增压柴油机加速性提升的摸索

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

增压柴油机加速性提升的摸索

熊津联，凌建群，步裕方

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

通过对一款增压机械泵柴油机加速性的测试，摸索飞轮转动惯量、废气涡轮增压器、低速零气压扭矩等对柴油机加速响应性的影响规律。试验结果表明，降低飞轮转动惯量、合理匹配增压器、提高低速零气压扭矩等有利于提升柴油机的加速性；柴油机的加速性和自由加速烟度存在折衷（tradeoff）关系。

增压柴油机 加速性 瞬态响应 折衷

1 绪言

土方机械作业工况复杂多变，负荷变化频繁，柴油机转速变化范围大，这就迫切要求采用可行方法及有效技术措施，提高增压柴油机的加速响应性，从而使土方机械作业高效、机动灵活。本文通过对一款六缸增压机械泵柴油机加速性的测试，摸索飞轮转动惯量、涡轮增压器、低速零气压扭矩等对柴油机加速性的影响规律。

2 加速性测试方法及设备

柴油机加速性测试根据JB/T 4198.2－1999《工程机械柴油机性能试验方法》进行。柴油机和测功机连接，在预热至规定热状态后怠速运转时，突然将调速手柄从怠速位置拉到最大位置，测量柴油机由怠速达到标定转速和最高空转转速的时间。柴油机加速性测试设备见表1。

表1 加速性测试设备

3 飞轮转动惯量对柴油机加速响应性研究

柴油机运动质量惯性矩Jfε只出现在转速工况改变的过渡过程中[1]，由于它的存在就排除了在加速过程中获得超过相对稳定工况动力性、经济性指标的可能性。这部分惯性功率损失可以被减小，但不可能被消除。比较柴油机稳定工况和加速工况的有效扭矩Tew和Tef，有：

其中，Tiw、Tif和Tmw、Tmf分别为稳定工况和加

速工况时的指示扭矩及机械损失扭矩；Jf是柴油机运动质量相对曲轴中心线的转动惯量；ε为曲轴角加速度。

来稿日期：2013-07-29

因此，减小Jf可以增大加速工况下的有效扭矩输出，提升柴油机的加速响应性，而飞轮转动惯量占柴油机总转动惯量的80%～90%。表2为试验柴油机所匹配2种飞轮A和B的质量、转动惯量参数。图1是试验柴油机匹配飞轮A、飞轮B进行加速性测试取得的结果曲线，从该曲线可以看出减小飞轮转动惯量可以提升柴油机的加速响应性。

表2 飞轮A和B主要参数

图1 配不同转动惯量飞轮的柴油机加速性对比

飞轮作为减小曲轴回转不均匀性而设计的惯性蓄能件，减小飞轮转动惯量，会增大柴油机曲轴回转不均匀性，加大振动及噪声，甚至会影响柴油机的可靠性，降低使用寿命。因此，应根据配套对象的不同用途，应合理设计和选用飞轮。

4 增压器匹配对柴油机加速响应性研究

增压技术对柴油机提高升功率、降低燃油耗和减少污染物排放、以及提升高原工作能力等具有显著贡献。但加速过程中，与同等功率、大排量的自然吸气柴油机相比，增压柴油机低速区瞬态响应扭矩相对不足，加速性差，如图2所示。瞬态加速时，柴油机喷油量突然加大，废气温度急剧升高，此时增压器涡轮旋转应该加快，带动压气机叶轮旋转加快，以增大柴油机充气量，但由于增压器涡轮和压气机叶轮存在惯性，增压器的转速不可能迅速提高，导致压气机不能提供如稳态工况中与柴油机喷油量相适应的进气量，涡轮增压器转子的转动惯量越大，进入气缸的空气量就越滞后，柴油机加速性就越差。

图2 增压柴油机与非增压柴油机加速响应对比

国内外很多专家学者对改善加速过程中废气涡轮增压柴油机瞬态响应这个课题做了研究[2]。英国的J.D.Leder和Benson[3]，德国的Harndorf[4]等先后提出在加速时用高压空气补充压气机、或同时向涡轮及压气机喷气等方法来改善废气涡轮增压柴油机的瞬态响应。而国内上海交通大学、吉林大学等高校也对利用高压空气向增压器压气机端或涡轮端喷气做了试验研究，试验证明这种方法能有效地提高柴油机的加速响应[5]。

因此，降低增压器转子的转动惯量，或增大加速工况下柴油机的充量系数，可以提升柴油机的加速响应，但这需要优化匹配增压器。表3为试验样机匹配2种增压器T34和T36的技术参数。图3是试验样机匹配增压器T34和T36进行加速性测试得到的曲线。从该曲线可以看出，该柴油机匹配T34增压器在加速性上明显优于T36增压器。在油门瞬间拉到全油门位置时，瞬时扭矩主要受柴油机加速过程中的充量系数决定。而对关于加速工况下充量系数ηv的变化特性，至今有着不同的研究结果：有的结果表明加速时ηv下降，也有的显示ηv增加。其中一种观点认为加速时气缸中充气量的差异与2个因素有关：（1）与加速时产生的附加空气动力损失有关，由于空气动力损失使循环充气量下降；（2）与加速时零部件的热力状态变化滞后于工况的变化有关。多数试验研究揭示出热惯性的影响占主导地位。图4是试验柴油机匹配T34增压器的稳态外特性与瞬态加速外特性的充量系数ηv对比曲线。从该曲线可知，在瞬时加速时充量系数ηv是减小的。

表3 增压器参数简单描述

图3 配不同增压器的柴油机加速性对比

图4 稳态工况与瞬态加速工况下外特性充量系数对比

图5为试验柴油机匹配增压器T34和T36的外特性燃油消耗率对比曲线。从图4和图5的曲线可知，该柴油机匹配T34增压器虽然在加速性及低速燃油耗上明显优于T36增压器，但牺牲高速燃油耗，会增加作业时的油耗[6]。

5 低速零气压扭矩对柴油机加速响应性研究

冒烟限制器一般装在喷油泵总成上，它能根据柴油机进气压力的变化改变喷油泵的供油量，从而限制柴油机低速时的烟度。采用机械泵的柴油机通过冒烟限制器来调整低速零气压时的扭矩。在限烟器不通入涡轮增压器的增压空气的情况下，调整限位螺钉，使拉杆处于S1位置，不同的S1位置对应不同的低速零气压扭矩。冒烟限制器的性能曲线如图6所示。图中拉杆位置S1'、S1"对应的扭矩分别为拉杆位置S1时对应扭矩值的1.2、1.3倍；P1为零气压压力，数值为0；P2、S2对应为800 r/min外特性时的增压压力及拉杆位置，具体见表4各拉杆位置对应的工况参数。

图5 配不同增压器的外特性燃油消耗率对比

图6 冒烟限制器的性能曲线

表4 各拉杆位置对应的工况参数

将试验柴油机喷油泵按表4所示低速零气压扭矩值调整，并进行各自的加速性及自由加速烟度测试，加速性对比及自由加速烟度结果曲线如图7、图8所示。从试验结果可知，在性能方案配置确定后，改善加速响应性就得牺牲加速烟度指标，改善加速烟度指标就得牺牲加速响应性，二者存在着一种折衷关系。

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

熊津联（1984-），男，工程师，主要研究方向为柴油机性能开发及电控标定。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.005