高壓比增壓器高原適應(yīng)性改進(jìn)配機(jī)試驗(yàn)研究*

李書奇　程江華　莊　麗　侯琳琳　劉　暢　張子磊（中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300400）

高壓比增壓器高原適應(yīng)性改進(jìn)配機(jī)試驗(yàn)研究*

李書奇程江華莊麗侯琳琳劉暢張子磊
（中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300400）

利用進(jìn)排氣系統(tǒng)高原狀態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)架，針對(duì)所研制的增壓比為4.4的高壓比增壓器開展高原適應(yīng)性改進(jìn)配機(jī)試驗(yàn)研究。對(duì)原型增壓器，減小渦輪箱，更換高壓比壓氣機(jī)共3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

高壓比增壓器高原環(huán)境適應(yīng)性柴油機(jī)

引言

渦輪增壓器由壓氣機(jī)、渦輪、軸承系統(tǒng)組成，通過利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪，帶動(dòng)壓氣機(jī)，增加進(jìn)氣密度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。渦輪增壓技術(shù)是柴油機(jī)發(fā)展的里程牌，是提高功率，減小排量，節(jié)能減排的關(guān)鍵。柴油機(jī)在高原環(huán)境下工作，進(jìn)氣充量減小，致使燃燒惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，增壓器轉(zhuǎn)速升高，壓比升高，出現(xiàn)高速/超速、超溫，甚至低速喘振問題［1］。因此，近年來，針對(duì)我國特殊高原環(huán)境的增壓技術(shù)成為柴油機(jī)動(dòng)力發(fā)展的關(guān)鍵和研究熱點(diǎn)［2］。

與國外不同，我國的高原環(huán)境具有海拔高（海拔3 000 m以上占陸地面積26%［3］），面積廣，跨度大的特點(diǎn)，國外研究的重點(diǎn)主要集中在低海拔范圍內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)大氣修正和高原排放方面［4-5］。低海拔時(shí)，由于柴油機(jī)增壓器的補(bǔ)償作用，柴油機(jī)性能下降較少，這也是部分進(jìn)口柴油機(jī)在海拔3 000 m以上出現(xiàn)性能惡化的主要原因。當(dāng)前，兼顧4 000 m以上的高原適應(yīng)性問題成為研究重點(diǎn)［6］。

前期研究表明，高壓比渦輪增壓技術(shù)是解決柴油機(jī)高原超速的有效途徑之一，國內(nèi)研究學(xué)者曾得出相同的結(jié)論［7］。本研究主要利用進(jìn)排氣系統(tǒng)高原模擬試驗(yàn)臺(tái)架，針對(duì)所研制的高壓比增壓器，開展配機(jī)試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證高壓比增壓器高原環(huán)境下配機(jī)情況，并確定下一步改進(jìn)方向和目標(biāo)。

1　高壓比增壓器

與傳統(tǒng)高增壓比（壓比為3.5以上［8］）增壓器不同，文中所指高壓比增壓器是指在相同的葉輪出口線速度情況下，通過采用特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到增壓壓比為4.4以上的增壓器。圖1給出了常規(guī)增壓器與高壓比增壓器試驗(yàn)特性的對(duì)比，圖中等轉(zhuǎn)速線以葉輪出口線速度表示；可以看出，在葉輪出口線速度為556 m/s時(shí)，高壓比增壓器最高增壓壓比由4.2提高至4.8（線速度增加2 m/s）。

圖1　常規(guī)增壓器和高壓比增壓器試驗(yàn)特性圖

試驗(yàn)所用高壓比增壓器TC96SX，是在某柴油機(jī)高原適應(yīng)性改進(jìn)中，為解決高原增壓器超速、超溫等可靠性問題，以及高原4 500 m環(huán)境下低速扭矩點(diǎn)功率降低≥30%（見表3），動(dòng)力性不足等性能缺陷而開發(fā)的一款葉輪直徑96 mm的高壓比增壓器，以實(shí)現(xiàn)高原功率降低≤20%，轉(zhuǎn)速降低≥9000r/min的目標(biāo)。TC96SX和原型機(jī)TC93增壓器主要參數(shù)見表1，所配柴油機(jī)主要參數(shù)見表2。原機(jī)和高壓比增壓器試驗(yàn)特性圖見圖2。原型機(jī)高原模擬試驗(yàn)功率降低情況見表3。

