高压共轨柴油机高海拔增压匹配的试验研究

董素荣，刘卓学，刘瑞林，刘泽坤，任 露



高压共轨柴油机高海拔增压匹配的试验研究

董素荣1，刘卓学2，刘瑞林1，刘泽坤3，任 露2

(1. 陆军军事交通学院军用车辆工程系，天津 300161；2. 陆军军事交通学院研究生管理大队，天津 300161； 3. 曼彻斯特大学材料学院，曼彻斯特M13 9PL，英国)

基于柴油机高海拔模拟试验系统，对高压共轨柴油机不同海拔动力性和经济性、压气机特性、压气机与柴油机联合运行线进行了研究．结果表明：随着海拔的升高，涡轮膨胀比及膨胀功均降低，压气机压比及效率逐渐下降，增压迟滞更加明显；废气放气阀开启时刻对应的柴油机转速升高，柴油机动力性及经济性下降．相同海拔下，压气机压比及效率在柴油机中低转速下随转速增加较快，在高转速时变化趋于平缓．此外，在海拔0～5500m，压气机与柴油机匹配良好，柴油机最大转矩工况点均位于压气机最高效率区．

高压共轨柴油机；高海拔；离心压气机；匹配特性

我国海拔超过1000m的高原面积约有358×104km2，约占国土面积的37%．高海拔地区大气压力低、空气密度低，柴油机在高海拔地区工作时，进气质量减少、空燃比降低、燃烧不充分，动力性和经济性下降，碳烟排放增加，热负荷增大，增压器出现超温、超速及喘振等问题[1-4]，导致以柴油机为动力的车辆、农业机械、工程机械等机械设备高原运输效率和作业能力显著降低．因此，开展柴油机高海拔环境适应性研究对促进高海拔地区经济社会发展和国防建设具有重要意义．

目前，针对柴油机在高原地区运行时性能下降的问题，主要开展了高原增压匹配、供油系统调整、富氧进气、含氧替代燃料等研究工作[5-9]．研究表明，采用供油系统调整技术仅能在3000m以下实现柴油机的功率恢复；采用二级可调增压技术，虽然可以实现5000m以上柴油机功率恢复，但结构复杂、体积庞大，在车用柴油机上安装非常困难；采用富氧进气可以改善柴油机高原燃烧状况，但目前膜法制氧技术还不成熟，应用受到限制；采用替代燃料改善柴油机不同海拔燃烧和性能的研究还需进一步深化．因此，废气涡轮增压技术仍是改善柴油机高海拔性能的重要手段之一，而涡轮增压器与柴油机的高原匹配是研究的重点和难点．故笔者利用内燃机性能高原模拟试验系统，对匹配了某型涡轮增压器的共轨柴油机进行高海拔模拟试验，研究不同海拔条件下涡轮增压器与共轨柴油机联合运行时的增压器性能、柴油机性能及增压器与柴油机匹配特性，为增压柴油机高原性能提升研究提供依据．

1 试验系统与试验方法

1.1 试验系统

柴油机性能高原环境模拟试验系统见图1．该系统采用进气节流、排气抽真空的方式实现高压共轨柴油机海拔(0～6000m)大气环境的模拟与控制．

试验用柴油机为某型号高压共轨柴油机，主要技术参数如表1所示．柴油机匹配带废气放气阀的涡轮增压器，具体参数如表2所示．

1.2 试验方法

开启柴油机进、排气压力模拟系统，调节进排气压力，进行不同工况高海拔模拟试验．

增压器转速不大于120000r/min，排温不大于720℃，最高燃烧压力小于或等于16MPa．

试验模拟海拔高度为0m、2500m、3500m、4500m和5500m．

图1 柴油机高原性能模拟试验系统

表1 试验用发动机参数

Tab.1 Parameters of test engine

表2 HX40增压器的基本参数

Tab.2 Basic parameters of HX40 turbocharger

2 试验结果与分析

2.1 不同海拔共轨柴油机压气机特性

2.1.1 不同海拔柴油机全负荷工况压气机特性

图2为不同海拔柴油机全负荷工况压气机转速、耗功、绝热效率变化曲线．由图2可知，随着海拔的升高，压气机转速、绝热效率在柴油机中低速工况下降幅度较大，而在柴油机中高速工况变化较为平缓．压气机转速接近较大值时对应的柴油机转速随海拔的升高逐渐增大，尤其是在海拔5500m，压气机转速在柴油机1800r/min时才达到较大值，出现了明显的滞后现象．

图2 海拔高度对压气机转速、耗功、绝热效率的影响

压气机耗功与同轴相连的涡轮机做功能力密切相关．如图3所示，随着柴油机转速的升高，涡轮膨胀比和膨胀功均增加，但随着海拔的升高，涡轮膨胀比和膨胀功均降低，尤其是在最大转矩转速(1400～1500r/min)范围内下降更加明显，导致涡轮增压器严重滞后．

