高原柴油機(jī)增壓技術(shù)及應(yīng)用

廖 麗

（攀鋼集團(tuán)攀鋼釩公司物流中心，四川攀枝花 617023）

0 引言

中國是一個(gè)擁有高原陸地最多的國家，其中青藏高原及云貴高原的平均海拔在（2.0～4.5）km，據(jù)資料顯示，海拔高度在升高的過程中大氣壓力在不斷下降，當(dāng)海拔高度達(dá)到4.0 km 時(shí)，大氣壓力只有0.061 MPa，此時(shí)空氣密度僅為0.8 kg/m3，柴油機(jī)在此種條件下工作時(shí)會由于進(jìn)氣量變小而造成缸內(nèi)燃燒的不充分，進(jìn)而出現(xiàn)功率變低，油耗增加等問題，嚴(yán)重影響到柴油機(jī)的運(yùn)行性能以及使用壽命?；谝陨媳尘埃瑢Ω咴裼蜋C(jī)增壓技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用意義。

1 高原環(huán)境對柴油機(jī)的影響

高海拔環(huán)境下主要為大氣密度對柴油機(jī)的性能造成不良影響，其影響主要為以下幾點(diǎn)：柴油機(jī)動(dòng)力性能下降，隨著海拔高度的提升，柴油機(jī)的工作功率逐漸下降；經(jīng)濟(jì)性能的下降，在高原運(yùn)行環(huán)境下，柴油機(jī)本身的機(jī)械效率以及泵氣損失并改變，但受到空氣密度的影響，缸內(nèi)燃燒效率下降，且由于高原道路的復(fù)雜使得油耗在不斷增加；排放性能下降，海拔高度較高時(shí)，柴油機(jī)的進(jìn)氣量在減少，其燃燒溫度也在下降，因此NOx的排放量受到影響；啟動(dòng)性能下降，高海拔工作環(huán)境下，氣溫以及大氣壓的降低使得對空氣壓縮時(shí)其溫度以及壓力都無法滿足混合氣體壓燃需求；壽命以及穩(wěn)定性能下降；在高海拔條件下，增壓器極易出現(xiàn)超速等問題，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)熱負(fù)荷增加，影響柴油機(jī)的其他運(yùn)動(dòng)部件的正常運(yùn)行。

2 高原環(huán)境下增壓系統(tǒng)的改進(jìn)

2.1 帶放氣閥的增壓器

帶放氣閥的增壓器主要是指把放氣閥通過并聯(lián)的方式接入渦輪入口，并借助推桿以及膜片和放氣閥連接。在高原環(huán)境中，增壓器膜片初始時(shí)處于被壓緊，但由于大氣壓力較低，則當(dāng)增壓壓力較大時(shí)則壓氣機(jī)前后產(chǎn)生的壓力差值會大于彈簧本身所具有的預(yù)緊力，故膜片被推動(dòng)，廢氣放氣閥被打開，使得渦輪前的少量廢氣被排入空氣中，進(jìn)而避免增壓器出現(xiàn)超速問題，使得增壓比下降，確保柴油機(jī)工作穩(wěn)定性。

2.2 可變截面渦輪技術(shù)

可變截面渦輪技術(shù)其實(shí)質(zhì)是匹配一系列的固定截面的增壓器，以此達(dá)到改變渦輪流通面積的方式來提升增壓器高效工作范圍。當(dāng)柴油機(jī)在低速工作條件下可以通過降低渦輪的流通截面來提升增壓器的轉(zhuǎn)速和增壓壓力以此使得柴油機(jī)在高原環(huán)境下的工作性能得到保持，此外，還能夠增加柴油機(jī)的進(jìn)氣量，進(jìn)行提升增壓器的低速轉(zhuǎn)矩性能；當(dāng)柴油機(jī)在高速條件下運(yùn)行時(shí)，則能夠增加渦輪流通截面，使得增壓器的轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)而確保出線因增壓壓力過高而使得柴油機(jī)工作性能受到影響。

2.3 二級增壓

二級增壓是指通過兩極壓氣機(jī)將新鮮空氣進(jìn)行壓縮后，借助冷卻器進(jìn)行壓縮空氣的冷卻，最后經(jīng)過進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸。柴油機(jī)工作產(chǎn)生的廢氣主要是在高壓級以及低壓級渦輪中膨脹做功，然后排入大氣。在進(jìn)行二級增壓方案設(shè)計(jì)時(shí)，通常使用直徑不相同的兩個(gè)增壓器，其中，流通面積較小的增壓器當(dāng)作二級增壓系統(tǒng)中的高壓級，而流通面積較大的則當(dāng)作低壓級。

2.4 相繼增壓

發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，空燃比較高，即油耗低；反之在低轉(zhuǎn)速情況下，由于增壓壓力的下降使得缸內(nèi)空燃比降低，進(jìn)而導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速特性差，渦輪增壓器無法確保發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下具有較高的運(yùn)行效率，故有學(xué)者提出了相繼渦輪增壓方案。相繼渦輪增壓系統(tǒng)包括兩臺機(jī)及以上的渦輪增壓器，系統(tǒng)內(nèi)部的渦輪增壓器連接方式為并聯(lián)，在實(shí)際應(yīng)用中可以基于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況確定不同的增壓器數(shù)量。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)值時(shí)則廢氣進(jìn)行一臺渦輪，使得廢氣流量變大，提升增壓壓力，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及負(fù)荷在逐漸增加時(shí)則，增壓器依次投入使用，進(jìn)而確保增壓器運(yùn)行的高效減低油耗。