表1　試驗(yàn)用增壓器主要參數(shù)

表2　柴油機(jī)主要參數(shù)

表3　原型機(jī)高原模擬試驗(yàn)功率降

2　高原環(huán)境模擬試驗(yàn)

2.1高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)

高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)示意圖見圖3，是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性和考察性能隨海拔變化規(guī)律的重要手段。由測(cè)功器、柴油機(jī)試驗(yàn)輔助系統(tǒng)、柴油機(jī)試驗(yàn)測(cè)試及控制系統(tǒng)、高原環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。其中，高原環(huán)境模擬系統(tǒng)是由空氣過濾器、進(jìn)氣風(fēng)機(jī)、除濕裝置、調(diào)溫裝置、空氣加濕裝置、水蒸發(fā)器、水加熱器、排煙冷卻器、排煙風(fēng)機(jī)等組成，用來模擬高原狀態(tài)柴油機(jī)進(jìn)氣情況，其中，進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度變化范圍分別為57.5 kPa～101 kPa和-30℃～25℃，用以模擬0～4 500 m不同海拔環(huán)境［9］。

圖2　原機(jī)和高壓比增壓器試驗(yàn)特性圖

圖3　高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.2試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)臺(tái)通過控制進(jìn)排氣壓力和環(huán)境溫度來模擬不同的海拔環(huán)境［10］。表4給出了不同海拔環(huán)境模擬參數(shù)。驗(yàn)證研究試驗(yàn)在海拔0～4 500 m范圍內(nèi)，分別對(duì)0 m，1 000 m，2 000 m，3 000 m，4 000 m，4 500 m共6種海拔高度依次進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、油耗等動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，以及增壓器壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)。

表4　不同海拔環(huán)境模擬參數(shù)

本文重點(diǎn)展示高原海拔4 500 m和海拔1 000 m的測(cè)試分析結(jié)果。表5給出了3組發(fā)動(dòng)機(jī)配機(jī)試驗(yàn)所用增壓器的技術(shù)狀態(tài)。

表5　試驗(yàn)用增壓器技術(shù)狀態(tài)

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1原型機(jī)TC93增壓器配機(jī)分析

圖4給出了原型機(jī)（高原適應(yīng)性改進(jìn)前）和原型柴油機(jī)供油系統(tǒng)改進(jìn)后TC93增壓器配機(jī)高原模擬試驗(yàn)結(jié)果。

3.1.1D-原型機(jī)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)中，增壓器轉(zhuǎn)速≤103 000 r/min和渦輪后排溫≤620℃是原型柴油機(jī)的受限條件。

圖4給出了平原及高原功率、扭矩、油耗、供油量、排氣溫度、增壓器轉(zhuǎn)速、耗氣特性的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，隨著海拔升高，柴油機(jī)油耗和排溫升高，功率和扭矩降低，增壓器轉(zhuǎn)速升高，柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性下降（尤其是1 900 r/min以下功率、扭矩下降較大）。

圖4　D-原型機(jī)和D-TC93高原模擬試驗(yàn)對(duì)比

從圖4可以看出，高原海拔4 500 m時(shí)，原型機(jī)在1 900 r/min以下，功率、扭矩降低很大，尤其是在扭矩點(diǎn)，功率降低43.5%（見表3），嚴(yán)重影響柴油機(jī)的動(dòng)力性能。分析顯示，巨大的功率降低緣于排溫升高超限和油耗增加過大所造成的供油量急劇降低所致（扭矩點(diǎn)油耗相對(duì)于1 000 m增加36.3 g/（kW·h），約增加15.5%），自1 900 r/min至最大扭矩點(diǎn)，供油量降低約40%。

