單/雙流增壓器對柴油機高原性能的影響研究

中圖分類號：U461.99 收稿日期：2025-03-03 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.011

The Effect of Single/Dual Flow Turbocharger on Plateau Performance of Diesel Engines

Yang JunWang Jiguang Huang Youxian Guo Yang Li Jianwei Ma Yongjuan China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，CNR Automobile Inspection Center（Kunming）Co.， Ltd.，Kunming 651701，China

Abstract：Inordertosolvetheproblemofinsuficientdieselenginepowerperformanceatplateauevironments，thispaperproposesasolutionfordieselengieequippedwithturbochargersandstudiestheimpactofsingle/dalchanelturbochargersondieselengine performace.Theresultsshowthatathesamealtitude，asthespeedofthedieselengine increases，thepowerand intakevolumeofthe dieselengineshowanupwardtrend，whilethetorqueandfuelinjectionvolumfirstincreaseandthendecrease，andthespecific fuel consumptiofrtdecreassadteninreassAttesedeselegesped，steltideinreass，thetoru，owerntaeoume，andfuelinjectionvolumeofthedieselengineshowadownwardtrend，whilethespecificfuelconsumptionshowsanupward trend.In plateau environments，instaling adual flow turbocharged diesel engine increases the intakevolume by about 5% compared to a single flow turbocharged diesel engine，and reduces specific fuel consumption by about 4% ，ensuring diesel power performance and fuelconomy.Theresearchresultsnotonlysolvetheindustryproblemof\"ypoxiaandpowerloss\"ofplateaudieselengine，butalsopro vide guarantee for the high efficiency and cleaning of plateau engine.

Keywords：Plateauenvironment;Dieselengine;Single/dualflowsupercharger;Dynamicperformance；Fueleconomy;mpact analysis

1前言

全球經(jīng)濟一體化建設(shè)過程中，能源需求急速增加，能源供需矛盾不斷加劇[1]。目前，全球總?cè)丝跀?shù)量已遠遠超過80億，人類生存與發(fā)展越來越依賴能源。中國已成為世界上最大的能源消費國之一，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的美好生活需要，亟需解決能源供給及短缺問題。

中國擁有著最典型的高原地貌，同時大部分能源都分布在高原地區(qū)，而能源的開采以及運輸都離不開動力設(shè)備。高原環(huán)境下，大氣壓力、空氣密度及氧含量下降，導(dǎo)致柴油機缸內(nèi)燃料燃燒不充分[2-3]，其動力及經(jīng)濟燃油性受到影響。因此，確保柴油機在高原地區(qū)有充足的進氣量是十分必要的。

為保證高原地區(qū)的柴油機具備較好的動力性能與燃油經(jīng)濟性，為其配置增壓器[4是有效途徑之一。柴油機安裝渦輪增壓器[5可以提高柴油機的輸出功率。左建建[6研究了渦輪增壓器與柴油機之間的匹配性對柴油機性能的重要性，比較分析了三種增壓器對柴油機的動力性能、燃油經(jīng)濟性和排放性能的影響。許恩永等[7]基于試驗數(shù)據(jù)標(biāo)定了利用GT-Power軟件搭建的一維仿真計算模型，以熱力學(xué)仿真計算為基礎(chǔ)，分析了不同類型增壓器對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性的影響。王占峰等[8]運用一維熱力學(xué)分析工具GT-Power建立雙流道渦輪增壓器模型，分析雙流道增壓器對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用雙流道渦輪增壓器后低速扭矩提高 13% ，發(fā)動機在 1500r/min 外特性工況的瞬態(tài)性能提升 18% 。總之，單/雙流渦輪增壓器對發(fā)動機動力性與燃油經(jīng)濟性的研究大多數(shù)通過仿真模擬進行，缺乏試驗進行驗證。

本研究在同一臺柴油機分別安裝單/雙流渦輪增壓器進行試驗，分析了不同渦輪增壓器對柴油機性能的影響，尤其比較了高原海拔工況下不同渦輪增壓器對柴油機動力性的影響，表明了配置合適渦輪增壓器對柴油機的重要性。

