小型農用柴油機高原增壓匹配與適應性研究

王 俊，申立中，文奕鈞，薛 爽，趙 杰

小型農用柴油機高原增壓匹配與適應性研究

王 俊1，申立中2，文奕鈞3，薛 爽3，趙 杰3

（1. 西南林業(yè)大學機械與交通學院，昆明 650224；2. 昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500；3. 昆明云內動力股份有限公司，昆明 650200）

中國高原地區(qū)運行的農業(yè)機械數量眾多，為保證在這些地區(qū)使用的農業(yè)機械具有良好的高原適應性，以一款小型農用柴油機為研究對象，在海拔2 000 m的地區(qū)，根據設計開發(fā)目標，通過理論計算選取了合適的壓氣機和渦輪，并進行了配機試驗?；谠囼灁祿?，采用GT-Power軟件建立了該小型農用增壓柴油機的仿真模型，模擬研究了該柴油機關鍵性能參數隨海拔（0、2 000、4 000 m）變化的規(guī)律。研究結果表明：選配的渦輪增壓器使得該小型農用柴油機達到了高原地區(qū)2 000 m的性能開發(fā)目標；在3個海拔下，柴油機與壓氣機的聯合運行線均運行在效率相對較高的區(qū)域，并且低速時具有較大的喘振裕度，在高速時離阻塞線也有一定的距離；與平原地區(qū)相比，在海拔2 000和4 000 m時，小型農用柴油機的最大轉矩分別降低了2.59%和7.19%，與已有的文獻結論相比，最大轉矩的降幅減??；在高原地區(qū)有針對性地進行增壓匹配，能夠保證柴油機良好的高原運行性能，并有利于提高柴油機的高原適應性。

柴油機；高原；增壓匹配；不同海拔；適應性

0 引 言

中國高原分布廣闊，海拔1 000 m以上的高原面積約占中國總面積的58%；2 000 m以上的高原占33%[1-2]。截止2018年，據不完全統計，運行在高原地區(qū)的農業(yè)機械總量達到1 526萬臺之多[3-4]。隨著國家對農機購置補貼力度的加大，在高原地區(qū)運行的農業(yè)機械數量將進一步攀升。柴油機具有高轉矩、低油耗、高熱效率等優(yōu)點[5]，95%以上的農業(yè)機械采用柴油機作為動力單元[6]。

在高原地區(qū)，空氣稀薄，進入氣缸的空氣量減少，燃燒惡化，導致柴油機的綜合運行性能降低[7-9]。自然吸氣柴油機的高原環(huán)境適應性明顯低于增壓柴油機[10]。在高原環(huán)境下，渦輪增壓器具有一定的自補償能力[11-12]，能夠在一定程度上減小高原低氣壓環(huán)境對柴油機性能的影響[13]。增壓匹配為恢復柴油機高原性能提供了良好的技術方案[14-15]。李書奇等[16]的研究表明：排氣旁通渦輪增壓器具有較高的轉矩儲備系數，可用于高原環(huán)境適應性柴油機動力的改進。靳嶸等[17]的研究顯示：采用可變噴嘴渦輪增壓器（VNT），柴油機高海拔性能下降問題得到改善，在海拔4 000 m時，柴油機的最大轉矩轉速恢復到平原條件下的1 300 r/min，轉矩降幅低于5%。Carlucci等[18]的仿真表明：與單級渦輪增壓相比，匹配2個渦輪增壓系統的二沖程柴油機在不同海拔高度（0、3 050、5 180、10 670 m）均有更高的輸出功率。李華雷等[19]的研究表明：柴油機采用兩級可調增壓系統可以實現海拔3 000和4 500 m的功率恢復目標。謝海江等[20]進行了類似的研究，采用旁通閥的變海拔控制策略，可以在海拔3 000 m下使柴油機的增壓壓力恢復到原機平原水平，但在高海拔高轉速工況下可能發(fā)生增壓器超速現象。韓愷等[21]提出了采用可調復合增壓系統恢復高原柴油機功率的方案，模擬結果顯示：采用所提出的復合增壓方案能夠在海拔3 000 m的高度使柴油機的標定功率恢復至平原的89.7%，最大轉矩下降3.7%。Xia等[22]采用渦輪-機械復合增壓系統對某6缸柴油機進行了高原功率恢復研究，模擬結果表明：在4 500 m的海拔高度，采用該復合增壓系統的柴油機的額定功率能夠恢復至原機單級渦輪增壓柴油機平原功率的80%；在1 500 r/min以下，轉矩恢復至原機85%的平原水平。商海昆等[23]采用雙增壓器與柴油機進行了高原匹配研究，結果表明：所提出的雙增壓器的方案有效地解決了原機低速喘振、高速超速問題；在海拔4 500 m時，最大轉矩比原機下降了6.8%，最大功率比原機下降了24.7%。

