渦輪增壓柴油機(jī)高原性能試驗(yàn)研究

姜澤浩，張付軍，董長(zhǎng)龍，商海昆，韓 愷

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081）

我國(guó)具有廣闊的高原和山地，而高原大氣條件與平原相比有顯著差別，隨著海拔的升高，大氣壓力下降，空氣密度降低。渦輪增壓柴油機(jī)在高原工作時(shí)，由于大氣條件的改變，進(jìn)氣量、燃燒、熱損失、機(jī)械效率、燃油消耗率、渦輪增壓器性能等都發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷狀況與平原地區(qū)不同，此時(shí)渦輪前燃?xì)鉁囟?、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、最高燃燒壓力、煙度、過(guò)量空氣系數(shù)及燃油消耗率等因素中的任何一個(gè)參數(shù)受高原環(huán)境影響均可能成為限制柴油機(jī)正常工作的障礙［1］。由于受內(nèi)燃機(jī)工業(yè)技術(shù)的制約及相關(guān)高原環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)的缺乏，大多數(shù)柴油機(jī)在論證、設(shè)計(jì)、研制和定型時(shí)未充分考慮高原環(huán)境適應(yīng)性，導(dǎo)致其不能滿足高原地區(qū)的使用要求［2］。因此，開(kāi)展增壓發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能的試驗(yàn)研究，分析海拔高度影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的機(jī)理，對(duì)改善汽車高原適應(yīng)性有重要的意義［3］。

本研究利用高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)，研究了渦輪增壓柴油機(jī)在0～4 500m不同模擬海拔高度下的渦輪增壓器特性和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，分析了海拔高度變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。

1 高原環(huán)境模擬試驗(yàn)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

高原環(huán)境模擬試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為BF6M1015CP水冷渦輪增壓柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 渦輪增壓柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

高原模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。試驗(yàn)臺(tái)主要由柴油機(jī)高原環(huán)境模擬系統(tǒng)、電渦流測(cè)功機(jī)、油耗儀、進(jìn)排氣壓力傳感器、溫度傳感器、空氣和冷卻水流量計(jì)等儀器設(shè)備組成。

1.3 重要參數(shù)的控制與采集

高原模擬試驗(yàn)室通過(guò)控制進(jìn)排氣壓力和環(huán)境溫度來(lái)模擬不同海拔高度的環(huán)境［4］。不同海拔下的模擬大氣環(huán)境見(jiàn)表2。

對(duì)比了不同呼吸器連接方式下的曲軸箱廢氣壓力。在模擬100kPa環(huán)境的平原試驗(yàn)中，曲軸箱呼吸器連通環(huán)境時(shí)（環(huán)境壓力90.6kPa），曲軸箱廢氣相對(duì)壓力約為0.4kPa，說(shuō)明廢氣壓力在合理范圍之內(nèi)；呼吸器連接至壓氣機(jī)前時(shí)，廢氣壓力為5～9kPa，證明廢氣壓力狀態(tài)與模擬環(huán)境接近。在不同模擬環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)中，曲軸箱采用閉式通風(fēng)，呼吸器保持與壓氣機(jī)前的管路連通，模擬了曲軸箱呼吸器在高原環(huán)境下的狀態(tài)。在低海拔條件下進(jìn)行高海拔模擬時(shí)出現(xiàn)的增壓器竄油問(wèn)題得到了解決。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

在0～4 500m海拔高度范圍內(nèi)，選擇了0，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500m 等7個(gè)不同海拔高度，對(duì)BF6M1015CP渦輪增壓柴油機(jī)原機(jī)進(jìn)行了820～2 100r／min的外特性試驗(yàn)和7種海拔高度 下 1 000，1 200，1 300，1 500，1 700，1 900，2 100r／min等7種轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高原供油策略分析

