高原环境下柴油机增压技术研究与应用

董素荣，熊春友，刘瑞林，张众杰，周广猛

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;2.军事交通学院研究生管理大队，天津300161;3.军事交通学院学员旅，天津300161)

我国高原地区面积约占国土面积的37%，其中，青藏高原面积约为240万km2，平均海拔高于4 000 m。柴油机在高原运行时，由于大气压力、空气密度降低，导致柴油机进气质量减少、空燃比降低、燃烧恶化，造成柴油机动力性、燃油经济性下降，热负荷增大，碳烟排放增加［1－4］。柴油机作为各种车辆、工程机械、农用机械、发电机组等机械装备的“心脏”，其高原环境适应性直接决定机械装备性能在高原地区的有效发挥。因此，提高柴油机的高原适应性是提升机械装备整机性能的关键。大量研究表明，涡轮增压技术已成为柴油机高原动力恢复的关键技术。

世界主要发达国家所处地域的海拔一般在3 000 m以下，100%重型车辆柴油机都采用涡轮增压技术，其先进的增压技术使得柴油机有着较大的功率储备，能够保持海拔3 000 m以下功率不下降，但对3 000 m以上海拔的相关研究较少。而国内由于特殊高原环境，围绕高原地区柴油机动力恢复，主要开展了高原环境下增压器压气机特性变化及修正、单级及多级涡轮增压器与柴油机的高原匹配等方面的研究工作。

1 高原环境下增压器压气机特性变化及修正

1.1 压气机特性随海拔的变化

高原环境下，随着海拔的上升，柴油机的进气量减少，其功率显著下降，废气涡轮增压是柴油机高原功率恢复的有效方法。然而，功率恢复的效能与涡轮增压器的性能密切相关。为了研究高原环境对涡轮增压器性能的影响，华中科技大学［5－6］基于11GJ涡轮增压器压气机的主要参数，计算分析了不同海拔压气机雷诺数的变化及其对涡轮增压器性能的影响。研究结果表明，小型涡轮增压器压气机雷诺数随海拔的升高急剧降低，压气机效率显著下降、喘振提前发生、工作范围变窄，进而提出了仅仅按马赫数相等所作的压气机“通用特性曲线”不宜直接用于高海拔地区。

西宁高原工程机械研究所［7］通过对80J－Ⅲ涡轮增压器进行模拟试验，验证了雷诺数随海拔升高而减小的结论，并得出了增压器压气机绝热效率、压比、流量、喘振线等参数随海拔的变化关系。结果表明，海拔每升高1 000 m，压气机绝热效率下降 0.79% ～1.64%，压比下降1.16% ～2.69%，流量下降0.74% ～9.02%，压气机喘振线变窄 0.51% ～4.83%。

因此，当涡轮增压柴油机在高原地区工作时，由于柴油机排温的升高和涡轮背压的降低，使废气涡轮增压器的转速随海拔升高而上升。同时，与涡轮同轴的压气机转速也随之同步上升，进而提高了增压压力，部分补偿了因海拔的升高而引

式中:a为常数，0.15 ～0.57;γ 为常数，0.17 ～0.50;ηK为压气机绝热效率;Re为雷诺数;角标“0”表示试验工况值。

式(1)中，a和γ是两个常数，但数值跨度很大，如何根据不同压气机的结构和特性选取相应的数值，成为准确修正压气机效率的关键。

北京航空航天大学［9］通过模型理论推导了高原发动机涡轮增压器压气机效率修正公式:起的进气充量下降的影响。但同时增压器性能参数也产生了变化，如涡轮前温度升高、增压器转速增加、压气机效率降低及喘振线右移等，从而容易引起涡轮增压器超速、喘振。

1.2 压气机特性的高原修正

高原大气条件下，增压器内部流动雷诺数降低，气体黏性影响增大，黏性摩擦力增大，流动边界层增厚，导致增压器高原工作时效率下降，流量范围变窄，性能MAP图与平原相比有较大区别。增压器的性能变化导致柴油机增压匹配失准，使柴油机有效充气量下降，燃烧恶化。为了实现柴油机与增压器在高原环境条件下的最佳匹配，需要对压气机特性进行高原修正。