2試驗方法和對象

2.1試驗方法

在本研究中，利用進排氣海拔模擬系統(tǒng)模擬柴油機進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)兩端的壓力分別為 101.3kPa 0 0m ） 、80.0kPa（2000m） （ .70.7kPa（3000m） 、61.3kPa 0 4000m ） .53.9kPa（5000m） 共5個大氣壓力（試驗室環(huán)境壓力 79～81kPa ，進氣溫度控制 （25±2）^qC ，進氣相對濕度控制 50±10% 。本次試驗以一臺重型國六柴油機為研究對象，安裝兩個不同渦輪增壓器，按照發(fā)動機凈功率測定方法試驗條件開展，確保試驗數(shù)據(jù)的精度，分析了不同工況下柴油機動力性能和燃油經(jīng)濟性的變化，比較了高原環(huán)境下兩個渦輪增壓器的適用性，柴油機主要技術(shù)參數(shù)見表1，兩個渦輪增壓器的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.2測試設(shè)備

研究用測試設(shè)備主要包括進排氣海拔模擬系統(tǒng)、電力測功機、進氣流量計、EME410冷卻液溫控裝置等，主要測試設(shè)備參數(shù)見表3。

3結(jié)果及分析

在同一柴油機分別安裝單/雙流渦輪增壓器進行試驗，并測量了扭矩、功率、進氣量等與柴油機動力性及燃油經(jīng)濟性相關(guān)的參數(shù)，研究了不同海拔下單/雙流渦輪增壓器對柴油機動力性能的影響，分析了高原環(huán)境下柴油機與增壓器的適配性。

3.1不同海拔下單流渦輪增壓器對柴油機的影響

從圖1a可以看出，在不同海拔下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，扭矩呈先增加后下降的趨勢，主要是因為柴油機運轉(zhuǎn)時，每個循環(huán)中燃燒室內(nèi)的燃氣都會產(chǎn)生扭矩，通過連桿機構(gòu)傳遞給曲軸，由于柴油機轉(zhuǎn)速的增加，氣缸中每分鐘燃燒的燃氣量增加，進一步增加了產(chǎn)生的扭矩。但當(dāng)轉(zhuǎn)速到達額定點，活塞的運動頻次需求提高，而氣缸內(nèi)存在的燃油和空氣較少，燃料的利用率降低，造成柴油機扭矩下降。

研究表明，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，汽車柴油機的功率與柴油機轉(zhuǎn)速成非線性正比關(guān)系，反映了汽車在一定時間內(nèi)的作功能力。從圖1b可以看出，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速與功率呈正相關(guān)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率也出現(xiàn)上升的趨勢，但是到一定的轉(zhuǎn)速后，功率反而呈下降趨勢。因此，為了確保柴油機的有效運行以及燃油經(jīng)濟性，應(yīng)該控制柴油機的轉(zhuǎn)速。

進氣量是影響柴油機正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素，也影響柴油機的動力性和燃油經(jīng)濟性。為柴油機安裝合適的渦輪增壓器，旨在增加柴油機的進氣量，提高其動力性。由圖1c表明，隨著轉(zhuǎn)速的增加，進氣量也逐步增加。這是由于轉(zhuǎn)速增加，柴油機功率提高，為保障柴油機有充足的動力，燃燒室內(nèi)需要有足夠的氧氣，導(dǎo)致進氣量增加。從圖1c也可以看出，隨著海拔的增加，柴油機進氣量出現(xiàn)下降趨勢。

從圖1d可以看出，在不同工況下，柴油機噴油量與扭矩變化相同，這是因為噴油量多則扭矩大，扭矩增加導(dǎo)致柴油機轉(zhuǎn)速增加幅度增大。而在相同柴油機轉(zhuǎn)速工況下，隨著海拔的增加，柴油機噴油量呈下降趨勢。在高海拔地區(qū)，柴油機進氣量減少，為了保證柴油機的功率，只能減少噴油量，達到合適空燃比。

