柴油机增压技术在高原环境下的应用*

朱振夏 张付军 马朝臣 韩恺 刘杨杨

（北京理工大学机械与车辆学院北京100081）

·综述·

柴油机增压技术在高原环境下的应用*

朱振夏 张付军 马朝臣 韩恺 刘杨杨

（北京理工大学机械与车辆学院北京100081）

总结了高原环境对发动机各方面性能的影响，以及研究人员针对功率下降提出的解决措施。增压系统的改进成为目前主要研究方向，介绍了两类改进措施：高原增压匹配和可调增压技术。以带放气阀的增压器、可调截面涡轮、二级增压、相继增压、电辅助增压和复合增压这几种典型的可调增压为重点，介绍了各种技术的原理、发展、应用现状，并讨论了这些技术在高原环境下的应用前景。通过研究成果的总结和方案之间的对比可知，可变截面涡轮、二级增压、转速可控复合增压方案不仅能够使柴油机获得较好的高原功率恢复效果，而且具有较强的实用价值。

内燃机高原功率恢复二级增压可变截面涡轮电辅助增压转速可控复合增压

引言

青藏高原具有典型的高原气候：大气压力低，空气密度小，气温低，昼夜温差大，日辐射强，蒸发量大，干燥、风沙大，水的沸点低等特点[1，2]。

高原的气候条件与平原差别很大，随着海拔的升高，空气密度下降，柴油机进气量减少，平原能正常使用的柴油机在高原地区常出现油耗和排温升高，功率下降的问题。严重时还会出现冒黑烟，涡轮入口温度过高，增压器超速，柴油机热负荷过高，冷却液“开锅”，空气滤清器堵塞等“水土不服”的问题。

世界上主要的发达国家大多没有我国如此广阔的高原地形，对柴油机高原适应性方面的工程需求不强，因此欧美国家在柴油机高原性能方面投入的精力很有限，研究成果多是海拔3000m以下条件下获得的[3]。而我国高原车辆的运行条件远比欧美严酷，例如新藏公路海拔在4000m以上的路段有915km，全线最高点达坂山处海拔5433m，海拔起伏达3000m，这样的海拔高度及海拔变化幅度给运输车辆和工程机械提出了特殊的要求[4]。同时，我国高原地区的汽车保有量持续增加，以拉萨市为例，从2000年的2.9万台到2011年的11.7万台，增长了约3倍。而且，我国西部高原地区同阿富汗、印度等国接壤，具有突出的军事地位。因此，急需开展高原环境下柴油机适应性研究[5]。

由于我国地理、军事的需求以及西部大开发战略的执行，国内研究机构已在内燃机高原性能方面取得了相当多的研究成果。目前，国内研究高原内燃机性能的主要机构有：七〇研究所、西宁高原工程机械研究所、军事交通学院、上海交通大学、西安交通大学、天津大学、北京理工大学、清华大学、吉林大学、昆明理工大学等。

1 高原环境对柴油机的影响及应对措施

1．1高原环境对柴油机的影响

高原环境（表1为海拔高度与大气环境的关系）对柴油机性能的影响主要集中在以下方面[1]：

1）动力性能。研究结果表明，在海拔超过3000m以后，柴油机功率下降幅度明显，而且低速段的降幅更大[6]。

2）经济性能。在高原下柴油机的机械效率和泵气损失基本不变，但燃烧恶化，循环热效率下降，加上道路条件的恶劣，造成了整车油耗的升高。

3）排放性能。高原环境下，柴油机进气量减少，空燃比下降，燃烧温度降低，造成NOx排放减少，而烟度增加。

4）启动性能。高原环境下气温、气压过低，压缩终了时刻温度、压力达不到混合气压燃和续燃要求，而且低温下机油的摩擦阻力增大，蓄电池电量下降，造成启动困难。

5）冷却性能。热效率降低导致柴油机散热量增大，空气密度下降造成冷却风量不足，气压低导致冷却沸腾降低，造成高原热负荷过高[7]。

6）寿命及可靠性能。高原环境下增压器易发生喘振、超速、超温，柴油机可能会因热负荷的加剧而出现拉缸或排气管热损，运动部件和空气滤清器会因为空气含尘量大而寿命缩短。

表1 海拔高度与大气环境的关系

1．2提高柴油机高原适应性的主要措施

针对柴油机在高原环境下使用所遇到的各种问题，科研人员提出了多方面的改进，比如采取进气预热来辅助启动，提高冷却液循环的压力防止汽化等。然而，柴油机高原功率恢复是一个复合的课题，与换气、供油和燃烧过程密切相关，如何改善高原环境下柴油机油、气之间的匹配，成为柴油机功率恢复的关键。

