董素榮，劉卓學，劉瑞林，劉澤坤，任?露

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高壓共軌柴油機高海拔增壓匹配的試驗研究

董素榮1，劉卓學2，劉瑞林1，劉澤坤3，任?露2

(1. 陸軍軍事交通學院軍用車輛工程系，天津 300161；2. 陸軍軍事交通學院研究生管理大隊，天津 300161； 3. 曼徹斯特大學材料學院，曼徹斯特M13 9PL，英國)

基于柴油機高海拔模擬試驗系統(tǒng)，對高壓共軌柴油機不同海拔動力性和經濟性、壓氣機特性、壓氣機與柴油機聯(lián)合運行線進行了研究．結果表明：隨著海拔的升高，渦輪膨脹比及膨脹功均降低，壓氣機壓比及效率逐漸下降，增壓遲滯更加明顯；廢氣放氣閥開啟時刻對應的柴油機轉速升高，柴油機動力性及經濟性下降．相同海拔下，壓氣機壓比及效率在柴油機中低轉速下隨轉速增加較快，在高轉速時變化趨于平緩．此外，在海拔0～5500m，壓氣機與柴油機匹配良好，柴油機最大轉矩工況點均位于壓氣機最高效率區(qū)．

高壓共軌柴油機；高海拔；離心壓氣機；匹配特性

我國海拔超過1000m的高原面積約有358×104km2，約占國土面積的37%．高海拔地區(qū)大氣壓力低、空氣密度低，柴油機在高海拔地區(qū)工作時，進氣質量減少、空燃比降低、燃燒不充分，動力性和經濟性下降，碳煙排放增加，熱負荷增大，增壓器出現(xiàn)超溫、超速及喘振等問題[1-4]，導致以柴油機為動力的車輛、農業(yè)機械、工程機械等機械設備高原運輸效率和作業(yè)能力顯著降低．因此，開展柴油機高海拔環(huán)境適應性研究對促進高海拔地區(qū)經濟社會發(fā)展和國防建設具有重要意義．

目前，針對柴油機在高原地區(qū)運行時性能下降的問題，主要開展了高原增壓匹配、供油系統(tǒng)調整、富氧進氣、含氧替代燃料等研究工作[5-9]．研究表明，采用供油系統(tǒng)調整技術僅能在3000m以下實現(xiàn)柴油機的功率恢復；采用二級可調增壓技術，雖然可以實現(xiàn)5000m以上柴油機功率恢復，但結構復雜、體積龐大，在車用柴油機上安裝非常困難；采用富氧進氣可以改善柴油機高原燃燒狀況，但目前膜法制氧技術還不成熟，應用受到限制；采用替代燃料改善柴油機不同海拔燃燒和性能的研究還需進一步深化．因此，廢氣渦輪增壓技術仍是改善柴油機高海拔性能的重要手段之一，而渦輪增壓器與柴油機的高原匹配是研究的重點和難點．故筆者利用內燃機性能高原模擬試驗系統(tǒng)，對匹配了某型渦輪增壓器的共軌柴油機進行高海拔模擬試驗，研究不同海拔條件下渦輪增壓器與共軌柴油機聯(lián)合運行時的增壓器性能、柴油機性能及增壓器與柴油機匹配特性，為增壓柴油機高原性能提升研究提供依據(jù)．

1?試驗系統(tǒng)與試驗方法

1.1?試驗系統(tǒng)

柴油機性能高原環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)見圖1．該系統(tǒng)采用進氣節(jié)流、排氣抽真空的方式實現(xiàn)高壓共軌柴油機海拔(0～6000m)大氣環(huán)境的模擬與控制．

試驗用柴油機為某型號高壓共軌柴油機，主要技術參數(shù)如表1所示．柴油機匹配帶廢氣放氣閥的渦輪增壓器，具體參數(shù)如表2所示．

1.2?試驗方法

開啟柴油機進、排氣壓力模擬系統(tǒng)，調節(jié)進排氣壓力，進行不同工況高海拔模擬試驗．

增壓器轉速不大于120000r/min，排溫不大于720℃，最高燃燒壓力小于或等于16MPa．

試驗模擬海拔高度為0m、2500m、3500m、4500m和5500m．

圖1?柴油機高原性能模擬試驗系統(tǒng)

表1?試驗用發(fā)動機參數(shù)

Tab.1?Parameters of test engine

表2?HX40增壓器的基本參數(shù)