圖2a表述了比油耗隨柴油機轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，比油耗與轉(zhuǎn)速呈曲線關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)速的增加，比油耗呈先下降后升高的趨勢。在較低轉(zhuǎn)速時，燃油不能完全正常燃燒作功，則功率小油耗高。隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增加，柴油機功率增大，燃油的燃燒趨于合理（空燃比下降至理想值），熱效率提高，使油耗率下降至最低。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速超過 1600r/min 時，供油量增大，不完全燃燒加劇，比油耗上升速度加快。從圖2b可以看出，隨著海拔高度的增大，柴油機的比油耗出現(xiàn)增長趨勢。海拔的增加導(dǎo)致柴油機進氣量減小，燃燒室內(nèi)氧氣含量低，惡化了燃油燃燒過程，直接導(dǎo)致汽車動力下降、油耗增高。

從圖3可以看出，在柴油機轉(zhuǎn)速相同工況下，隨著海拔的增加，單流渦輪增壓器轉(zhuǎn)速增幅出現(xiàn)上升的趨勢。這主要由于渦輪增壓器轉(zhuǎn)動是由柴油機的排氣流推動的，排氣流的壓力和流量決定了增壓器的轉(zhuǎn)速。同時高原環(huán)境下，空氣稀薄，柴油機進氣量不足，增壓器需要更高的轉(zhuǎn)速來達到平原工況下的相應(yīng)增壓壓力，導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速幅度增加。

3.2不同海拔下雙流渦輪增壓器對柴油機的影響

圖4a展示了隨著柴油機轉(zhuǎn)速的增加，扭矩出現(xiàn)先上升后減小的趨勢，也可以看出相同轉(zhuǎn)速下，隨著海拔增加扭矩偏量出現(xiàn)上升趨勢。圖4b展示了同一海拔下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率出現(xiàn)先快速增加后緩慢減小的趨勢。這主要是由于汽車的功率由柴油機燃燒室的柴油燃燒產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)速增高的時候，燃燒室內(nèi)的活塞運轉(zhuǎn)速度加快，快到一定的程度就會造成燃燒室吸氧不足導(dǎo)致燃燒不完全，所以功率減小。

圖4c展示了不同海拔的工況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加進氣量也出現(xiàn)上升的趨勢。因為柴油機的轉(zhuǎn)速越高，吸人空氣/混合氣的量就越多，增加柴油機進氣量。為了保證發(fā)電機的穩(wěn)定運行，需要選擇合適的進氣系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)，保證進入柴油機的空氣和燃料混合比例適當(dāng)穩(wěn)定，達到最佳空燃比，以保證充分燃燒。

柴油機噴油量由進氣量和轉(zhuǎn)速來控制，從圖4d可以看出，海拔增加導(dǎo)致進氣量衰減，而噴油量也出現(xiàn)下降的趨勢。這是因為進氣量下降，只能相應(yīng)減少噴油量，以達到合適的空燃比，保證發(fā)動機動力性能。如果空燃比過稀或過濃，會導(dǎo)致燃油燃燒不充分，過濃還將導(dǎo)致柴油機內(nèi)積碳增加。

從節(jié)能減排以及燃油經(jīng)濟性的角度出發(fā)，降低柴油機油耗是十分重要的。圖5a說明在同一海拔工況下，油耗隨轉(zhuǎn)速的增加出現(xiàn)先下降后增長的趨勢。這是因為怠速情況下，柴油機積碳過多，導(dǎo)致油耗上升。而高轉(zhuǎn)速的情況的工況，輸出功率高，自然油耗較高。圖5b說明在不同海拔工況下油耗增量的變化情況。同一轉(zhuǎn)速下，海拔越高，油耗增量則越多。這是因為海拔的增加，導(dǎo)致大氣壓力減小，造成空氣密度變小，柴油機必須通過增大噴油量來獲得相同的功率。此外，由于空氣密度減小，進氣系統(tǒng)中進入的空氣量減少，柴油機燃油效率降低，從而導(dǎo)致油耗增加。在低轉(zhuǎn)速高海拔的工況下，油耗增量高達 27.5% 。