早在20世纪80年代，我国研究人员通过青藏铁路机车柴油机试验，就得出了“供气成为柴油机功率恢复的主要矛盾”的结论[8]。通过调整供油系统参数，可以在一定程度上提高柴油机功率恢复能力，但是依靠供油参数的调节难以同时解决柴油机功率下降与油耗高，冒黑烟，排温高的问题。所以，目前国内外的研究人员，大多以进气系统的改进作为柴油机高原功率恢复的主要措施，将调节供油系统作为辅助手段。

2 高原环境下增压系统的改进

与自然吸气的柴油机相比，增压中冷柴油机具有显著的高原功率补偿能力，而且对增压系统进一步的改进能够使发动机获得较强的高原适应能力[9]。增压系统的高原适应性改进主要分为：

一类是不改变增压方案，为发动机匹配高原适用的增压器。

中南大学和天雁公司分析了高原环境对增压系统的影响，通过高原实地试验进行增压匹配，总结出高原下增压器需要注意喘振、超速、超温的问题[3]。按照高原的环境条件，需要为发动机匹配流量大、压比高的增压器，但这样的增压器难以满足平原的需求。而且，高原环境下压气机的喘振线向大流量方向移动，高压比、大流量的增压器更易出现喘振[10，11]。如何拓宽压气机的流量、压比和转速的范围，寻找能够兼顾平原和高原性能的增压器，成为高原增压器匹配的主要研究方向[8，12]。

另一类是改进增压方案，增强增压系统的可调性。

由于往复活塞式发动机的耗气特性与旋转叶轮式增压器的流量特性之间存在天然的矛盾，很难保证在全工况范围内增压器与柴油机始终保持良好的匹配，可调增压技术的发展在一定程度上缓解了这种矛盾。在高原柴油机上应用的带放气阀的增压器和二级增压技术，已经取得了一定的功率恢复效果。更先进的可调增压柴油机具有更强的功率恢复潜力，成为近期研究的热点，比较典型的有：可变截面增压、相继增压、可调二级增压、复合增压等。

2．1带放气阀的增压器

带放气阀增压器（如图1所示）的基本原理是涡轮入口处并联放气阀，放气阀通过推杆与膜片相连；膜片的一侧与压气机后管路相通，另外一侧与大气环境连通。初始状态时膜片被弹簧压紧，当增压压力过高时，压气机前后的压力差超过弹簧的预紧力，推动膜片移动，打开废气放气阀，使一部分涡轮前的废气直接排入大气，防止增压器超速，降低增压比。

图1 带放气阀的增压器

带放气阀的增压器技术最早出现于20世纪70年代，用于解决汽油机上因增压压力过高而导致的爆燃问题。在柴油机领域，放气阀技术能够拓宽增压器流量范围，提高柴油机低速特性，主要应用在中小型的车用柴油机上。带放气阀的增压器一般以柴油机最大扭矩点为匹配点，采用喷嘴环直径较小的涡轮，可以在发动机低速时提供较高的增压压力。在发动机高速时，为防止增压器超速和增压压力过高需要进行放气，放气量不宜超过废气量的20%，否则会造成柴油机经济性能的明显下降[13]。

在高原条件下应用废气放气技术时，需要采用电控放气阀或根据海拔条件对弹簧预紧力进行调节。因为，机械式放气的执行依据是比较压气机前后压差和弹簧预紧力，高海拔下虽然压比升高但压气机前后的绝对压差减小，导致机械式放气阀失效，起不到保护增压器的作用。在高原环境下匹配带放气阀的增压器有利于提高低速扭矩特性，但高速放气会造成柴油机功率损失[14]。