Tab.2?Basic parameters of HX40 turbocharger

2?試驗結果與分析

2.1?不同海拔共軌柴油機壓氣機特性

2.1.1?不同海拔柴油機全負荷工況壓氣機特性

圖2為不同海拔柴油機全負荷工況壓氣機轉速、耗功、絕熱效率變化曲線．由圖2可知，隨著海拔的升高，壓氣機轉速、絕熱效率在柴油機中低速工況下降幅度較大，而在柴油機中高速工況變化較為平緩．壓氣機轉速接近較大值時對應的柴油機轉速隨海拔的升高逐漸增大，尤其是在海拔5500m，壓氣機轉速在柴油機1800r/min時才達到較大值，出現(xiàn)了明顯的滯后現(xiàn)象．

圖2 海拔高度對壓氣機轉速、耗功、絕熱效率的影響

壓氣機耗功與同軸相連的渦輪機做功能力密切相關．如圖3所示，隨著柴油機轉速的升高，渦輪膨脹比和膨脹功均增加，但隨著海拔的升高，渦輪膨脹比和膨脹功均降低，尤其是在最大轉矩轉速(1400～1500r/min)范圍內下降更加明顯，導致渦輪增壓器嚴重滯后．

圖3?海拔高度對渦輪膨脹比、膨脹功的影響

圖4為不同海拔柴油機全負荷工況壓比變化曲線．由平原壓比曲線可以看出，渦輪放氣閥在柴油機最大轉矩轉速(1500r/min)時開始打開，使壓氣機壓比在1400～2100r/min轉速范圍內變化較?。浑S著海拔的升高，中低轉速下壓比下降，尤其是海拔5500m時壓比下降更大，增壓器滯后更加嚴重，導致柴油機中低速下性能下降顯著；渦輪放氣閥打開時機隨著海拔的升高向高轉速移動，如海拔由0m升高到5500m時，渦輪放氣閥打開時機對應的柴油機轉速由1500r/min升高到1800r/min．此外，海拔3500m以下，中高轉速壓比迅速增大且達到較大值，說明海拔3500m以下，增壓器壓氣機補氣能力較強，增壓共軌柴油機中高轉速動力性能下降較小，功率得到一定恢復．

圖4?海拔高度對柴油機全負荷工況壓比的影響

2.1.2?不同海拔柴油機部分負荷工況壓氣機特性

圖5為不同海拔柴油機部分負荷工況壓氣機轉速、壓氣機耗功、絕熱效率曲線．由圖5可知，不同海拔、不同柴油機轉速下，壓氣機轉速及耗功均隨柴油機負荷的增加而增大，且中高轉速下壓氣機轉速和耗功變化更加明顯．這是因為低轉速下雖然負荷增加，噴油量增加，但是進氣量有限，尤其是在高海拔下，進氣壓力較低，燃油并沒有得到充分的燃燒，使得排氣能量變化有限，導致壓氣機轉速及耗功變化較?。０?500m時，柴油機在1000r/min轉速下負荷每升高20%，壓氣機轉速升高15.0%，耗功增加13.5%，而在2100r/min下，壓氣機轉速升高27.4%，耗功則增加123.0%．

圖6為不同海拔柴油機部分負荷工況壓比變化曲線．由圖可知，各海拔下壓氣機壓比均隨著負荷的增加而增大，這是由于負荷的增加使得柴油機排氣能量增加，增壓器做功能力隨之增強，最終導致壓比的升高；同時，中低轉速下壓比隨負荷的變化要小于高轉速下壓比隨負荷的變化，這一規(guī)律與圖5中壓氣機性能隨負荷變化的規(guī)律一致，這也證實了壓氣機耗功及效率是影響壓比的關鍵因素．其中，海拔5500m時，柴油機在1000r/min轉速下負荷每升高20%，壓氣機壓比升高1.4%，而2100r/min下，壓比則增加29.8%．

2.2?不同海拔共軌柴油機動力性和經濟性

圖7為不同海拔時共軌柴油機全負荷工況的進氣量、空燃比變化曲線．由此可知，進氣流量和空燃比均隨海拔的增高而降低；相同海拔時，柴油機進氣流量和空燃比均隨轉速的增加而增加．柴油機轉速2100r/min時，海拔由2500m升至5500m時，每升高1000m，壓氣機進氣流量降低12.0%，空燃比降低7.1%，海拔5500m時進氣流量和空燃比分別為平原的52.2%和71.8%．

圖5 海拔高度對柴油機部分負荷工況壓氣機性能的?影響

圖8為不同海拔柴油機轉矩及燃油消耗率的變化曲線．柴油機轉矩隨海拔的增高而降低，且最大轉矩對應的轉速向高轉速移動．如海拔0～3500m范圍內，最大轉矩對應轉速為1400r/min，而海拔5500m時對應轉速為1800r/min．海拔5500m、柴油機轉速800r/min時轉矩僅為平原的31.5%，柴油機轉速2100r/min時轉矩為平原的64.4%．同時，隨著海拔的升高，燃油消耗率逐漸上升，經濟性變差.其中，在海拔5500m處，柴油機轉速為800r/min時燃油消耗率為平原的167.3%，轉速為2100r/min時燃油消耗率為平原的112.9%.

