放气阀增压器在柴油机高原环境适应性改进中的应用研究

李书奇， 邓春龙， 陈刚， 张子磊， 刘畅， 张继忠， 胡力峰，贾晓亮

(1. 中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室， 天津 300400；2. 广西玉柴机器股份有限公司， 广西 玉林 537005；3. 装甲兵驻616厂军事代表室， 山西 大同 037036)



放气阀增压器在柴油机高原环境适应性改进中的应用研究

李书奇1， 邓春龙1， 陈刚2， 张子磊1， 刘畅1， 张继忠1， 胡力峰1，贾晓亮3

(1. 中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室， 天津 300400；2. 广西玉柴机器股份有限公司， 广西 玉林 537005；3. 装甲兵驻616厂军事代表室， 山西 大同 037036)

基于柴油机进排气高原环境模拟试验平台，针对所研制放气阀涡轮增压器，通过配机试验研究，获得结论如下：基于由冷态测量获得的放气阀开启特性，在考虑放气阀几何结构、排气脉冲压力波动等因素影响后得到预测特性，与高原模拟试验结果具有较好的一致性，偏差在7%以内；放气阀涡轮增压器具有较高的扭矩储备系数，可用于高原环境适应性动力改进，海拔4 000 m工况可获得1.27扭矩储备系数，与常规增压器平原扭矩储备系数相当；在高原环境发动机进气量需要增加、压后压力需要提高的情况下，放气阀与平原工作状态近似，在最大扭矩点之后处于开启状态；与平原相比，高原4 000 m工况压气机压后压力降低约60 kPa。通过更换高压比压气机放气阀涡轮增压器，在保持原有配机性能近似不变的情况下，可有效解决高原增压器超速问题，可使增压器转速在平原状态下降低10 000 r/min左右，在高原4 000 m工况，工作转速与更换前平原工作转速相当。

放气阀； 涡轮增压器； 高原环境； 适应性； 柴油机； 高压比

涡轮增压器是发动机高原空气稀薄环境适应性的关键。随着海拔的升高，大气压力降低，空气密度下降，发动机进气量减少，导致缸内压力降低、燃烧恶化，柴油机动力性和经济性降低[1-4]。近年来，针对发动机高原适应性的研究和探讨层出不穷[5-8]，研究结果显示，进气系统改进是高原适应性的主要措施[9-11]。放气阀涡轮增压器具有简单的压力控制系统，能够满足发动机低速扭矩特性要求和车用驾驶性要求，能够解决增压器超速问题，但是在高原适应性的应用方面，公开发表的文献较少。朱振夏等曾在柴油机增压技术的高原环境应用研究中，对放气阀涡轮增压器进行了分析，指出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，并指出机械式放气阀可能存在诸多缺陷和不适应。

为了摸清放气阀涡轮增压器在发动机高原空气稀薄环境适应性的应用可行性和缺陷，基于进排气高原环境模拟试验平台，针对研制的两款放气阀涡轮增压器开展配机试验研究，以验证放气阀涡轮增压器在高原环境下的配机情况，并确定改进目标和方向。

1 试验样机

试验用放气阀涡轮增压器分为增压器本体和放气阀部件两大部分，增压器与常规单级涡轮增压器结构基本一致，由涡轮部件、压气机部件及轴承体三部分组成。涡轮部件主要包括涡轮转轴、涡轮箱；压气机部件主要包括压气机叶轮、压气机蜗壳。整个增压器为轴承内置集成布置结构，涡轮与压气机叶轮分别悬臂于轴承外侧。放气阀形式采用活塞弹簧式，安装在涡轮箱上，通过引气导管与压气机蜗壳出口相连(见图1)。涡轮端放气阀为最简单的压力控制系统，一旦达到某一增压压力，部分废气通过旁通阀绕过涡轮流出；放气阀打开或关闭通过一个受力弹簧膜片根据所受压力进行控制。

试验用放气阀涡轮增压器有两种，分别为高压比增压器TC118SX和常规增压器TC115，其主要结构参数见表1，所配高原适应性改进柴油机主要参数见表2。基于航空单管燃烧室模拟的涡轮增压器试验台架，获得增压器压气机特性(见图2)。

图1 放气阀涡轮增压器剖面图

名称TC118SXTC115压气机叶轮出口直径/mm118115压气机叶轮进口直径/mm8581.5蜗壳(A/R)值/mm1518.7涡轮叶轮进口直径/mm100100涡轮叶轮出口直径/mm9090涡轮箱0-0截面面积/cm24444最高许用工作转速/r·min-19600099000

表2 高原环境适应性改进柴油机主要参数

图2 放气阀增压器压气机试验特性

2 试验台架及试验内容

2.1 高原环境模拟试验台

高原环境模拟试验台(见图3)是验证发动机高原环境适应性和考察性能随海拔变化规律的重要手段，由测功器、柴油机试验辅助系统、柴油机试验测试及控制系统、高原环境模拟试验系统等设备构成。其中，高原环境模拟系统是由空气过滤器、进气风机、除湿装置、调温装置、空气加湿装置、水蒸发器、水加热器、排烟冷却器、排烟风机等组成，用来模拟高原状态柴油机进气情况，进气压力和进气温度变化范围分别为61.6～101 kPa和-30～25 ℃，用以模拟0～4 000 m不同海拔环境[12]。