Wiesner［8］于1979年提出了沿压气机的等转速线对绝热效率进行转换的经验公式:

并与Wiesner转换公式进行了对比分析。结果表明，在海拔6 000 m以内，由两个公式计算的效率曲线在整个流量范围内具有较好的同步性和重合性，且该式更清楚地表示了Re与涡轮增压器压气机效率的关系，为研究柴油机与增压器的高原匹配提供了依据。

2 单级涡轮增压器与柴油机高原匹配

由于高原大气条件的改变，导致涡轮增压器匹配特性、柴油机的耗气特性及燃烧特性与平原相比也发生了变化，致使柴油机性能不能正常发挥。因此，涡轮增压器与柴油机的变海拔、变工况匹配问题一直是关注的重点。

2.1 固定截面涡轮增压器与柴油机的高原匹配

目前，围绕固定截面涡轮增压器与柴油机的高原匹配问题，柴油机高增压技术国家级重点实验室［10］、潍柴动力股份有限公司［11－12］、军事交通学院［13－14］等单位开展了大量的理论计算和试验工作，提出了固定截面涡轮增压器与柴油机高原匹配原则及存在的局限性。研究表明:固定截面涡轮增压器在高原使用时除了应具有足够的超温、超速能力之外，还应具有10% ～15%喘振裕度;匹配高压比、大流量、高效率的涡轮增压器可以有效提高柴油机的高海拔动力性，但同时存在平原地区过高增压现象的产生。因此，通过增压器局部改进及选型匹配，仅能够恢复部分高原功率，但不能兼顾柴油机平原和高原性能，在实际使用中仍然存在柴油机动力不足、经济性差、排温高、瞬态响应性迟缓、涡轮超温超速等问题。此外，涡轮增压器与柴油机匹配大多针对固定海拔和固定工况，不能满足柴油机变海拔、变工况的工作需求。

2.2 可变截面涡轮增压器与柴油机的高原匹配

可变截面涡轮(variable geometry turbocharger，VGT)增压器，通过改变增压器涡轮的流通截面积，拓宽增压器高效率工作范围，进而控制增压器转速和进气压力。在一定海拔条件下，可改善柴油机低速转矩特性和经济性，提高柴油机加速性能，降低排温，防止涡轮超速。

清华大学［15］和柴油机高增压技术国家级重点实验室［16］在原固定截面涡轮基础上，设计了可变截面涡轮，并进行了不同海拔柴油机的性能对比试验。结果表明:可变截面涡轮增压器有效解决低速区转矩差、压气机喘振及涡轮超温超速等问题，但受压比和流量的限制，高原功率恢复潜能有限;与原机相比，海拔3 000 m时额定功率和最大转矩分别提高1.77%和5.49%，海拔5 000 m时分别提高1.28%和2.91%。

意大利依维柯(Iveco)［17］公司采用VGT技术并开发了不同海拔下的控制策略，使Crusor10柴油机具有一定海拔高度功率补偿能力，满足欧Ⅳ排放要求。

3 两级涡轮增压系统与柴油机高原匹配

随着海拔升高，大气压力下降，只采用单级涡轮增压技术不能够给柴油机提供足够的进气压力。两级涡轮增压技术采用两个压气机串联对进气进行两次增压，极大地提高了柴油机高海拔进气压力，可以使柴油机标定功率基本恢复至平原水平，是高原地区柴油机动力提升的关键技术。

两级增压系统是将两个涡轮增压器串联构成的复合涡轮增压系统。根据两级涡轮增压器形式的不同，可分为普通两级涡轮增压系统(two-stage tubocharging，TST)和可调两级涡轮增压系统(regulated two－stage turbocharging，RTST)。其中，普通两级涡轮增压系统(TST)由两个普通涡轮增压器构成(TC+TC);可调两级涡轮增压系统(RTST)由VGT和普通涡轮增压器构成(VGT+TC)。

国外对两级增压技术研究较早，一些主要大公司如Borgwarner、Honeywell等已经将两级增压技术运用到大型货车及轿车上，极大提高了车辆的各种性能指标［18－24］。Opel公司［22］为其车用柴油机匹配两级增压系统后，柴油机额定功率可提高至156 kW，最大转矩400 N·m时的转速为1 400 r/min，平均有效压力达到 2.6 MPa，汽车每百公里加速时间仅为6.5 s，极大消除了涡轮滞后问题。Borgwarner与BMW公司联合开发的基于VGT的两级可调增压柴油机［19－20］，使柴油机的动力性能提高约25%，燃油耗下降20%，且在低转速时具有较快的响应性，高转速时拥有很大的功率储备。