圖6?海拔高度對柴油機部分負荷工況壓比的影響

圖7?海拔高度對柴油機全負荷工況進氣量、空燃比的影響

圖8 海拔高度對柴油機全負荷工況轉矩及燃油消耗率的影響

圖9 海拔高度對柴油機部分負荷工況進氣量和空燃比的影響

圖9為不同海拔時柴油機部分負荷工況進氣流量、空燃比的變化曲線．由圖可知，隨著負荷的增加，不同海拔下柴油機進氣量均呈現(xiàn)增加的趨勢，而空燃比則逐漸下降．這是由于負荷的增加雖然會提高缸內進氣量，但同時也增加了噴油量，在低轉速下，缸內進氣量較少，因此共同作用下空燃比下降趨勢較為顯著；而中高轉速下，由于進氣量的大幅增加，使得空燃比變化相對平緩，其中在5500m海拔處時，柴油機在1000r/min轉速下負荷每升高20%空燃比下降達58.5%，而轉速為2100r/min時，空燃比下降約15.3%．

圖10?海拔高度對柴油機部分負荷特性的影響

圖10為不同海拔處柴油機部分負荷特性曲線.如圖所示，隨著負荷的增加，不同海拔下柴油機轉矩1000r/min時，負荷每提高20%，轉矩增加71.1%，而均呈現(xiàn)升高的趨勢，5500m海拔下，柴油機轉速為2100r/min時，轉矩增加117.5%．在高海拔、低轉速工況，燃油消耗率隨負荷增加呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，而在高轉速工況，燃油消耗率則呈現(xiàn)出隨負荷增加而降低的變化規(guī)律，且在大負荷狀態(tài)下，變化趨于平緩．這是由于在高海拔條件下，柴油機在低轉速大負荷工況時，增壓器滯后嚴重，空燃比降低明顯(見圖9(a))，燃燒惡化，功率降低，導致燃油消耗率增加，經濟性變差．

2.3?柴油機與壓氣機高海拔匹配特性

圖11是不同海拔處全負荷工況柴油機與壓氣機聯(lián)合運行線．從圖中可知，從平原至海拔5500m，共軌柴油機與壓氣機在中、高轉速下匹配效果較好，柴油機最大轉矩工況均在壓氣機最高效率區(qū)內運行，且各工況點均未穿過喘振線和阻塞線，壓氣機也并未出現(xiàn)超速狀況，總體運行狀況良好．圖12是在不同海拔處部分負荷工況時柴油機與壓氣機聯(lián)合運行線.由圖可知，在柴油機低轉速時壓氣機效率較低，特別在高海拔條件下與柴油機匹配效果較差，而中高轉速時壓氣機效率隨負荷的增加逐漸增加，在大負荷時達到高效率區(qū)，且未接近喘振線及阻塞線，與柴油機匹配效果較好．

圖11 不同海拔全負荷工況柴油機與壓氣機聯(lián)合運行線

圖12 不同海拔處部分負荷工況柴油機與壓氣機聯(lián)合運行線

隨著海拔高度的增加，雷諾數(shù)不斷減小，氣體黏性阻力影響增大．不同海拔處HX40壓氣機雷諾數(shù)變化曲線如圖13所示，隨著海拔高度的增加，壓氣機進氣雷諾數(shù)下降，當海拔高度達到3000m時，HX40型增壓器壓氣機雷諾數(shù)小于1.5×105，進入自模區(qū)．

圖13?離心壓氣機雷諾數(shù)隨海拔的變化曲線

圖14為根據(jù)文獻[10-11]計算得到的該增壓器海拔3500m和5500m時修正后的壓氣機特性曲線以及與柴油機的聯(lián)合運行線．由此可見，隨著海拔升高，特性曲線逐漸向小流量方向移動，且流量范圍逐漸變窄，高效率區(qū)范圍變?。捎眯拚龎簹鈾C特性所得到的柴油機與壓氣機的匹配狀況與圖11基本相符合，各工況點均處于同一效率區(qū)之中，柴油機與壓氣機在中、高轉速下匹配效果較好．