图3 海拔高度对涡轮膨胀比、膨胀功的影响

图4为不同海拔柴油机全负荷工况压比变化曲线．由平原压比曲线可以看出，涡轮放气阀在柴油机最大转矩转速(1500r/min)时开始打开，使压气机压比在1400～2100r/min转速范围内变化较小；随着海拔的升高，中低转速下压比下降，尤其是海拔5500m时压比下降更大，增压器滞后更加严重，导致柴油机中低速下性能下降显著；涡轮放气阀打开时机随着海拔的升高向高转速移动，如海拔由0m升高到5500m时，涡轮放气阀打开时机对应的柴油机转速由1500r/min升高到1800r/min．此外，海拔3500m以下，中高转速压比迅速增大且达到较大值，说明海拔3500m以下，增压器压气机补气能力较强，增压共轨柴油机中高转速动力性能下降较小，功率得到一定恢复．

图4 海拔高度对柴油机全负荷工况压比的影响

2.1.2 不同海拔柴油机部分负荷工况压气机特性

图5为不同海拔柴油机部分负荷工况压气机转速、压气机耗功、绝热效率曲线．由图5可知，不同海拔、不同柴油机转速下，压气机转速及耗功均随柴油机负荷的增加而增大，且中高转速下压气机转速和耗功变化更加明显．这是因为低转速下虽然负荷增加，喷油量增加，但是进气量有限，尤其是在高海拔下，进气压力较低，燃油并没有得到充分的燃烧，使得排气能量变化有限，导致压气机转速及耗功变化较小．海拔5500m时，柴油机在1000r/min转速下负荷每升高20%，压气机转速升高15.0%，耗功增加13.5%，而在2100r/min下，压气机转速升高27.4%，耗功则增加123.0%．

图6为不同海拔柴油机部分负荷工况压比变化曲线．由图可知，各海拔下压气机压比均随着负荷的增加而增大，这是由于负荷的增加使得柴油机排气能量增加，增压器做功能力随之增强，最终导致压比的升高；同时，中低转速下压比随负荷的变化要小于高转速下压比随负荷的变化，这一规律与图5中压气机性能随负荷变化的规律一致，这也证实了压气机耗功及效率是影响压比的关键因素．其中，海拔5500m时，柴油机在1000r/min转速下负荷每升高20%，压气机压比升高1.4%，而2100r/min下，压比则增加29.8%．

2.2 不同海拔共轨柴油机动力性和经济性

图7为不同海拔时共轨柴油机全负荷工况的进气量、空燃比变化曲线．由此可知，进气流量和空燃比均随海拔的增高而降低；相同海拔时，柴油机进气流量和空燃比均随转速的增加而增加．柴油机转速2100r/min时，海拔由2500m升至5500m时，每升高1000m，压气机进气流量降低12.0%，空燃比降低7.1%，海拔5500m时进气流量和空燃比分别为平原的52.2%和71.8%．

图5 海拔高度对柴油机部分负荷工况压气机性能的 影响

图8为不同海拔柴油机转矩及燃油消耗率的变化曲线．柴油机转矩随海拔的增高而降低，且最大转矩对应的转速向高转速移动．如海拔0～3500m范围内，最大转矩对应转速为1400r/min，而海拔5500m时对应转速为1800r/min．海拔5500m、柴油机转速800r/min时转矩仅为平原的31.5%，柴油机转速2100r/min时转矩为平原的64.4%．同时，随着海拔的升高，燃油消耗率逐渐上升，经济性变差.其中，在海拔5500m处，柴油机转速为800r/min时燃油消耗率为平原的167.3%，转速为2100r/min时燃油消耗率为平原的112.9%.

图6 海拔高度对柴油机部分负荷工况压比的影响

图7 海拔高度对柴油机全负荷工况进气量、空燃比的影响

图8 海拔高度对柴油机全负荷工况转矩及燃油消耗率的影响

图9 海拔高度对柴油机部分负荷工况进气量和空燃比的影响

图9为不同海拔时柴油机部分负荷工况进气流量、空燃比的变化曲线．由图可知，随着负荷的增加，不同海拔下柴油机进气量均呈现增加的趋势，而空燃比则逐渐下降．这是由于负荷的增加虽然会提高缸内进气量，但同时也增加了喷油量，在低转速下，缸内进气量较少，因此共同作用下空燃比下降趋势较为显著；而中高转速下，由于进气量的大幅增加，使得空燃比变化相对平缓，其中在5500m海拔处时，柴油机在1000r/min转速下负荷每升高20%空燃比下降达58.5%，而转速为2100r/min时，空燃比下降约15.3%．