從圖4中增壓器轉(zhuǎn)速分布可以看出，隨著海拔高度增加，增壓器轉(zhuǎn)速升高，自1 000 m至4 500 m，額定點(diǎn)轉(zhuǎn)速升高8 000 r/min以上，TC93增壓器超速（≥103 000 r/min），考慮高原環(huán)境排溫升高，冷卻性能降低等諸多負(fù)面因素，增壓器高原環(huán)境工作可靠性降低，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)。

由圖4給出的柴油機(jī)平原及高原耗氣特性的變化來看，隨著海拔高度的上升，壓氣機(jī)增壓比不斷增加，與喘振線的距離減?。ù裨６冉档停Ｔ蜋C(jī)海拔4 500 m時(shí)，自1 800 r/min以下，增壓壓比急劇下降，原因有兩個(gè)：

1）柴油機(jī)燃燒惡化及限制器等因素使供油量降低引起所需進(jìn)氣量減少，增壓比降低；

2）近喘振區(qū)附近增壓器工作效率較低，引起系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性變差，油耗增大，排溫升高直至超溫受限。

綜上所述，原型柴油機(jī)在海拔4 500 m高原環(huán)境下工作，存在如下問題：

1）扭矩點(diǎn)動(dòng)力不足；

2）增壓器存在超速、超溫，可靠性降低；

3）增壓器喘振裕度不足，柴油機(jī)供油及燃燒均惡化。

3.1.2TC93增壓器配機(jī)分析

根據(jù)試驗(yàn)分析所得原型柴油機(jī)高海拔運(yùn)行存在的問題，對(duì)供油及燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)對(duì)TC93增壓器渦輪箱進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)行了第二組D-TC93高原模擬試驗(yàn)，見圖4。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）改進(jìn)后的柴油機(jī)功率扭矩提高，尤其是1 900 r/min至最大扭矩點(diǎn)工況，基本解決了高原動(dòng)力性不足，供油和燃燒問題，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高原適應(yīng)性改進(jìn)性能指標(biāo)。

2）增壓器略有超速，海拔4 500 m額定點(diǎn)增壓器轉(zhuǎn)速為105 300 r/min，超速2%。

3.2高壓比增壓器TC96SX配機(jī)分析

圖5給出了高壓比增壓器TC96SX與TC93增壓器試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

總體來看，具有相同渦輪不同壓氣機(jī)的兩款增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得相近的功率特性，滿足高原改進(jìn)動(dòng)力性要求，但是在經(jīng)濟(jì)性和增壓器工作狀況方面存在如下差異：

1）TC96SX具有較低的工作轉(zhuǎn)速。與TC93相比，轉(zhuǎn)速降低9 000 r/min以上，尤其在高原標(biāo)定點(diǎn)，轉(zhuǎn)速降低11 000 r/min，可徹底解決TC93增壓器高原超速和可靠性隱患問題。

2）TC96SX具有較高的配機(jī)壓比特性。與TC93相比，除高原標(biāo)定點(diǎn)外，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工作壓比均有不同程度的提高；高原工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管壓差有所提高，尤其在高原標(biāo)定點(diǎn)，可解決高原標(biāo)定點(diǎn)存在的排氣管壓力高于進(jìn)氣壓力的問題。

圖5　D-TC96SX和D-TC93高原模擬試驗(yàn)對(duì)比

3）TC96SX排溫有所升高。與TC93相比，排溫升高40℃左右；發(fā)動(dòng)機(jī)裝有排氣超溫限制器，排溫的升高不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作，但會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)溫度負(fù)荷的增加。

4）TC96SX配機(jī)油耗有所升高，經(jīng)濟(jì)性變差。與TC93相比，油耗升高約10 g/（kW·h）。

由TC96SX與TC93配機(jī)試驗(yàn)對(duì)比可知，通過更換高壓比壓氣機(jī)，可有效解決高原超速和標(biāo)定點(diǎn)排氣壓力高于進(jìn)氣壓力的問題，但是存在排溫、油耗升高等缺陷。進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，導(dǎo)致排溫和油耗升高的原因主要有以下兩點(diǎn)：

