輕型柴油車不同海拔增壓器保護(hù)試驗(yàn)研究

陳靜，楊闖，張亮，夏凱，胡智超

(1.江西五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，江西南昌 330200;2.博世汽車柴油系統(tǒng)有限公司，江蘇無錫 214028)

0 引言

2016年12月23日，國務(wù)院總理李克強(qiáng)召開會(huì)議，審議通過《西部大開發(fā)“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃中深刻分析了我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略在當(dāng)今形勢(shì)下面臨的新機(jī)遇與挑戰(zhàn)。輕重型車在明確的未來幾年的鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)等方面的重點(diǎn)工程項(xiàng)目中將發(fā)揮重要的作用[1]。柴油機(jī)因具有良好的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于輕重型車上。

西部較典型的青藏高原平均海拔在4 000 m以上，高原的氣候條件與平原地區(qū)差別很大。研究表明，不同海拔的環(huán)境參數(shù)是影響柴油機(jī)性能的主要原因[2-5]。高海拔地區(qū)的空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量減少，致使燃燒及排放惡化，如此柴油車到高原地區(qū)常出現(xiàn)排動(dòng)力性不足、經(jīng)濟(jì)性下降的問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)冒黑煙、渦輪前排氣溫度超溫、增壓器轉(zhuǎn)速超速等問題。所以，在高海拔地區(qū)開展增壓器保護(hù)試驗(yàn)很有必要。為適應(yīng)高原環(huán)境，需對(duì)平原標(biāo)定的柴油車進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化。周廣猛等[6]指出：目前研究的重點(diǎn)是做好增壓器和燃油系統(tǒng)的匹配，而后通過實(shí)地試驗(yàn)對(duì)比分析柴油機(jī)高海拔的性能表現(xiàn)。李環(huán)等人[7]指出，高原環(huán)境中動(dòng)力性、排氣煙度、增壓器保護(hù)試驗(yàn)為ECU電控?cái)?shù)據(jù)開發(fā)的三大主要影響因素。

目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)的適應(yīng)性試驗(yàn)的研究方式主要有試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)和可移動(dòng)式座臺(tái)試驗(yàn)，很少有發(fā)動(dòng)機(jī)整車試驗(yàn)的介紹。文中通過對(duì)某款輕型國五柴油車在不同海拔地區(qū)實(shí)際的增壓器表現(xiàn)，加以噴油量的修正及驗(yàn)證，以達(dá)到整車滿足不同海拔地區(qū)增壓器保護(hù)及動(dòng)力性要求。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)車輛為某公司生產(chǎn)的某自主品牌匹卡，匹配某6速手動(dòng)變動(dòng)箱和搭載該公司自主研發(fā)的某型發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備由轉(zhuǎn)速傳感器、排氣溫度傳感器、轉(zhuǎn)速顯示儀、信號(hào)線、電源線、ETAS通信測(cè)試設(shè)備、電腦組成。轉(zhuǎn)速顯示儀將從增壓器的壓氣機(jī)端采集到的轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；ETAS設(shè)備直接讀取該模擬信號(hào)通過公式轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信號(hào)；電腦通過INCA軟件讀取此轉(zhuǎn)速信號(hào)。同理，排氣溫度傳感器的信號(hào)也是通過ETAS設(shè)備轉(zhuǎn)換并傳輸至電腦。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

1.3 數(shù)據(jù)刷寫設(shè)備

數(shù)據(jù)刷寫設(shè)備由INCA軟件環(huán)境、ETAS通信設(shè)備和ECU硬件平臺(tái)組成，外特性噴油量的數(shù)據(jù)由電腦控制ECU進(jìn)行調(diào)整。

1.4 試驗(yàn)方法

在做增壓器保護(hù)時(shí)，基于基礎(chǔ)外特性噴油量，對(duì)6個(gè)不同海拔地區(qū)的外特性噴油量進(jìn)行不等的噴油限制，使增壓器轉(zhuǎn)速不超過23×104r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)渦前排氣溫度不超過780 ℃(以下簡(jiǎn)稱排溫)，以及在保證零部件可靠性的前提下滿足整車客戶的動(dòng)力性要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)地點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的海拔高度如下：敦煌(1 110 m)、阿克塞(1 800 m)、格爾木(2 800 m)、納赤臺(tái)(3 500 m)、西大灘(4 100 m)、昆侖山(4 500 m)。

2.1 不同海拔增壓器轉(zhuǎn)速在壓氣機(jī)性能中表現(xiàn)

圖2為試驗(yàn)車在不同海拔地區(qū)增壓器轉(zhuǎn)速在壓氣機(jī)性能圖中表現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果?？煽闯?隨海拔高度的提高，增壓器轉(zhuǎn)速提高。這主要是因?yàn)殡S著海拔的提高，盡管大氣密度降低導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，但渦輪的排氣背壓也隨之降低，膨脹比增加，從而使渦輪獲得更多的能量，提高了渦輪的做功能力。有研究表明：在穩(wěn)定1 700 r/min時(shí)表現(xiàn)出進(jìn)氣密度隨海拔的升高而降低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量減少，空燃比下降，渦輪入口溫度升高[4]。但實(shí)際上從表2可看出:在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同為3 000 r/min時(shí)，隨增壓器轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)氣流量和增壓比也隨之增加。這可歸因于在高海拔地區(qū)，雖然空氣稀薄使得進(jìn)氣流量降低，但渦輪的排氣背壓隨海拔升高而降低的幅度更大，從而使得最終的空氣流量隨海拔升高而增大。