图10 海拔高度对柴油机部分负荷特性的影响

图10为不同海拔处柴油机部分负荷特性曲线.如图所示，随着负荷的增加，不同海拔下柴油机转矩1000r/min时，负荷每提高20%，转矩增加71.1%，而均呈现升高的趋势，5500m海拔下，柴油机转速为2100r/min时，转矩增加117.5%．在高海拔、低转速工况，燃油消耗率随负荷增加呈现先降低再升高的趋势，而在高转速工况，燃油消耗率则呈现出随负荷增加而降低的变化规律，且在大负荷状态下，变化趋于平缓．这是由于在高海拔条件下，柴油机在低转速大负荷工况时，增压器滞后严重，空燃比降低明显(见图9(a))，燃烧恶化，功率降低，导致燃油消耗率增加，经济性变差．

2.3 柴油机与压气机高海拔匹配特性

图11是不同海拔处全负荷工况柴油机与压气机联合运行线．从图中可知，从平原至海拔5500m，共轨柴油机与压气机在中、高转速下匹配效果较好，柴油机最大转矩工况均在压气机最高效率区内运行，且各工况点均未穿过喘振线和阻塞线，压气机也并未出现超速状况，总体运行状况良好．图12是在不同海拔处部分负荷工况时柴油机与压气机联合运行线.由图可知，在柴油机低转速时压气机效率较低，特别在高海拔条件下与柴油机匹配效果较差，而中高转速时压气机效率随负荷的增加逐渐增加，在大负荷时达到高效率区，且未接近喘振线及阻塞线，与柴油机匹配效果较好．

图11 不同海拔全负荷工况柴油机与压气机联合运行线

图12 不同海拔处部分负荷工况柴油机与压气机联合运行线

随着海拔高度的增加，雷诺数不断减小，气体黏性阻力影响增大．不同海拔处HX40压气机雷诺数变化曲线如图13所示，随着海拔高度的增加，压气机进气雷诺数下降，当海拔高度达到3000m时，HX40型增压器压气机雷诺数小于1.5×105，进入自模区．

图13 离心压气机雷诺数随海拔的变化曲线

图14为根据文献[10-11]计算得到的该增压器海拔3500m和5500m时修正后的压气机特性曲线以及与柴油机的联合运行线．由此可见，随着海拔升高，特性曲线逐渐向小流量方向移动，且流量范围逐渐变窄，高效率区范围变小．采用修正压气机特性所得到的柴油机与压气机的匹配状况与图11基本相符合，各工况点均处于同一效率区之中，柴油机与压气机在中、高转速下匹配效果较好．

图14 不同海拔压气机特性修正后与柴油机联合运行线

3 结 论

(1) 随着海拔的升高，压气机转速、绝热效率、压比在柴油机中、低速工况下降幅度较大，而在中高速工况变化较为平缓，且接近较大值时对应的转速随海拔的升高逐渐增大，滞后现象逐渐明显．涡轮放气阀开启时对应的转速随海拔的升高而增大．

(2) 柴油机动力性和经济性随海拔的增加而下降，且最大转矩对应转速向高转速移动．海拔5500m，2100r/min时转矩下降为平原的64.4%，燃油消耗率增加至平原的112.9%；海拔由0m升高到5500m，最大转矩对应的转速由1400r/min增大到1800r/min．

(3) 柴油机与压气机联合运行线表明，各海拔下柴油机最大转矩点在压气机最高效率区范围内运行，且各工况点均未穿过喘振线和阻塞线，压气机也未出现超速状况，总体运行状况良好．

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Experimental Study of Turbocharge Matching in High-pressure Common-rail Diesel Engine at High Altitude

Dong Surong1，Liu Zhuoxue2，Liu Ruilin1，Liu Zekun3，Ren Lu2

(1. Military Vehicle Engineering Department，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China； 2. Postgraduate Training Brigade，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China； 3. School of Material，University of Manchester，Manchester M13 9PL，UK)

On a high-altitude performance simulation test system for diesel engines，we investigated the power and economy characteristics，compressor characteristics，and joint operation line of a compressor and a high-pressure common-rail diesel engine at differentaltitudes. The results show thatas thealtitude increased，both the turboexpansion ratio and expansion work decreased.The compressorpressure ratio and efficiencywere gradually reducedand booster retardation was more obvious. The diesel engine speed corresponding to the timing of the opening of the exhaust-gas vent valve increased，and the diesel engine power and economy declined at high altitude. At the same altitude，the compressor pressure ratio and efficiency increased rapidly with increases in engine speed in the medium and low ranges.This change tended to be gentle at high speeds.In addition，at altitudes of 0 to 5500m，the compressor and diesel engine were well matched，and the maximum torque operating point of the diesel engine was located in the highest efficiency zone of the compressor.

high-pressure common-rail diesel engine；high altitude；centrifugal compressor；matching characteristic

TK421

A

1006-8740(2019)01-0024-07

10.11715/rskxjs.R201805011

2018-05-09．

董素荣（1967— ），女，博士，教授.

董素荣，dongsr@126.com.