国内许多高校如上海交通大学、北京理工大学、昆明理工大学、吉林大学、军事交通学院等在两级增压系统选型匹配、涡轮调节阀选型设计及调节能力分析、与发动机匹配软件开发等方面开展了研究［25－27］。研究结果表明，两级增压系统有效提高了柴油机性能指标，两级增压系统涡轮调节阀不同开度对涡轮膨胀比和流量分配、涡轮效率变化以及整机性能均有较大影响，为优化两级增压系统调节能力提供了依据。

虽然国内外对两级增压技术开展了大量的研究工作，但针对高原环境条件的两级增压技术研究才刚刚开始。北京理工大学马朝臣教授［28］针对0～5 500 m高原环境，设计了多阀两级涡轮增压系统，该系统高压级采用原机增压器不变，涡轮调节阀为机械式放气阀，低压级涡轮调节阀开度随海拔升高而减小，在海拔2 000 m完全关闭，由单级增压转换为两级增压，保证了高海拔柴油机的进气量。结果表明，两级增压与单级增压相比，海拔5 500 m时柴油机额定功率和最大转矩分别提高27.2%和15.5%，低速转矩提高约40%，两级压气机均工作在高效率区且不会超速。但由于柴油机匹配是普通的涡轮增压器，在柴油机低速区和0 m海拔高速区，高、低两级压气机工作效率较低，在0～2 000 m低速部分负荷情况下，不能有效提高柴油机低速转矩。军事交通学院［29］为了提高柴油机的变海拔适应性，设计了基于VGT的两级可调涡轮增压系统，仿真结果表明:与原机相比，海拔5 500 m柴油机最大转矩提高约46%，额定功率提高48%，最低燃油消耗率下降12%;低速(1 000 r/min)转矩提升121%，燃油消耗率下降22%。

4 增压技术对柴油机高原动力提升的潜能分析

通过几种增压技术比较，VGT增压技术和两级涡轮增压技术均能提高柴油机的高原动力性能，是柴油机高原动力恢复的先进技术，表1列出了VGT、TST、RTST三种增压技术性能比较。

表1 柴油机各种增压技术比较

从表中可以看出，VGT增压器可实现变工况自适应增压，极大地提高了车辆柴油机高海拔适应能力。但为使柴油机在高原地区功率基本恢复至平原水平，增压系统增压比应至少达到4以上，因此VGT增压器难以满足要求，需要采用两级涡轮增压技术。同时，若采用普通的两级增压(TST)系统，将难以满足柴油机在变海拔、变工况具有最佳动力性和经济性目的。因此，需采用两级可调增压(RTST)系统。

两级增压系统对柴油机高原动力性、经济性能提升的潜能见表2。可以看出，基于VGT的两级可调增压技术，不仅可以提高柴油机高原的动力性、经济性，而且可以提高车辆高原适应能力，解决了单级增压器高原超温超速问题。

表2 两级可调增压器对柴油机性能提升情况

5 结语

柴油机在高原运行时，随着大气压力降低，进气量减少，造成动力性、经济性下降，排温升高。尽管涡轮增压器对柴油机高原功率具有一定的自动补偿能力，却不能在全工况下实现最佳匹配，在高海拔条件下低速动力性下降，易出现超温超速，采用可变截面增压(VGT)技术虽能够在一定程度上实现变工况、变海拔的控制，但受压比和流量的限制，高原功率恢复有限。普通两级增压(TST)能够提供宽流量、高压比，极大地提高柴油机高海拔的动力性和经济性，但只能针对单一工况进行匹配，高效区流量范围较窄，难以满足柴油机在变海拔、变工况具有最佳动力性和经济性的目的。因此，基于VGT的两级可调增压系统，兼顾了两级增压和VGT技术的优点，具有高压比、宽流量的特点，可全面提高柴油机高原各个工况的性能指标，实现柴油机变海拔、变工况的实时控制。

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