從上述文獻可以看出，柴油機的高原性能恢復研究多數采用高增壓技術，如可變幾何截面增壓技術、兩級渦輪增壓技術，并沒有在高原地區(qū)進行有針對性地的增壓匹配，以提高柴油機的高原適應性。然而，目前，增壓匹配多數在平原地區(qū)進行配機試驗，以平原地區(qū)柴油機的各項性能參數為主選配渦輪增壓器。當柴油機運行在高原地區(qū)時，由于壓氣機的壓比和折合流量均同時增大[24]，使得柴油機與壓氣機的聯合運行線偏離壓氣機的高效率區(qū)域，難以發(fā)揮匹配渦輪增壓器的最佳性能。采用增壓技術的主要目的是提高柴油機的進氣流量。在高原環(huán)境下，大氣壓力降低，進氣流量減少，良好的增壓匹配對恢復柴油機的運行性能顯得尤為重要。

與機動車相比，以柴油機為動力單元的農業(yè)機械流通性較差，多數在固定的區(qū)域進行作業(yè)，因此有必要針對運行在高原地區(qū)的農用柴油機進行增壓匹配，使其具有更好的高原適應性。中國山地面積占全國土地面積的60％左右，包括了從海拔10 m以下的長江三角洲平原到海拔4 000 m左右的青藏高原[25]。為此，選取中間海拔，在2 000 m的高原地區(qū)，以某小型農用柴油機為研究對象，首先，根據設計開發(fā)目標，通過理論計算選取了合適的壓氣機和渦輪，基于柴油機與壓氣機的聯合運行線，展現了高原地區(qū)增壓匹配的必要性；其次，在2 000 m的高原地區(qū)，進行了渦輪增壓器的配機試驗；最后，根據試驗數據，采用GT-Power軟件建立了該小型農用增壓柴油機的仿真模型，模擬研究了該柴油機關鍵性能參數隨海拔變化的規(guī)律，分析了該柴油機的高原適應性。該研究為運行在高原地區(qū)的非道路用柴油機的增壓匹配和性能提升提供了一定的參考依據。

1 渦輪增壓器選型與匹配計算

在眾多的增壓技術方案中，排氣旁通渦輪增壓器具有結構簡單、成本低以及在高溫環(huán)境下工作良好等優(yōu)點[26-27]，其適用于控制成本和低速大負荷運行特點的農業(yè)機械。因此，選用排氣旁通渦輪增壓器與小型農用柴油機進行匹配。

該小型農用柴油機的基本設計參數如表1所示，并要求在海拔2 000 m的地區(qū)，低速轉矩不得低于120 N·m，最大轉矩達到180 N·m，轉矩儲備系數（定義為外特性工況的最大轉矩與標定功率點的轉矩之比[11]）不低于125%。

表1 發(fā)動機基本設計參數

式中0為試驗時測得的大氣壓力，MPa；0為試驗時測得的大氣溫度，K。

進入氣缸的空氣體積流量V（m3/s）為

由理想氣體狀態(tài)方程得到壓氣機出口壓力2（MPa）

式中為氣體常數，287 J/(kg·K)；2為壓氣機出口溫度，K。

1）有排氣旁通時

2）無排氣旁通時

式中3為渦輪進口溫度，K；3為渦輪進口壓力，MPa。

渦輪增壓器功率平衡計算公式為

根據經驗和相似機型選取在海拔0 m（平原地區(qū)）、2 000 m以及4 000 m下3個匹配點的相關計算參數（如表2所示），利用上述計算公式，分別計算出3個匹配點的參數，如表3所示。

表2 小型農用柴油機分別在海拔0、2 000以及4 000 m時3個匹配點選取的相關計算參數

注：在不同海拔下，轉速為2 600 r·min-1時的渦輪排氣旁通量均設為15%。

Note: At different altitudes, exhaust bypass of turbine are all set 15% at engine speed 2 600 r·min-1.