2．2可变截面涡轮技术

可变截面涡轮增压器技术（VGT或VNT），相当于匹配一系列固定截面的增压器，通过改变涡轮的流通面积，能拓宽增压器高效率工作范围。柴油机低速时，减小流通截面，提高增压器转速及增压压力，增大柴油机的进气量，提高低速扭矩特性。柴油机高速时，增大流通截面，降低增压器转速，防止增压压力过高，同时能够降低气缸排气背压，减小泵气损失。图2和图3分别为Holset公司和Garret公司的VGT涡轮增压器，通过不同的方式改变喷嘴环面积，起到调节涡轮流通特性的作用[15]。

图2 VGT滑移喷嘴环设计（Holset）

图3 VNT转动喷嘴环设计（Garrett）

清华大学通过仿真研究了VGT柴油机的高原性能，结果表明VGT技术能够有效避免压气机喘振、超速和涡轮入口温度过高的问题，减少了柴油机功率的下降幅度，调节喷嘴环直径实现变海拔下的动力性与经济性的优化[15]。意大利依维柯（Iveco）公司通过采用VGT技术并开发了不同海拔下的控制策略，使Crusor10柴油机具有高海拔适应能力，满足欧Ⅳ排放要求[16]。

2．3二级增压

图4为二级增压方案（Two-stage Turbocharging）原理图，新鲜空气经过两级压气机的压缩后，进入中冷器冷却，通过进气管进入气缸。柴油机的废气依次在高压级和低压级涡轮中膨胀做功，而后排入环境[17]。一般将选配两个直径不同的增压器来组成二级增压系统，流通面积较小的增压器作为高压级，流通面积较大的作为低压级。

图4 可调二级增压方案原理图

为了进一步拓宽增压系统的高效工作范围，在二级涡轮增压系统的基础上发展了可调二级涡轮增压系统（R2S），通过调节涡轮旁通阀来实现两级压比的分配，见图4。李华雷等人证明了高压级旁通的可调二级增压方案比低压级旁通方案效果更好[18]。低速时，高压级旁通阀处于关闭状态，废气需要在两级涡轮中膨胀，柴油机获得较高的进气压力，提高低速扭矩特性。在柴油机高速时，打开高压级涡轮旁通阀，部分废气直接进入低压级涡轮，相当于增加了涡轮流通面积，降低了排气背压和增压压力。为了减小进气系统的流通阻力，可以对高压级压气机进行旁通。另外，当低压级增压器有超速危险时，也可以对低压级涡轮进行放气[19]。

目前，应用二级增压系统进行高原柴油机功率恢复已取得一定的成果。北京理工大学的马朝臣、魏名山和施新等人，研究了二级增压系统的匹配方法，比较了不同形式调节阀的集成度和调节范围。通过仿真计算得出：在海拔5500m条件下，采用二级增压系统可以避免增压器的喘振和超速，柴油机的标定功率可恢复至平原的80%[20～22]。上海交通大学邓康耀、刘博等人提出了采用等效增压器模型匹配二级增压的方法，研究了调节阀的动态特性和调节规律[23～25]。李华雷进行了D6114柴油机二级增压方案的计算研究，海拔4500m二级增压柴油机的标定功率恢复至平原的85%[14]。

2．4相继增压

发动机高速时，涡轮增压器能量充足，可以保证较高的空燃比，燃油经济性较好；而在发动机低速时，增压压力偏低，缸内空燃比下降导致低速特性较差。涡轮增压器难以保证在发动机全工况范围内都高效地运行，为了克服增压器与发动机匹配之间的矛盾，提出了相继涡轮增压方案（STC）。如图5所示，相继涡轮增压系统由2台或2台以上的涡轮增压器并联组成，能够根据发动机工况对投入运行的增压器数量进行控制。当发动机转速或负荷低于设定值时，废气集中进入一台涡轮，增加其废气流量，提高增压压力，改善发动机低速特性。随着发动机转速和负荷的升高，逐次将一台或几台增压器相继投入使用，保证运行的增压器高效工作，降低发动机的燃油消耗率[25]。