图3 高原模拟试验台示意

2.2 放气阀开启特性试验装置

图4 放气阀开启特 性试验装置

本研究放气阀开启特性主要基于自制测量装置，在冷态(100 kPa)情况下进行测试，该装置主要由气源、调节阀、位移测量装置、台架等构成，测量原理见图4。利用外气源供给压缩空气，经调压阀获得不同的进气压力，供给放气阀压缩空气，作用于阀门膜片，测量放气阀阀门升程，获得放气阀开启压力-位移特性。气源增压压力p1变化范围为0.15～0.5 MPa，排气压力p2保持不变。

2.3 试验内容

高原模拟试验台通过控制进排气压力和环境温度来模拟不同的海拔环境[13]。验证研究试验在海拔0～4 000 m范围内，分别对0 m，1 000 m，2 000 m，3 000 m，4 000 m等5种海拔高度依次进行发动机外特性测试，获得发动机机功率、扭矩、油耗等动力性和经济性参数，以及增压器压力、温度、转速等相关参数。

本研究重点展示高原4 000 m和海拔0 m的测试分析结果，共3组试验，分别为放气阀开启特性试验(记为D-TC115)、TC118SX增压器配机试验(记为D-TC11SX)、TC115增压器配机试验(记为D-WG-OC)。

3 放气阀开启特性试验结果分析

冷态下，放气阀开启压力特性见图5a。测试时，先进行正向测量，即压力由100 kPa逐渐增加至500 kPa，之后进行反向测量，正向和反向进气压力值相等，以便于对比研究。由于测试是在常温下进行，放气阀的顶杆与板翅式冷却体之间存在一定的间隙，部分气体将会从间隙漏掉；同时，放气阀阀门未受到实际工作时的脉冲压力，因而冷态测量虽然能够反映放气阀的开启特性，但开启压力数值与集成在发动机之后的工况存在一定的偏差。

为了将放气阀开启压力特性与高原模拟试验时压后压力进行关联研究，对冷态下开启压力特性作如下处理：忽略冷态状态放气阀顶杆与板翅间隙漏气的影响；考虑放气阀膜片受力有效面积与阀门面积比值(4∶1)；考虑排气脉冲压力波动，根据排气压力波相关试验结果[14]取脉冲压力最高幅值为平均压力的1.2倍；考虑压气机压后压力与放气阀膜片压力引出位置存在的差异，膜片压力引出位置见图5c；根据压气机蜗壳周向压力测试结果[15]，取膜片引出压力为压气机压后压力的0.9倍。

由图5a可见，未考虑排气脉冲时放气阀膜片在260 kPa压力下开启。图5b示出根据试验结果预测所得考虑排气脉冲时膜片开启压力特性，平原状态下，膜片在200 kPa压力下开启。

图5c示出预测的平原状态下压气机压后压力开启特性曲线。压后压力222 kPa时，放气阀开启，阀门升程与压力提升近似成线性比例。阀门升程最高4.7 mm，此时压力达到265 kPa。

4 000 m高原状态时试验室排气系统压力降低38.4 kPa，放气阀膜片开启压力相比平原状态时将降低11.5 kPa；再考虑高原模拟试验测试是在大同90 kPa环境进行，膜片开启压力将降低10 kPa，因此4 000 m高原模拟膜片开启压力降为179.5 kPa。

在真实的高原环境中，膜片背面连接大气，4 000 m高原环境压力降低至61.6 kPa，与发动机进排气模拟系统相比膜片开启压力将进一步降低28.4 kPa，降至151 kPa。

图5 放气阀开启压力特性试验及预测结果

4 高原模拟试验结果分析

4.1 放气阀增压器与固定几何常规增压器配机结果对比

图6示出放气阀涡轮增压器TC115与某常规固定几何增压器TC93配机试验结果。对比分析可以看出放气阀涡轮增压器的特点：1)具有较高的扭矩储备系数，常规增压器平原状态下扭矩储备系数为1.2，放气阀涡轮增压器为1.45，增大20%。2)具有非线性压比-流量耗气特性曲线，在燃油消耗量近似线性增长的情况下，常规增压器匹配发动机，外特性所需压比随流量近似线性增长，而放气阀增压器在阀门开启之前与常规增压器相同，阀门打开之后趋于非线性变化，斜率逐渐降低至0，压气机压后压力基本保持不变。