2.5 電輔助增壓

電輔助增壓主要是通過使用電能將渦輪增壓器轉(zhuǎn)速在較短時(shí)間內(nèi)得到快速的提升，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的加速響應(yīng)性能得到改觀。發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)、低速運(yùn)轉(zhuǎn)或進(jìn)行加速過程中，通過使用電池輸出能量，電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)來提升進(jìn)氣壓，進(jìn)而確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的高性能；而在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)閴簹鈾C(jī)可以確保進(jìn)氣量滿足需要，故電機(jī)關(guān)閉，并通過發(fā)電機(jī)回收廢棄能量，儲存在電池內(nèi)。

2.6 復(fù)合增壓

復(fù)合增壓系統(tǒng)是指是通過設(shè)置兩種及以上的增壓形式，在實(shí)際應(yīng)用中最早使用的復(fù)合增壓系統(tǒng)主要是將諧振增壓與渦輪增壓進(jìn)行復(fù)合，雖說該形式的負(fù)荷增壓方式能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)特性，但因?yàn)樵撛鰤合到y(tǒng)的體積較大，匹配困難該負(fù)荷增壓系統(tǒng)并在大范圍內(nèi)推廣使用。而現(xiàn)今使用的機(jī)械—渦輪復(fù)合增壓形式主要是機(jī)械增壓和壓氣機(jī)串聯(lián)連接，該進(jìn)氣系統(tǒng)通常由空氣濾清器、機(jī)械增壓器、進(jìn)氣旁通閥、渦輪增壓器、中冷器、節(jié)氣門、進(jìn)氣歧管等組成。

3 實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)與性能比較

以上柴公司GK1C 型內(nèi)燃機(jī)車為研究對象，進(jìn)行高原增壓器性能匹配試驗(yàn)。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)匹配所選用的增壓器為RHC7Q35 與RHE6Q27-513（Z），試驗(yàn)海拔高度環(huán)境見表2。表3 為柴油機(jī)在海拔50 m、2200 m 下配試RHC7Q35與RHE6Q27-513（Z）的性能比較。

從表3 能夠看出在海拔高度較低時(shí)（50 m） 柴油機(jī)配RHC7Q35 增壓器的高度性能要優(yōu)于RHE6Q27-513（Z）增壓器，但在低速情況下高速性能要差于RHE6Q27-513（Z）增壓器，隨著海拔高度的增加（2200 m 時(shí)），RHC7Q35與RHE6Q27-513（Z）增壓器的性能都增加了油耗與渦前排溫，但與RHE6Q27-513（Z）增 壓器相比，RHC7Q35 增壓器的增加幅度更大，尤其是渦前排溫值已超過增壓器的允許的最大排溫值（700 ℃）。故通過以上分析可以得出，RHC7Q35 增壓器不能滿足海拔高度進(jìn)一步上升下的工作，而RHE6Q27-513（Z）增壓器可以適應(yīng)更高海拔高度環(huán)境。因此下面將只對RHE6Q27-513（Z）增壓器在不同海拔高度下（50 m，2200 m，3000 m 和3800 m）的性能進(jìn)行分析。表4 為不同海拔高度下對RHE6Q27-513（Z）增壓器的性能研究結(jié)果。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 各試驗(yàn)海拔高度大氣壓以及溫度

表3 RHC7Q35 與RHE6Q27-513（Z）增壓器在50 m、2200 m 下配試數(shù)據(jù)

表4 不同海拔高度下RHE6Q27-513（Z）增壓器的性能

從表4 可以看出，隨著海報(bào)高度的增加，油耗以及渦前排溫值在不斷增加，這一說明了氧氣含量的減少對柴油機(jī)高速性能的影響較大，尤其是在海拔高度為3800 m 時(shí)，標(biāo)定工況下的渦前排溫已經(jīng)達(dá)到685 ℃，＜700 ℃，表明RHE6Q27-513（Z）增壓器可以滿足海拔高度3800 m 的高原能力。

4 結(jié)論

在進(jìn)行高原柴油機(jī)試配時(shí)，當(dāng)其主要運(yùn)行環(huán)境為低海拔時(shí)，對增壓器進(jìn)行選擇時(shí)應(yīng)主要以柴油機(jī)中低速性能為主要考慮點(diǎn)，通過對比兩種增壓器在不同海波高度下的工作性能可知，隨著海拔高度的增加，增壓器的轉(zhuǎn)速以及壓力比都在不斷增加，此時(shí)柴油機(jī)的外特性曲線在逐漸的向壓氣機(jī)柴油機(jī)外特性運(yùn)行曲線向壓氣機(jī)的喘振線靠近，故在進(jìn)行高原增壓器配試式應(yīng)注意柴油機(jī)的外特性運(yùn)行線與增壓器的最高轉(zhuǎn)速線和喘振線之間留有一定的余量。