圖6a展示了相同柴油機轉(zhuǎn)速下隨著海拔的增加，雙流渦輪增壓器轉(zhuǎn)速增幅出現(xiàn)上升趨勢。圖6b可以看出，相同柴油機轉(zhuǎn)速下隨著海拔的增加，進氣量的衰減量逐漸加大。當(dāng)海拔增加時，柴油機進氣量出現(xiàn)下降趨勢，為了保證柴油機的功率，需增加增壓器轉(zhuǎn)速，提高進氣量，維持柴油機動力性能。

3.3高原海拔下單/雙流渦輪增壓器對柴油機性能的 影響

圖7a展示了柴油機轉(zhuǎn)速相同時，安裝雙流渦輪增壓器的柴油機進氣量比安裝單流渦輪增壓器的柴油機高了 5% 左右。由圖7b可以看出，雙流增壓器的轉(zhuǎn)速低于單流增壓器，單流增壓器最大轉(zhuǎn)速達 102959r/min 雙流增壓器最大轉(zhuǎn)速僅為 98629r/min 。從圖7c可看出，安裝雙流渦輪增壓器的柴油機油耗整體低于安裝單

流渦輪增壓器的發(fā)動機。

圖8a展示了柴油機轉(zhuǎn)速相同時，安裝雙流渦輪增壓器的柴油機比單流渦輪增壓器的功率多提高了 20% 。圖8b可看出，在相同柴油機轉(zhuǎn)速下，雙流渦輪增壓器的渦前溫度和增壓器轉(zhuǎn)速整體上小于單流渦輪增壓器。從圖8c可看出，除了在怠速工況，安裝雙流渦輪增壓器的柴油機油耗低于安裝單流渦輪增壓器的發(fā)動機。

從圖 9a 可看出，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速不高于 1500r/min ，安裝雙流渦輪增壓器的柴油機的進氣量和功率均高于安裝單流渦輪增壓器的柴油機，功率最大高出 16% 左右，進氣量最多高出 7% 左右。從圖9b可看出，相同柴油機轉(zhuǎn)速下，安裝雙流渦輪增壓器的柴油機渦前溫度和增壓器轉(zhuǎn)速小于安裝單流渦輪增壓器的柴油機。從圖9c可看出，在高轉(zhuǎn)速工況，安裝雙流渦輪增壓器的柴油機油耗遠遠小于安裝單流渦輪增壓器的發(fā)動機。

綜上所述，在高原環(huán)境下，為柴油機安裝雙流渦輪增壓器可以提供更多的進氣量（安裝雙流增壓器柴油機的進氣量比單流增壓器柴油機增加了 5% 左右），輸出更高的功率，同時保證渦前溫度和增壓器轉(zhuǎn)速維持在可控范圍，為柴油機提供充沛動力。從燃油經(jīng)濟上來看，安裝雙流增壓器柴油機的比油耗比單流增壓器柴油機下降了 4% 左右，雙流渦輪增壓器更具備燃油經(jīng)濟性。在高原環(huán)境下，為柴油機安裝雙流渦輪增壓器是最佳選擇。

4結(jié)語

本研究揭示了不同海拔條件下渦輪增壓系統(tǒng)的匹配規(guī)律：

a.隨海拔升高，柴油機動力指標(biāo)（扭矩、功率）及進氣量下降，油耗率上升。b.雙流渦輪增壓器在 3000m 以上高原表現(xiàn)突出，較傳統(tǒng)單流增壓器提升進氣量 5% ，比油耗下降了 4% ，保證了柴油機動力性能與燃油經(jīng)濟性。

本研究有效解決高原作業(yè)機械常見的動力衰減問題，保障了高原地區(qū)運輸車輛、工程機械的燃油經(jīng)濟性和設(shè)備輸出功率。

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作者簡介：

楊俊，女，1998年生，助理工程師，研究方向為高原發(fā)動機性能測評。