圖14 不同海拔壓氣機特性修正后與柴油機聯(lián)合運行線

3?結?論

(1) 隨著海拔的升高，壓氣機轉速、絕熱效率、壓比在柴油機中、低速工況下降幅度較大，而在中高速工況變化較為平緩，且接近較大值時對應的轉速隨海拔的升高逐漸增大，滯后現(xiàn)象逐漸明顯．渦輪放氣閥開啟時對應的轉速隨海拔的升高而增大．

(2) 柴油機動力性和經濟性隨海拔的增加而下降，且最大轉矩對應轉速向高轉速移動．海拔5500m，2100r/min時轉矩下降為平原的64.4%，燃油消耗率增加至平原的112.9%；海拔由0m升高到5500m，最大轉矩對應的轉速由1400r/min增大到1800r/min．

(3) 柴油機與壓氣機聯(lián)合運行線表明，各海拔下柴油機最大轉矩點在壓氣機最高效率區(qū)范圍內運行，且各工況點均未穿過喘振線和阻塞線，壓氣機也未出現(xiàn)超速狀況，總體運行狀況良好．

［1］ 劉瑞林. 柴油機高原環(huán)境適應性研究[M]. 北京：北京理工大學出版社，2013.

Liu Ruilin.[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2013(in Chinese).

［2］ He C，Ge Y，Ma C，et al. Emission characteristics of a heavy-duty diesel engine at simulated high altitudes[J].，2011，409(7)：3138-3143.

［3］ 董素榮，劉瑞林，周廣猛，等. 共軌柴油機高海拔碳煙形成歷程的數(shù)值模擬[J]. 燃燒科學與技術，2013，19(5)：388-394.

Dong Surong，Liu Ruilin，Zhou Guangmeng，et al. Numerical simulation of soot formation histories for common rail diesel engine at high altitude[J].，2013，19(5)：388-394(in Chinese).

［4］ 張?韋，吳?偉，朱?明，等. 高原環(huán)境下EGR中各組分對柴油機性能的影響[J]. 燃燒科學與技術，2015，21(3)：209-216.

Zhang Wei，Wu Wei，Zhu Ming，et al. Effects of different components of EGR on performance of diesel under high altitude conditions[J].，2015，21(3)：209-216(in Chinese).

［5］ 董素榮，劉瑞林，劉?剛，等. 渦輪增壓與柴油機高海拔匹配試驗[J]. 軍事交通學院學報，2014，16(1)：42-46.

Dong Surong，Liu Ruilin，Liu Gang，et al. Matching experimental of turbocharger with diesel engine at high altitude[J].，2014，16(1)：42-46(in Chinese).

［6］ 畢玉華，劉?偉，申立中，等. 不同海拔下EGR對含氧燃料柴油機性能影響的試驗研究[J]. 內燃機工程，2015，36(2)：150-156.

Bi Yuhua，Liu Wei，Shen Lizhong，et al. Experimental investigation on effect of EGR on the performance of a diesel engine fueled with oxygenated fuel at different altitudes[J].，2015，36(2)：150-156(in Chinese).

［7］ 徐華平，石巖峰，張?旭，等. 某高原增壓柴油機噴油提前角優(yōu)化及性能研究[J]. 內燃機工程，2015，36(6)：118-123.

Xu Huaping，Shi Yanfeng，Zhang Xu，et al. Optimization of injection advance angle and performance research of turbocharged diesel engine at high altitude[J].，2015，36(6)：118-123(in Chinese).

［8］ 董素榮，劉瑞琳，羅?彬，等. 利用富氧裝置改善柴油機高海拔性能的試驗研究[J]. 汽車技術，2015(5)：58-62.

Dong Surong，Liu Ruilin，Luo Bin，et al. An experimental study of enhancing the high altitude performance of turbocharged diesel engine with oxygen enriched device[J].，2015(5)：58-62(in Chinese).

［9］ 徐?哲，倪計民. 渦輪增壓器與柴油機高原配合特性估算與應用[J]. 柴油機設計與制造，2014(3)：7-13.

Xu Zhe，Ni Jimin. Estimation and application of turbocharger characteristics with diesel engine at plateau regions[J].，2014(3)：7-13(in Chinese).

［10］ 蔣德明. 內燃機的渦輪增壓[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1986.

Jiang Deming.[M]. Beijing：China Machine Press，1986(in Chinese).

［11］ 徐?斌，薄?東，堯?輝. 高原發(fā)動機渦輪增壓的效率修正計算[J]. 車用發(fā)動機，2009(6)：7-10.

Xu Bin，Bo Dong，Yao Hui. Correction computation of efficiency of turbocharged diesel engine at high altitude [J].，2009(6)：7-10(in Chinese).

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．

董素榮（1967— ），女，博士，教授.

董素榮，dongsr@126.com.