根據(jù)原機(jī)控制器高原、平原切換的要求，海拔2 000m以上高原平原切換開(kāi)關(guān)置于“高原狀態(tài)”。對(duì)比分析了原機(jī)、高原試驗(yàn)的齒桿位移，得到該發(fā)動(dòng)機(jī)采用的高原調(diào)整策略。排除試驗(yàn)中數(shù)據(jù)讀取和采集設(shè)備的誤差，并綜合了其他幾次試驗(yàn)結(jié)果，得到原機(jī)所采用的高原策略：高速區(qū)間（1 700r／min以上）齒桿值減2mm，中速區(qū)間內(nèi)（1 500～1 600r／min）齒桿值減1.5mm或1mm，低速區(qū)間（1 400r／min以下）不減油。對(duì)比分析了平原和高原試驗(yàn)的循環(huán)供油量（見(jiàn)圖2），可以看出為了提高車輛的加速性能以及對(duì)路面阻力的適應(yīng)能力，該發(fā)動(dòng)機(jī)在低速區(qū)沒(méi)有減油，一定程度上保證了高原低速功率和扭矩恢復(fù)。盡管在高速時(shí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有一定的補(bǔ)償高原功率損失的能力，但隨轉(zhuǎn)速、排溫和膨脹比的增大，易出現(xiàn)增壓器超溫和超速現(xiàn)象，故減油幅度增大［5］。

由圖2可知，原機(jī)所采用的高原供油策略比較簡(jiǎn)單，主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速段進(jìn)行了減油，并未兼顧喘振、渦輪超溫、渦輪超速等限制。由于該試驗(yàn)是對(duì)高原模擬環(huán)境下原機(jī)狀態(tài)進(jìn)行的摸底，并未對(duì)供油策略進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 高原增壓器喘振問(wèn)題及解決方法

在海拔2 500m模擬環(huán)境進(jìn)行外特性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到1 300r／min，中冷后溫度為50℃，增壓器并未出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，此時(shí)扭矩為1 936N·m。當(dāng)中冷后溫度到達(dá)67℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象。在進(jìn)行海拔2 500m模擬環(huán)境1 300r／min的負(fù)荷特性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷100%，中冷后溫度45℃，扭矩達(dá)到1 950N·m。中冷后溫度達(dá)到65℃左右時(shí)，出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象。而且由圖3可見(jiàn)，平原壓氣機(jī)低速喘振余量稍顯不足［6］。

壓氣機(jī)喘振有可能造成增壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件的損壞，為了避免在接下來(lái)的試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)喘振，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制。在高原特性試驗(yàn)中，實(shí)時(shí)監(jiān)控并分析壓氣機(jī)工作參數(shù)，包括空氣流量、進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力。試驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)預(yù)警，盡量避開(kāi)喘振點(diǎn)，采用慢加油門和控制中冷后溫度的措施，完成試驗(yàn)。

2.3 海拔高度對(duì)增壓柴油機(jī)動(dòng)力性的影響

隨著海拔的升高，氣壓和空氣密度降低，進(jìn)氣量減少、燃燒惡化等導(dǎo)致柴油機(jī)的功率和扭矩下降。由圖4可見(jiàn)，海拔高度升至4 500m，最大扭矩和標(biāo)定功率分別為1 733N·m和254.1kW，與平原相比，最大扭矩和標(biāo)定功率分別下降高達(dá)12.5%和23.1%。

海拔高度的變化對(duì)高速區(qū)的動(dòng)力性能影響較小，對(duì)低速區(qū)影響較大。由圖5可見(jiàn)，在低速區(qū)間，2 000m和2 500m模擬海拔環(huán)境下的功率和扭矩曲線與平原曲線接近重合。此現(xiàn)象主要?dú)w因于柴油機(jī)在海拔2 000m 以上的低速區(qū)間（1 400r／min以下）不減油的供油策略，使得該柴油機(jī)在低速段的功率恢復(fù)能力較強(qiáng)。海拔高度超過(guò)3 000m后，隨著海拔進(jìn)一步升高，空氣密度下降嚴(yán)重，燃燒惡化，每升高1 000m，功率和扭矩最大降幅為20.7%。在2 000m以上的中高速區(qū)，由于增壓比隨海拔高度的升高增加較快，使渦輪增壓器做功能力提高，起到了補(bǔ)償作用，海拔高度每升高1 000m，功率和扭矩最大的下降幅度為3.2%。