圖2 不同海拔壓氣機(jī)性能表現(xiàn)

海拔高度/m外特性油量/(mg·沖程-1)增壓器轉(zhuǎn)速/(104r·min-1)增壓比空氣流量/(kg·s-1)排溫/℃111059．518．62．490．127742180054192．630．13975228005119．92．860．14576635004820．53．060．1668041004421．43．130．15766045003621．13．060．16582

圖3和圖4為試驗(yàn)車在不同海拔地區(qū)的排溫和增壓器轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果?？煽闯?各海拔下的增壓器轉(zhuǎn)速和排氣溫度均處于設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。此外，海拔2 800 m以下，增壓器保護(hù)在各發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下主要受排溫限制，排溫維持在730～760 ℃之間，增壓器轉(zhuǎn)速在22×104r/min以下;海拔3 500 m以上，增壓器保護(hù)受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的工況影響。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以下，增壓器保護(hù)主要受排溫限制，排溫維持在660～750 ℃內(nèi)，增壓器轉(zhuǎn)速在21.4×104r/min以下；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以上，增壓器保護(hù)主要受增壓器轉(zhuǎn)速限制，增壓器轉(zhuǎn)速在(22～22.7)×104r/min之間，排溫在430～680 ℃內(nèi)。

圖3 不同海拔不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下排溫表現(xiàn)

圖4 不同海拔不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下增壓器轉(zhuǎn)速表現(xiàn)

2.2 不同海拔地區(qū)增壓器轉(zhuǎn)速掃點(diǎn)圖

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)驗(yàn)證，不同海拔標(biāo)定的外特性噴油量下各增壓器轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)排溫均處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。除此之外，整車實(shí)際道路行駛過程中，這兩個(gè)參數(shù)也是被要求不準(zhǔn)超過設(shè)計(jì)限值。

柴油車在變工況的全部運(yùn)行范圍內(nèi)，增壓器的壓氣機(jī)需滿足不發(fā)生喘振的要求[8]。實(shí)驗(yàn)過程中通過INCA軟件讀出測(cè)量的壓氣機(jī)進(jìn)口壓力、壓氣機(jī)進(jìn)口溫度、壓氣機(jī)出口壓力和進(jìn)氣質(zhì)量流量，通過公式(1)算出實(shí)際增壓比，通過公式(2)算出折合的進(jìn)氣質(zhì)量流量，而后將點(diǎn)繪制在壓氣機(jī)的性能圖中。圖5為不同海拔地區(qū)實(shí)際車輛道路行駛的掃點(diǎn)圖?？煽闯?，所有點(diǎn)均運(yùn)行在喘振線以內(nèi)。

(1)

式中：πc為增壓比；p1為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力；p2為壓氣機(jī)出口壓力。

(2)

式中：Gacon為折合質(zhì)量流量；Ga為質(zhì)量流量；p1為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力；T1為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度。

圖5 不同海拔道路增壓器轉(zhuǎn)速掃點(diǎn)圖

2.3 噴油量修正前后的動(dòng)力性、增壓器轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)排溫對(duì)比

為了保護(hù)增壓器轉(zhuǎn)速不超速和排溫不超溫，噴油量較外特性油量相對(duì)減少，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率會(huì)有所影響。修正前的噴油量為基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)的噴油量，修正后的噴油量為在基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)上放寬限制后的外特性噴油量。圖6為不同海拔下修正噴油量前的柴油車動(dòng)力性的對(duì)比圖。由圖6(a)得出：海拔4 500 m相對(duì)于海拔3 500 m的百公里加速時(shí)間延長(zhǎng)了55.1%。由圖6(b)得出：海拔4 500 m相對(duì)于海拔3 500 m的五擋最高車速下降了13.4%。

圖6 不同海拔下修正噴油量前的柴油車動(dòng)力性的對(duì)比

海拔高度對(duì)柴油車動(dòng)力性有影響主要是因?yàn)椋河杀?可看出，海拔高度增高后，排氣背壓降低，膨脹比增加，使得增壓器的做功能力提高，有效補(bǔ)償了高海拔稀薄空氣帶來的負(fù)影響，使得海拔3 500 m以上的進(jìn)氣流量幾近相同。但由圖2可看出，增壓器轉(zhuǎn)速隨海拔高度的提高而增加，而為了保證增壓器轉(zhuǎn)速不超速，對(duì)不同海拔的外特性噴油量進(jìn)行不等的限制，即限制量隨海拔高度的增加而增多，因而柴油車的動(dòng)力性能隨海拔高度的增加而下降。