图6 放气阀增压器与固定几何常规增压器配机结果对比

4.2 高原模拟试验结果分析

图7示出D-TC115，D-TC118SX高原模拟试验结果。综合分析可得出放气阀涡轮增压器高原工况下工作特性：平原状态下，发动机外特性压比-流量耗气曲线随转速升高由线性变化逐渐变为保持恒定压比，放气阀在发动机转速1 300～1 400 r/min外特性工况开启，开启时压气机压后压力在207～226 kPa之间，与放气阀开启特性试验所预测开启压力222 kPa基本吻合，偏差在7%以内。放气阀开启之后，随发动机转速升高压力基本保持在235 kPa(见图7)，阀门升高1 mm左右。高原4 000 m工况，压气机压后压力降低约60 kPa，压比-流量耗气特性曲线与平原相似，呈非线性。在高原环境下大气压力降低，空气密度下降，发动机进气量急需增加，压后压力急需提高，放气阀在最大扭矩点之后处于开启状态。放气阀在发动机转速1 300～1 400 r/min外特性工况开启，开启时压气机压后压力在160～172 kPa之间；由于排气脉冲作用，放气阀在1 200～1 400 r/min存在瞬时开启可能。与放气阀开启特性试验所预测开启压力179.5 kPa近似吻合。放气阀开启之后，随发动机转速升高压力保持178 kPa，在标定转速附近降至160 kPa。

图7 放气阀增压器D-TC115，D-TC118SX 高原模拟试验结果

与平原相比，配置放气阀涡轮增压器的发动机在高原工况下表现出如下性能特点：供油量有所降低，在发动机转速1 400 r/min以上有明显减少，最大减少8%；扭矩储备系数降低，海拔4 000 m工况，扭矩储备系数由1.45降至1.27，降低12.4%；增压器转速升高较多，高于常规固定几何增压器转速升高量，最高达20 000 r/min以上(常规增压器12 000 r/min，见图8)。

图8 常规固定几何增压器发动机 配机增压器转速特性

高压比增压器TC118SX在满足发动机高原环境适应性性能需求的情况下，可降低高原环境增压器工作转速，提高可靠性和耐久性。 与TC115增压器相比，平原状态下高压比增压器TC118SX工作转速降低10 000 r/min左右，高原4 000 m工作转速与TC115平原工作转速相当。

5 结论

a) 由冷态测量所获得的放气阀压力开启特性，在忽略冷态下放气阀顶杆与板翅间隙漏气的影响，考虑放气阀膜片受力有效面积与阀门面积比值，考虑排气脉冲压力波动，考虑压气机压后压力与放气阀膜片压力引出位置存在的差异等一系列因素后，经过推算获得了预测特性，与高原模拟试验结果具有较好的一致性；

b) 放气阀涡轮增压器具有较高的扭矩储备系数，可用于高原环境适应性动力改进，海拔4 000 m工况可获得1.27扭矩储备系数，与常规增压器平原扭矩储备系数相当；

c) 放气阀涡轮增压器在高原环境与平原工作状态近似，在最大扭矩点之后处于开启状态；与平原相比，高原4 000 m工况，压气机压后压力降低约60 kPa，压比-流量耗气特性曲线与平原相似，呈非线性；

d) 通过更换高压比压气机放气阀涡轮增压器，在保持原有配机性能近似不变的情况下，可有效解决高原增压器超速问题，可使增压器转速在平原状态下降低10 000 r/min左右，在高原4 000 m工况，工作转速与更换前平原工作转速相当。

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[编辑： 袁晓燕]

Application of Waste-gate Turbocharger in Plateau Environment Adaptability Improvement of Diesel Engine

LI Shuqi1, DENG Chunlong1, CHEN Gang2, ZHANG Zilei1,LIU Chang1, ZHANG Jizhong1, HU Lifeng1, JIA Xiaoliang3

(1. Science and Technology on Diesel Engine Turbocharging Laboratory,China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China;2. Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd., Yulin 537005, China;3. Military Representative Office of Armored Forces in No. 616 Factory, Datong 037036, China)

In the plateau environment simulation test rig for intake and exhaust system of diesel engine, the adaptability experimental investigation of newly developed waste-gate turbocharger was conducted. The results show that the predicted waste gate open characteristics based on measured data in standard state and considered factors including valve geometry and exhaust pressure wave have good consistency with the test results of engine plateau environment simulation with less than 7% deviation. Waste-gate turbocharger has a higher torque reserve coefficient and even in plateau environment. The coefficient is up to 1.27 at an altitude of 4 000 m and equivalent to that of general turbocharger at sea level, which is helpful to improve the engine power at plateau. The waste gate at plateau has the similar work state with that of sea level to provide more intake air and higher turbocharging pressure and remains open after the maximum torque points. The pressure at the exit of compressor decreases by 60 kPa at an altitude of 4 000 m. Through replacing the waste-gate turbocharger with a high pressure ratio compressor, turbocharger speed decreases by about 10 000 r/min and the overspeed problem in high altitude environment is solved effectively. The turbocharger operation speed at 4 000 m is the same as that at sea level before replacing.

waste gate; turbocharger; plateau environment; adaptability; diesel engine; high pressure ratio

2015-07-18；

2016-06-23

国家“973”项目(6132520303)，柴油机增压技术重点实验室基金项目(9140C330109150C33001)

李书奇(1981—)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向涡轮增压器设计与应用；lishuqi_0202101@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.010

TK423.5

B

1001-2222(2016)03-0052-06