隨轉(zhuǎn)速增加，2 000～4 000m外特性最大扭矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速均為1 300r／min；外特性功率在高原環(huán)境下出現(xiàn)“升高—下降—升高”的趨勢(shì)。

圖6示出了不同海拔外特性的壓氣機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。其中4 500m，4 000m 和3 000m 只有1 300～2 100r／min之間的外特性測(cè)點(diǎn)，原因是轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振。海拔高度越高，在最大扭矩點(diǎn)處的喘振傾向也越明顯。隨著海拔高度的升高，壓氣機(jī)壓比升高。由于高原供油策略采用高速減油、低速不減油的措施，導(dǎo)致壓氣機(jī)運(yùn)行線出現(xiàn)了低速壓比高而高速壓比低的特征。此外4 500m時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了增壓器可靠工作的上限——106 000r／min。

2.4 海拔高度對(duì)增壓柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖7示出了不同海拔高度下的負(fù)荷特性曲線。隨負(fù)荷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低，排氣溫度升高。在低轉(zhuǎn)速時(shí)燃油消耗率和排氣溫度變化較大，燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)逐漸變窄；在高轉(zhuǎn)速時(shí)燃油消耗率和排氣溫度變化不大。這主要是因?yàn)闇u輪增壓器在高速時(shí)補(bǔ)償效果好，而在低速時(shí)工作能力不足［7］。

由圖8可見(jiàn)，渦輪增壓柴油機(jī)燃油消耗率隨海拔高度的升高而增加。海拔高度在2 000m以上，渦輪增壓柴油機(jī)燃油消耗率增加不明顯，海拔高度每升高1 000m，增加幅度在4%以下?？梢?jiàn)相比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪增壓柴油機(jī)高海拔經(jīng)濟(jì)性有一定的恢復(fù)和提高。其中，4 500m的高原環(huán)境下最低燃油消耗率為200.6g／（kW·h），對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為1 300r／min；最高排氣溫度為746℃，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn) 速 為2 100r／min，接 近 渦 輪 入 口 極 限 溫度750℃。

圖9示出了不同海拔高度下BF6M1015CP渦輪增壓柴油機(jī)外特性燃油消耗率曲線。由圖9可見(jiàn)，隨著海拔的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)域變窄。

3 結(jié)論

a）隨著海拔高度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性功率下降；與平原狀態(tài)相比，在海拔4 500m環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率為254.1kW，下降了23.1%，最大扭矩為1 733N·m，下降了12.5%；

b）隨著海拔高度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)最低燃油消耗率和渦輪入口溫度升高；與平原狀態(tài)相比，在海拔4 500m環(huán)境下，最低燃油消耗率為200.6g／（kW·h），最高排氣溫度為746℃，接近渦輪入口極限溫度750℃；

c）高原環(huán)境下易出現(xiàn)增壓器喘振的問(wèn)題；在海拔2 500m的外特性試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至1 300r／min，中冷后溫度為50℃，未出現(xiàn)喘振，此時(shí)扭矩值為1 936N·m；當(dāng)中冷后溫度上升至65℃左右時(shí)，增壓器出現(xiàn)喘振，而且隨著海拔的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振時(shí)的中冷后溫度有所降低，發(fā)生喘振的轉(zhuǎn)速區(qū)域有所增加；

d）由于平原狀態(tài)下壓氣機(jī)低速喘振余量不足，高海拔模擬環(huán)境下低速喘振問(wèn)題成了制約功率恢復(fù)的主要因素，而高海拔下增壓器超速和渦輪入口溫度超溫問(wèn)題，使得標(biāo)定功率的恢復(fù)能力下降。

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