图5 大小涡轮三阶段相继增压方案

相继增压技术最早出现于20世纪80年代初，主要应用在两栖车辆和舰船柴油机上。德国的MTU公司在两栖车辆的MT883系列柴油机上首先应用了相继增压，随后在发电机组和舰船配备的MTU2000、4000、8000系列柴油机也都采用了该技术[26]。美国海军对LPD-17驱逐舰的柴油机进行相继增压改进后，低速扭矩特性得到提升，全工况油耗平均下降了9%。国内哈尔滨工程大学的王银燕等人与四〇八厂合作研制了16PA6-280STC船用柴油机，随后又对该系列的12缸柴油机进行了相继增压试验。此外，法国的SEMT Pielstick、日本Niigata、国内的七一一研究所、海军工程大学都在舰船用柴油机上研究过相继增压系统的应用[27]。

在发电机组、两栖车辆和舰船上工作的柴油机工况相对比较固定，增压系统有足够的时间进行状态切换。一般陆用车辆上，发动机工况范围变化较大，相继增压系统需要复杂的控制策略。瑞典Volvo公司、德国的Porsche公司、日本的Mazda公司曾在车用发动机上进行过相继增压的试验，结果表明，相继增压的车辆加速性有了很大提高，但由于切换策略和阀门动作过于复杂，其实用性下降[28]。国内，上海交通大学的邓康耀，张哲等人在型号为D6114ZLQB的柴油机上通过台架试验和数值仿真的方法对车用柴油机相继增压方案进行了系统的研究，包括相继增压系统的匹配方法、稳态和瞬态特性、控制策略等[29]。

相继增压系统应用在高原车用柴油机上的报道较少，西班牙的瓦伦西亚理工大学开展过相继增压柴油机高原匹配的仿真研究[30]，国内仅有一篇关于进气条件对控制策略影响的研究文献[31]。车用发动机工况变化范围大，要求相继增压系统频繁地切换阀门，而且进气条件的变化会导致切换点的改变，进一步增加了控制策略的复杂程度，并降低了系统的可靠性。与其他方案相比，相继增压方案应用于高原功率恢复的优势并不明显。

2．5电辅助增压

电辅助涡轮增压技术利用电能在短时间内迅速提高涡轮增压器的转速，提高发动机的加速响应性。当发动机在启动、低速、加速工况时，依靠电池能量，由电机驱动压气机，提高进气压力。当发动机转速升高时，涡轮压气机能够保证足够空气量，关闭或脱开电机。当发动机在高速大负荷工况时，通过发电机回收一部分废气能量，转换成电能贮存在电池中[32]。

电辅助增压系统分为电机与涡轮增压器同轴的EuATL系统和电动增压器独立布置的EATS系统。EuATL又包括两种，电机前置的方案（图6）电机中置的方案（图7）。EATS也包括两种方案，电动增压器前置方案（图8）和电动增压器后置方案（图9）。经对比研究，EATS系统比EuATL有着更大优势，应用前景更加广阔。由于电辅助增压系统响应快、工作方式灵活，使其有望成为解决增压柴油机瞬态排放、提高增压柴油机响应性和低速特性的有效措施[33]。

图6 EuATL电机前置方案

图7 EuATL电机中置方案

图8 EATS电动增压器后置

图9 EATS电动增压器前置

1973年，曼彻斯特理工大学的J.D.Leder和Benson等人提出了在发动机加速时将高压空气补充入压气机的方法，来改善涡轮增压器的瞬态响应，这个想法促成了电辅助增压系统的发明。20世纪90年代底特律柴油机公司，论证电辅助增压技术在改善发动机瞬态响应性、排放性方面的潜力。Honeywell公司验证了电动增压技术在提高瞬态响应、燃油经济性的效果，通过强化冷却提高了电机中置方案的可靠性，并开始了EATS方案的研究。Caterpillar公司提出ISG集成在涡轮增压器内的布置方案，并进行了仿真计算，研究结果表明采用电辅助增压后发动机的油耗平均降低5%[34]。三菱重工还论证了高速大功率电机直接驱动压气机的方案，能够准确地控制压气机转速，但是由于该方案需要很大的电机和电池，不适合车用[35]。天津大学的姚春德、周红秀等人应用电辅助增压技术提高公交车加速性，减少瞬态排放[36，37]。南京理工大学的赵付舟等人研究了电辅助增压系统的能量调整策略[38]。