1）渦輪運(yùn)行速比降低，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。

由圖5給出的增壓器渦輪速比特性曲線可以看出，TC96SX渦輪運(yùn)行速比有所降低，尤其是海拔4 500 m外特性，速比由0.7降低到最低0.57。通常情況下，渦輪最佳運(yùn)行速比在0.65～0.75?？梢钥闯?，更換高壓比壓氣機(jī)后，原TC93增壓器渦輪已經(jīng)不能與壓氣機(jī)達(dá)到較好的匹配，聯(lián)合工作效率降低。

2）高壓比壓氣機(jī)效率較低，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。

由圖5可以看出，TC96SX高壓比壓氣機(jī)最高效率圈74%，與TC93最高效率圈79%相比，效率降低較大，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，排溫油耗升高。

4　結(jié)論

1）柴油機(jī)在海拔4 500 m高原環(huán)境下工作，增壓器轉(zhuǎn)速升高≥8 000 r/min，功率降低≥30%，存在動(dòng)力不足，超速、超溫，可靠性降低，柴油機(jī)供油、燃燒惡化等問題。

2）通過供油燃燒等系統(tǒng)改進(jìn)以及增壓器渦輪箱調(diào)整，可提高柴油機(jī)功率扭矩，使功率降低≤20%，基本解決高原動(dòng)力性不足等問題，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高原適應(yīng)性改進(jìn)性能指標(biāo)。但難以解決增壓器超速、超溫等惡劣工況難題。

3）通過更換高壓比壓氣機(jī)，可使增壓器轉(zhuǎn)速降低≥9 000 r/min，可有效解決高原超速和標(biāo)定點(diǎn)排氣壓力高于進(jìn)氣壓力的瓶頸，但是可能會(huì)帶來排溫、油耗升高等缺陷，需要關(guān)注高壓比壓氣機(jī)效率和渦輪匹配效率，必要時(shí)需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1姜澤浩，張付軍，董長龍，等.渦輪增壓柴油機(jī)高原性能試驗(yàn)研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，215（6）：59-63

2周廣猛，劉瑞林，董素榮，等.柴油機(jī)高原適應(yīng)性研究綜述［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013，207（4）：1-5

3靳嶸，張俊躍，胡力峰，等.高原自適應(yīng)柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32（4）：27-31

4許翔，周廣猛，鄭智，等.高原環(huán)境對(duì)保障裝備的影響及適應(yīng)性研究［J］.裝備環(huán)境工程，2010，7（5）：100-103

5San D，Guraslan E，Ergen O R，et al.The development of the new Ford heavy duty truck engine，ECOTORQ［C］.SAE Paper 2004-01-2688

6Biaggini G，Knechi W.The advanced Iveco Cursor 10 heavy duty truck diesel engine［C］.SAE Paper 2000-05-0071

7朱振夏，張付軍，馬朝臣，等.柴油機(jī)增壓技術(shù)在高原環(huán)境下的應(yīng)用［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2014，43（4）：73-80

8朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992

9許翔，劉瑞林，董素榮，等.車用柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)及性能提升策略［J］.中國機(jī)械工程，2013，24（17）：2403-2407

10王軍.WD615系列高原柴油機(jī)的開發(fā)［D］.天津：天津大學(xué)，2003

Experimental Study on Plateau Environment Adaptability Improvement of High Pressure Ratio Turbocharger for Diesel Engine

Li Shuqi，Cheng Jianghua，Zhuang Li，Hou Linlin，Liu Chang，Zhang Zilei

Key laboratory of Science and Technology on Diesel Engine Turbocharging，China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）

Using plateau environment simulation test rig for intake and exhaust system of diesel engine，and focusing on the developed high pressure ratio 4.4：1 turbocharger，the authors do research on turbomatch experimental studies for plateau environment adaptability improvement.Three groups of test data including prototype turbocharger，minimizing turbine housing，high pressure ratio compressor replacing are analyzed.

High pressure ratio，Turbocharger，Plateau environment，Adaptability，Diesel engine

TK421+.8

A

2095-8234（2016）04-0008-07

2016-03-10）

國家“973”項(xiàng)目（專題編號(hào)：6132520303），實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C330109150C33001）。

李書奇（1981-），男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)闇u輪增壓器設(shè)計(jì)與應(yīng)用。