．

董素榮(1967—)，女，博士，教授，碩士研究生導師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.02.010

U467.1

A

1674-2192(2017)02- 0039- 05