受限于电机可靠性等因素，将电辅助增压应用高原功率恢复的研究还不多。吉林大学的王文阁曾在西藏日喀则机场(海拔3800m)进行了涡轮增压和电辅助增压车辆的加速试验，由于电机本身的原因，在车辆的加速过程中电动增压器工作10s。试验结果证明了加装电动增压器能够有效地提高车辆高原行驶的动力性[39]，最高档25km/h～75km/h加速过程的时间由70s（涡轮增压器）减少到了59s（电动增压器）。目前制约电辅助增压系统广泛应用的主要问题有：低压比、大流量、恒转速高效率工作的压气机；可靠的高转速电机和轴承；增压器轴系振动；控制系统的开发等[33]。

2．6复合增压

复合增压系统是指采用两种或两种以上的增压形式组成的增压系统。如图10所示，早期的复合增压主要将谐振增压与涡轮增压进行复合[40]，以提高柴油机的瞬态特性，但是由于其体积过大，匹配难，这种复合增压技术并没有得到推广。2006年以后，以Volkswagen公司1.4L TSI汽车为代表的机械-涡轮复合增压发动机得到了广泛的关注。GOLF汽车采用了1.4L TSI增压发动机后，比2.3 L非增压发动机的排量减小39%，油耗节省20%[41]。

图10 谐振-涡轮复合增压方案

2.6.1 机械-涡轮复合增压

如图11所示，TSI发动机采用机械增压与涡轮压气机串联的连接形式，进气系统包括：空气滤清器、机械增压器、进气旁通阀、涡轮增压器、中冷器、节气门、进气歧管等。TSI发动机的复合增压系统的工作模式如下[42]：

图11 大众1.4L TSI双增压方案

1）在发动机低转速大负荷时，电磁离合器结合，旁通关闭，发动机的进气压力主要由机械增压器提供。

2）当发动机转速在2500r/min～3500r/min之间时，电磁离合器结合，控制阀部分开启，机械增压器工作，但此时，一部分废气通过旁通支路直接进入涡轮压气机。

3）在发动机转速超过3500r/min时，电磁离合器脱开，控制阀打开，机械增压器停止工作，由涡轮增压器提供所有的增压压力。

机械增压器响应快且不受废气能量的约束，能够提高发动机响应性和低速扭矩特性；通过搭配一个压比低、流量宽的涡轮增压，降低排气背压，并配合电磁离合器的动作，使发动机获得良好的经济性[41]。

2.6.2 转速可控复合增压

参考了二级增压、电辅助增压、机械-涡轮复合增压方案的特点及在高原功率恢复方面的潜力，北京理工大学的韩恺提出了转速可控复合增压方案，如图12所示，进气系统主要由可调增压器、进气旁通阀、涡轮压气机、中冷器组成[43]。

图12 转速可控复合增压方案

在发动机低速大负荷时，进气旁通阀关闭，可调增压器投入使用。新鲜空气依次经过可调增压器和涡轮压气机的两级压缩后，经中冷器进入发动机气缸。随着发动机转速的提高，涡轮增压器能量增加，通过电子调节降低可调增压器的转速，减小耗功。当废气涡轮的能量足够时，打开进气旁通阀，可调增压器停止工作，这时发动机工作模式与普通涡轮增压发动机相同。此外，为防止涡轮增压器超速，涡轮增压器配置放气阀。转速可控复合增压方案通过液压调速和高增速比传动等方式，使可调增压器连续工作成为可能。