表3 不同海拔下3個典型工況的匹配計算結果

表4 增壓器基本結構參數

根據表3的計算結果和增壓器廠商提供的渦輪增壓器，以海拔高度2 000 m為主，兼顧平原地區(qū)（0 m）與更高海拔4 000 m的性能，選定滿足計算要求的增壓器，其結構參數如表4所示，將計算的匹配點置于壓氣機MAP上，如圖1所示。從圖中可以看出，在海拔2 000 m時，柴油機與壓氣機聯合運行線穿過壓氣機的高效率區(qū)域，在海拔0 m和4 000 m時的聯合運行線也運行在效率相對較高的區(qū)域，并且在2 000和4 000 m的高原地區(qū)，柴油機與壓氣機的聯合運行線離喘振線和阻塞線均有較大裕量。如果按照平原地區(qū)匹配增壓器，使得平原地區(qū)的聯合運行線穿過壓氣機的高效率區(qū)域，可能導致高海拔地區(qū)增壓器出現超速現象，并且聯合運行線也運行在效率相對較低的區(qū)域，如圖2所示。由此可見，在海拔2 000 m的地區(qū)匹配增壓器，可以兼顧平原地區(qū)壓氣機的性能以及防止更高海拔下增壓器超速現象的發(fā)生。

注：100 000 r·min-1表示壓氣機轉速，余同；60%表示壓氣機效率，余同。

圖2 平原地區(qū)匹配增壓器時不同海拔下的柴油機與壓氣機匹配示意圖

2 高原2 000 m的試驗結果與分析

在選定渦輪增壓器之后，在海拔高度約為2 000 m的地點進行了配機試驗。試驗用到的主要設備有杭州奕科機電技術有限公司的WE31N水渦流測功機、FCMA油耗儀、EIM609測控系統、K型熱電偶、PTX1400壓力傳送器等。

試驗結果如圖3所示，由圖3可見，在海拔2 000 m的地區(qū)，匹配渦輪增壓器之后該小型農用柴油機在1 000 r/min時達到了120.1 N·m；最大轉矩為180.2 N·m，對應的轉速為1 600 r/min；外特性工況下的最低油耗為229.2 g/(kW·h)，對應的轉速為1 800 r/min；額定功率達到了37.4 kW，對應的轉速為2 600 r/min；最高渦前溫度為627.5 ℃，對應的轉速為1 600 r/min；轉矩儲備系數達到了131%。該小型農用增壓柴油機的各項性能指標達到了高原地區(qū)2 000 m的性能開發(fā)要求。

3 高原適應性的研究

3.1 模型的建立與驗證

基于試驗條件的限制，采用GT-Power軟件，根據高原地區(qū)2 000 m下的試驗數據建立了該小型農用增壓柴油機的仿真模型。該仿真模型包括環(huán)境模塊、進排氣管道模塊、噴油器模型、燃燒模型、傳熱模型、摩擦模型以及壓氣機和渦輪模塊等，其中，壓氣機和渦輪的MAP數據以增壓器廠商提供的數據為輸入。在仿真過程中假設工質為理性氣體，氣體的流動過程為準穩(wěn)態(tài)過程，缸內的工質混合均勻且燃燒完全。

對于機械式排氣旁通渦輪增壓器，在實際中通過調節(jié)彈簧預緊力達到預設的增壓壓力；而在仿真模型中，通過調節(jié)旁通閥門直徑大小匹配試驗測得的增壓壓力，且在不同海拔的模擬中，在柴油機的中高轉速段，通過調節(jié)旁通閥門直徑大小以防止增壓器出現超速現象。在建立模型時，采用PID控制器控制每循環(huán)噴油量以達到試驗數據外特性工況下的功率；在模擬海拔0和4 000 m的性能時，給定在2 000 m時獲得的噴油量進行仿真計算。

圖3 海拔2 000 m時小型農用柴油機的外特性曲線

在海拔為2 000 m時，該小型農用柴油機外特性工況下的試驗數據與仿真結果對比如圖4所示。由圖4可知，轉矩的試驗與仿真曲線幾乎重合，中高轉速下增壓壓力的試驗值與仿真值也幾乎相等，這是由于在仿真中分別采用PID控制器控制每循環(huán)噴油量匹配功率以及調節(jié)放氣閥門直徑大小匹配增壓壓力的結果，在增壓壓力的低轉速范圍內，試驗值與仿真值的最大偏差出現在1 000 r/min為5.3%。有效燃油消耗率和渦前溫度的試驗數據與仿真值變化趨勢基本一致，吻合較好，這表明建立的仿真模型具有良好的準確性，可以用于不同海拔下的仿真計算。