對(duì)于客戶來說，希望發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在滿足安全可靠的前提下，提升整車的動(dòng)力性能。為此，作者在基本標(biāo)定的數(shù)據(jù)之上放寬不同海拔地區(qū)的外特性噴油量，對(duì)比調(diào)整噴油量前后整車的百公里加速時(shí)間和五擋最高車速時(shí)的動(dòng)力性表現(xiàn)、增壓器轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)排溫。

客戶對(duì)海拔2 800 m以下的動(dòng)力性表現(xiàn)滿意，希望對(duì)海拔3 500 m以上的動(dòng)力性進(jìn)行優(yōu)化，因此針對(duì)海拔3 500 m以上地區(qū)的噴油量進(jìn)行調(diào)整，其對(duì)比如圖7所示，圖7(a)、(b)、(c)分別為海拔3 500、4 100和4 500 m的油量調(diào)整對(duì)比圖。可看出:不同海拔噴油量在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下均未有所調(diào)整，其調(diào)整空間很小，主要受外特性油量的限制。由圖7(a)可得：修正噴油量前的功率損失在37%以下，修正噴油量后的功率損失在33%以下；由圖7(b)可得：修正噴油量前的功率損失在48%以下，修正噴油量后的功率損失在39%以下；由圖7(c)可得：修正噴油量前的功率損失在59%以下，修正噴油量后的功率損失在54%以下。由此可對(duì)比出，隨海拔高度的提高，限制噴油量數(shù)值更大。

圖7 不同海拔地區(qū)噴油量調(diào)整

為提高整車在高原地區(qū)的動(dòng)力性，在這3個(gè)高原地區(qū)進(jìn)行百公里加速和五擋最高車速測(cè)試，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖8和圖9所示。由圖8(a)看出：修正噴油量前百公里加速時(shí)間隨海拔的提高而明顯延長(zhǎng)，修正噴油量后百公里加速時(shí)間有明顯的改善，4 100 m海拔時(shí)百公里加速時(shí)間提升近33.5%；由圖8(b)看出：修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；由圖8(c)看出：修正噴油量前增壓器轉(zhuǎn)速未超速，4 100 m以上在修正噴油量后增壓器轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超速情況。由圖9(a)看出：4 100 m以上在修正噴油量前、后的五擋最高車速提速明顯，最高提速近13.2%；由圖9(b)看出：修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；由圖9(c)看出：4 500 m時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速最高達(dá)24.7×104r/min，超出安全設(shè)計(jì)值，因此放寬外特性油量限制是不可取的。

圖8 不同海拔地區(qū)百公里加速時(shí)間

圖9 不同海拔地區(qū)五擋最高車速

3 結(jié)論

(1)在滿足增壓器轉(zhuǎn)速不超速、渦前排氣溫度不超溫的前提下，對(duì)不同海拔高度的外特性噴油量進(jìn)行相應(yīng)的限制，得出海拔高度2 800 m以下，增壓器保護(hù)在各發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下主要受排溫限制，排溫維持在730～760 ℃內(nèi)，增壓器轉(zhuǎn)速在22×104r/min以下。海拔高度3 500 m以上，增壓器保護(hù)受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的工況影響。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以下，增壓器保護(hù)主要受排溫限制，排溫維持在660～750 ℃內(nèi)，增壓器轉(zhuǎn)速在21.4×104r/min以下；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以上，增壓器保護(hù)主要受增壓器轉(zhuǎn)速限制，增壓器轉(zhuǎn)速在(22～22.7)×104r/min之間，排溫在430～680 ℃內(nèi)。

(2)為提高整車在高原地區(qū)的動(dòng)力性，對(duì)比放寬不同海拔外特性噴油量的限制前、后的功率損失，不同海拔高度噴油量在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下均未有所調(diào)整，其調(diào)整空間很小，主要受外特性油量的限制。在海拔3 500 m時(shí)，修正噴油量前的功率損失在37%以下，修正噴油量后的功率損失在33%以下；在海拔4 100 m時(shí)，修正噴油量前的功率損失在48%以下，修正噴油量后的功率損失在39%以下；在海拔4 500 m時(shí)，修正噴油量前的功率損失在59%以下，修正噴油量后的功率損失在54%以下。

(3)對(duì)比放寬不同海拔外特性噴油量限制前后的動(dòng)力性、增壓器轉(zhuǎn)速和排溫：百公里加速時(shí)間方面，修正噴油量前百公里加速時(shí)間隨海拔的提高而明顯延長(zhǎng)，修正噴油量后百公里加速時(shí)間有明顯的改善，海拔4 100 m時(shí)百公里加速時(shí)間提升近33.5%；修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；修正噴油量前增壓器轉(zhuǎn)速未超速，4 100 m以上在修正噴油量后增壓器轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超速情況。五擋最高車速方面，4 100 m以上在修正噴油量前后的五擋最高車速提速明顯，最高提速近13.2%；修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；4 500 m時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速最高達(dá)24.7×104r/min，超出安全設(shè)計(jì)值，因此放寬外特性油量限制是不可取的。

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