从形式上看，转速可控复合增压方案与EATS电动增压器前置方案很相似，可以看作是电辅助增压的一种发展，但两种方案在理念上存在以下主要区别：

1）转速可控复合增压方案的驱动形式不限于电机驱动。可调增压器代表一类由机械、液力或电力等直接驱动并能够对其工作状态准确控制的增压装置，例如在机械-液压混合动力装置中，可以采用液压马达对其驱动，通过调节液压系统流量来控制增压器转速。

2）电辅助增压方案中，电动增压器作为辅助装置主要解决的是涡轮增压器响应慢的问题，所以更加关注柴油机的瞬态加速性和排放性。复合增压方案更加关注增压系统在全工况范围内与发动机的匹配，在这一点上转速可控复合增压方案与机械-涡轮复合增压的方案理念更加接近。除了提高增压系统响应性以外，转速可控复合增压方案更关注全工况内的增压匹配、柴油机的低速扭矩特性和高原适应性。

经过仿真研究，采用了转速可控复合增压柴油机具有良好的低速扭矩特性和高原功率恢复的潜力。海拔3000m时，标定点功率和最大扭矩值分别恢复至平原的89.6%和96.7%。由于原机涡轮增压器流量的限制，复合增压并没有发挥出最大的潜力，下一步需要对复合增压方案的匹配和控制策略进行更细致的研究。除了具有高原功率恢复的潜力外，转速可控复合增压方案还具有以下的优点：

1）方案易于实现，对原机改动小。

2）增强了进气状态的可控性，合理的控制策略可以使发动机具有海拔自适应的能力。

3）涡轮压气机的增压比降低，缓解了在高原环境下的喘振倾向。

4）可调压气机的转速随工况连续变化，不会出现压力和流量的剧烈波动。

5）提高了进气温度和进气压力，有助于改善高原条件下的启动性能。

3 结论

几种可调增压技术在高原功率恢复方面的应用特点为：

1）带放气阀的增压器技术，可以提高低速扭矩特性和增压器的可靠性，但对高速功率的贡献不大。

2）可变截面涡轮技术，可根据海拔条件对喷嘴环直径进行控制，能够起到高原功率恢复的作用。需要拓宽压气机的流量范围，并提高喷嘴环调节机构的可靠性。

3）可调二级增压技术，对原增压系统的改动较大，已经取得了较丰富的研究成果和工程经验，可以有效地提高柴油机高原功率恢复能力。

4）相继增压技术，控制策略复杂，目前不适用于车用柴油机的高原功率恢复。

5）电辅助增压方案，重点提高发动机的瞬态性能，对高原车辆加速性的提高有一定帮助。

6）转速可控复合增压技术，灵活性与可控性很强，对原机改动不大，具有高原功率恢复的潜力，需要进一步研究其稳态、动态特性及控制策略。

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Application of Supercharging Technologies for Diesel Engine at Plateau

Zhu Zhenxia，Zhang Fujun，Ma Chaochen，Han Kai，Liu Yangyang
School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology(Beijing，100081，China）

Firstly，the adverse effects of plateaus ambient conditions on engines and the corresponding solutions are reviewed.The improvement for turbocharging system has been drawing the attention of researchers，who were dedicated to power recovery for engines running at plateau.And two types of such improvement are introduced-matching turbocharger for plateaus usage and adjustable turbocharging technologies.Secondly，the theories，history and the status quo of typical adjustable turbocharging tech-nologies are presented individually，such as:Turbo Waste-gate technology，variable geometry turbocharger（VGT），two stage turbo-charger（TST），sequential turbocharging system（STC），electrically assisted turbocharger（EAT）and Combined Supercharging Sys-tem（CSC）.What's more，the prospect of every technology applying at plateau was also discussed.Eventually，after the discussion and comparison，VGT，TST and Speed-Controllable Combined Supercharging were considered to be capable to enhance the power of diesel engines at plateau and also easy to be carried out.

IC engine，Plateau，Power recovery，Two stage turbocharger，Variable geometry turbocharger，Electrical assisted turbocharger，Speed-controllable combined supercharging

TK421.8

A

2095-8234（2014）04-0073-08

2014-06-12）

省部级项目（D2220112901）。

朱振夏（1987-），男，博士生，主要研究方向为内燃机工作过程与匹配。