3.2 高原適應性分析

圖5a為等油量下，外特性工況的轉矩隨海拔的變化。由圖可見，在相同轉速下，轉矩隨著海拔的升高而降低；在低速范圍內，轉矩隨著海拔的升高下降幅度增大，隨著轉速的升高，轉矩的降幅逐漸減小；最大轉矩對應的轉速呈現逐漸向高轉速移動的趨勢，這與文獻[29]的研究結論一致。在平原地區(qū)，該小型農用柴油機的最大轉矩為185.0 N·m，對應轉速為1 600 r/min；在海拔為2 000 m時，最大轉矩為180.2 N·m，對應轉速為1 600 r/min；在海拔為4 000 m時，最大轉矩為171.7 N·m，對應轉速為1 800 r/min。與平原地區(qū)相比，在海拔為2 000和4 000 m時，最大轉矩分別下降2.59%和7.19%。與文獻[30]和[31]的結論相比，在海拔為2 000和4 000 m時，最大轉矩的降幅減小，這說明在高原地區(qū)進行增壓匹配，有利于提高柴油機的高原適應性。

圖4 海拔2 000 m時小型農用柴油機外特性工況下的試驗值與仿真值對比

海拔對有效燃油消耗率的影響如圖5b所示。在相同轉速下，有效燃油消耗率隨著海拔的升高而升高；隨著海拔的升高，在低速時，小型農用柴油機的有效燃油消耗率升高幅度較大，隨著轉速的升高，油耗的升幅逐漸降低。與平原地區(qū)相比，在海拔2 000和4 000 m時，有效燃油消耗率平均升高了1.95%和5.21%。隨著海拔的升高，大氣壓力降低，空氣密度減小使得吸入氣缸內的進氣流量降低，燃燒所需的空氣量減少，燃燒惡化，輸出功率降低，熱效率下降；另外，隨著柴油機轉速的升高，渦輪做功能力增強，進氣不足的現象逐漸改善，因而呈現上述變化趨勢。

圖5c為海拔對增壓壓力的影響。從圖中可以看出，在相同轉速下，增壓壓力隨著海拔的升高而降低。渦輪增壓器雖然在高原地區(qū)具有一定的自補償能力，但仍不足以抵消大氣環(huán)境壓力的降低[32]，因而增壓壓力隨海拔的升高而降低。當轉速高于1 600 r/min時，在海拔0 m時，增壓壓力隨轉速的升高變化趨于平緩；而在2 000和4 000 m海拔下，增壓壓力仍隨轉速的升高而略有增大。這主要是因為此時排氣旁通閥已經部分開啟，隨著海拔的升高，在不發(fā)生增壓器超速的前提下，適當減小排氣旁通閥的開度有利于恢復一部分進氣流量，提高柴油機的高原適應性。

圖5 海拔對小型農用柴油機關鍵性能參數的影響

海拔對渦前溫度的影響如圖5d所示。在相同轉速下，渦前溫度隨著海拔的升高而升高。在轉速低于1 600 r/min時，渦前溫度隨轉速的升高而升高；而轉速高于1 600 r/min時，渦前溫度隨轉速的升高而逐漸降低。這主要是因為渦前溫度與缸內的燃燒過程有關。隨著海拔升高，進入缸內的進氣流量降低，壓縮終點的壓力降低，加之缸內的含氧量也隨之減少，使得燃燒過程推遲，后燃現象加重，渦前溫度隨之升高。在轉速較低時，進氣流量較低，而每循環(huán)的噴油量逐漸加大，混合氣形成質量較差，滯燃期延長，燃料在急燃期和緩燃期階段無法完全燃燒，后燃現象加劇，在1 600 r/min時，為了獲得最大轉矩，噴油量較大，此時混合氣質量進一步惡化，從而使得渦前溫度達到峰值；隨著轉速升高，進氣流量逐漸增大，缸內混合氣的質量逐步改善，滯燃期縮短，燃燒始點提前，后燃現象減小，渦前溫度相應降低。從圖中還可以看出，在不同海拔下的最高渦前溫度低于680 ℃，滿足設計的約束條件。

圖6為小型農用柴油機與壓氣機聯合運行線隨海拔的變化。由圖可見，在相同的轉速小，壓氣機壓比和折合流量均隨著海拔的升高而增大；以高原2 000 m為主的增壓匹配，聯合運行線穿過壓氣機的高效率區(qū)域，同時，海拔0和4 000 m的聯合運行線也運行在相對較高的效率區(qū)域；在3個海拔下，低速時均具有較大的喘振裕度，在高速時離阻塞線也都有一定的距離。

圖6 小型農用柴油機與壓氣機聯合運行線隨海拔的變化

4 結 論

1）在海拔2 000 m的地區(qū)，通過理論計算選配的渦輪增壓器，經臺架配機試驗表明，該小型農用增壓柴油機達到了高原地區(qū)2 000 m的性能開發(fā)目標。1 000 r/min的轉矩達到了120.1 N·m；最大轉矩達到了180.2 N·m，對應的轉速為1 600 r/min；額定功率達到了37.4 kW，對應的轉速為2 600 r/min；轉矩儲備系數達到了131%。

2）與已有的文獻結論相比，在海拔為2 000和4 000 m時，最大轉矩的降幅減小；與平原地區(qū)相比，在海拔為2 000和4 000 m時，最大轉矩降幅分別為2.59%和7.19%。在高原地區(qū)有針對性地進行增壓匹配，有利于提高柴油機的高原適應性。

3）選配的渦輪增壓器可以有效避免運行在4 000 m海拔地區(qū)時壓氣機的低速喘振與高速超速現象，并且在平原地區(qū)和海拔4 000 m的高原，柴油機與壓氣機的聯合運行線均運行在效率相對較高的區(qū)域。

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Turbocharger matching in plateau area and adaptability of small agricultural diesel engine

Wang Jun1, Shen Lizhong2, Wen Yijun3, Xue Shuang3, Zhao Jie3

(1.,,650224,; 2.,,650500,; 3..,.,650200,)

The environment pressure and air density experience sharp declines at high altitude, which cause a large drop in the intake air mass flow rate of diesel engines. As a result, many aspects of engine performance are deteriorated, such as power, fuel consumption and emissions. Turbocharging matching provides a good technical solution for recovery diesel engine performance at high altitude. There is a large number of agricultural machinery operating in plateau area of China. In order to ensure that the agricultural machinery used in these areas had a good plateau adaptability, taking a small agricultural diesel engine as the research object, an appropriate compressor and turbine were selected respectively through theoretical calculation according to the design and development goals at altitude of 2 000 m. After that, the matching test of the small agricultural diesel engine and selected turbocharger was conducted at this altitude. Finally, the simulation model of the small agricultural turbocharged diesel engine was built by using GT-Power code based on test data. The change rule of diesel engine key performance parameters were simulated and investigated at altitudes of 0, 2 000 and 4 000 m. The results showed that the selected turbocharger made the small agricultural diesel engine achieve the development requirements at the altitude of 2 000 m. Low-end torque reached 120.1 N·m at 1 000 r/min, the peak torque was 180.2 N·m at 1 600 r/min, the rated power was 37.4 kW at 2 600 r/min, and the torque backup coefficient was 131% at this altitude. At 3 altitudes of 0, 2 000 and 4 000 m, the joint operation lines of the small agricultural diesel engine and the selected compressor were all operating in the relatively high efficiency area, and there were a large surge margin at low engine speeds, and also a certain distance from the choke line at high engine speeds. As the altitude went up, the engine torque and boost pressure decreased, while brake specific fuel consumption and turbine inlet gas temperature increased. What’s more, with respect to high engine speed, the change of altitude had a greater impact on engine power and economy performance at low engine speed. With the increase of altitude, decreasing amplitude of torque and percentage gain of fuel consumption was both rose at low engine speed, and these tendency were decline gradually with the increase of engine speed. In addition, the engine speed corresponding to the peak torque showed a tendency of gradually moving towards higher engine speed at high altitude. Compared with plain area, the maximum engine torque decreased by 2.59% and 7.19% respectively when it ran at altitudes of 2 000 and 4 000 m. Meanwhile, compared with the previous literatures conclusion, the decreasing amplitude of peak engine torque was smaller when the small agricultural diesel engine operating at altitudes of 2 000 and 4 000 m, respectively. It can ensure the good operation performance of diesel engine in plateau area, and also is beneficial to improve the plateau adaptability when diesel engine and turbocharger are matched at high altitude.

diesel engine; plateau; turbocharger matching; different altitude; adaptability

2019-04-23

2019-07-30

云南省農業(yè)聯合青年項目（2018FG001-096）；云南省教育廳科學研究基金項目（2018JS337）；西南林業(yè)大學校級科研專項項目（111912）

王 俊，博士，講師，主要從事內燃機增壓技術研究。Email：zjwj1121@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.008

TK421.8

A

1002-6819(2019)-16-0070-08

王 俊，申立中，文奕鈞，薛 爽，趙 杰.小型農用柴油機高原增壓匹配與適應性研究[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(16)：70－77. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.008 http://www.tcsae.org

Wang Jun, Shen Lizhong, Wen Yijun, Xue Shuang, Zhao Jie. Turbocharger matching in plateau area and adaptability of small agricultural diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 70－77. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.008 http://www.tcsae.org