高功率密度柴油機不同增壓系統(tǒng)方案性能比較研究

劉紅彬，桂 勇，駱清國，孫大光

(陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系， 北京 100072)

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境對坦克動力系統(tǒng)的小型化和集成化提出了更高的要求，高功率密度(HPD)柴油機整體式推進系統(tǒng)的出現(xiàn)，對主戰(zhàn)坦克動力系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了極為重要的影響，是新一代主戰(zhàn)坦克推進系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一[1-3]。隨著柴油機功率密度的提高，柴油機的轉(zhuǎn)速大幅度升高，高轉(zhuǎn)速條件下合理組織柴油機氣缸內(nèi)進氣和燃燒過程是提升柴油機動力性，降低油耗的難點所在[4-8]。高效渦輪增壓系統(tǒng)是HPD進氣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[9-10]，但HPD柴油機與渦輪增壓器還面臨著匹配性差的問題，因此本研究主要通過試驗，分析某型軍用HPD柴油機匹配固定截面渦輪增壓器和可變噴嘴環(huán)渦輪增壓器(VNT)的性能，對柴油機在負荷特性的燃油消耗率和外特性功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率等指標(biāo)進行了研究，得到了HPD柴油機匹配兩種不同增壓系統(tǒng)后性能的變化。

1 固定截面渦輪增壓器和VNT對比

目前裝甲車輛柴油機最高轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，與民用柴油機相比轉(zhuǎn)速變化范圍較小，在整個工況范圍內(nèi)，當(dāng)柴油機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時也能夠和固定截面渦輪增壓器實現(xiàn)較好的匹配，另外固定截面渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，在軍用裝備發(fā)動機上使用時電磁干擾小，可靠性較高，應(yīng)用較為廣泛。

相比于普通坦克柴油機，新一代HPD柴油機轉(zhuǎn)速大幅度提高，與固定截面渦輪增壓器進行匹配，在保證柴油機在最大轉(zhuǎn)矩點有足夠的增壓壓力時，會出現(xiàn)標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況下，增壓器壓力過高，并出現(xiàn)渦輪增壓器超速，導(dǎo)致柴油機的機械負荷和熱負荷過高；若按照柴油機標(biāo)定轉(zhuǎn)速所需的增壓壓力進行匹配，則在柴油機低速時，增壓壓力下降過多，不能保證柴油機所需的足夠的轉(zhuǎn)矩。采用VNT既可以保證柴油機在低速時有較高的轉(zhuǎn)矩，又能保證柴油機在標(biāo)定點附近增壓壓力適當(dāng)，避免發(fā)動機過高的機械負荷和渦輪增壓器的超速，改善發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩特性和部分負荷特性，實現(xiàn)全工況范圍內(nèi)柴油機與增壓器的最佳匹配。

2 HPD柴油機臺架試驗系統(tǒng)

試驗機型為某軍用新型6缸HPD柴油機，階段性研制指標(biāo)為轉(zhuǎn)速達到3 600 r/min，原樣機匹配高壓共軌噴油系統(tǒng)與固定截面渦輪增壓器，試驗的主要設(shè)備和儀器有：

1) 高壓共軌噴油系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)， VNT及其控制系統(tǒng)，測功機及其控制系統(tǒng)；

2) 油耗儀及燃燒分析儀；

3) 轉(zhuǎn)速和壓力傳感器；

4) 在線標(biāo)定系統(tǒng)及通訊模塊；

5) 標(biāo)定用線束(連接ECU與各個傳感器的線束)；專用信號線(從ECU到通訊模塊，從通訊模塊到在線標(biāo)定系統(tǒng))；

6) 專用電源線、直流穩(wěn)壓電源，萬用表。

測量設(shè)備及部分傳感器型號如表1所示。

試驗臺布置如圖1所示。

表1 主要設(shè)備型號及相關(guān)參數(shù)

圖1 試驗臺布置示意圖

試驗臺架如圖2所示。

圖2 試驗臺架

3 HPD柴油機在線標(biāo)定

由于該型HPD柴油機采用了高壓共軌噴油系統(tǒng)，匹配VNT增壓系統(tǒng)時，包含多個自由可調(diào)的參數(shù)，原高壓共軌噴油系統(tǒng)的控制參數(shù)在匹配VNT后將不再是最優(yōu)值，為了獲得柴油機在各種工況下最優(yōu)的動力性及經(jīng)濟性能，需要采集各種工況不同控制參數(shù)下柴油機性能試驗數(shù)據(jù)，獲得各工況下柴油機的最佳控制參數(shù)，從而使性能指標(biāo)達到最優(yōu)，這一控制參數(shù)的調(diào)試過程被稱之為電控柴油機的匹配標(biāo)定[11-15]。在線標(biāo)定系統(tǒng)提供了人機交互界面，通過通訊單元與標(biāo)定ECU連接，在線調(diào)整控制參數(shù)，對高壓共軌噴油系統(tǒng)和VNT控制MAP進行標(biāo)定，同時采集ECU關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行存儲、分析和管理。在線標(biāo)定系統(tǒng)的主要功能如圖3所示。

圖3 在線標(biāo)定系統(tǒng)主要功能框圖

在線標(biāo)定系統(tǒng)與HPD柴油機高壓共軌噴油系統(tǒng)和VNT增壓系統(tǒng)ECU之間通過通訊單元模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在線標(biāo)定主機可以實時對柴油機控制參數(shù)進行修改，同時監(jiān)測柴油機的性能，在線標(biāo)定主機與HPD柴油機ECU之間的數(shù)據(jù)通訊和傳送過程如圖4所示。

對VNT增壓系統(tǒng)葉片位置的控制，一方面影響渦輪流通截面積以及渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速和增壓比，另一方面影響排氣背壓和泵氣損失，同時柴油機在高速高負荷和低速低負荷等不同工況下VNT葉片位置的變化對壓氣機出口壓力調(diào)節(jié)的靈敏度有很大差異，因此在對葉片位置進行標(biāo)定時要綜合考慮發(fā)動機和VNT增壓系統(tǒng)的性能，同時要結(jié)合高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)化，使發(fā)動機的性能達到最優(yōu)。本次標(biāo)定試驗的主要流程如圖5所示。轉(zhuǎn)速變化范圍為1 600～3 600 r/min，每間隔200 r/min取一個轉(zhuǎn)速點；高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)主要有共軌壓力、噴油定時、噴油脈寬；VNT葉片從開度10%到全開100%之間變化。各控制參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，工況點穩(wěn)定后，對主要性能指標(biāo)進行測量。

圖4 數(shù)據(jù)通訊流程框圖

圖5 試驗流程框圖

4 匹配不同增壓系統(tǒng)性能分析

將HPD柴油機匹配固定截面渦輪增壓器和匹配VNT并進行協(xié)同優(yōu)化后的負荷特性和外特性試驗結(jié)果進行對比分析，對負荷特性下的燃油消耗率及外特性下的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、壓氣機出口壓力、轉(zhuǎn)矩、功率、小時耗油量、燃油消耗率、缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力等進行了對比。

4.1 負荷特性對比

將HPD柴油機匹配VNT并同高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)進行協(xié)同優(yōu)化后，在3 600 r/min(標(biāo)定轉(zhuǎn)速)、2 800 r/min(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)不同負荷工況下的燃油消耗率與匹配固定截面渦輪增壓器的原樣機進行對比，結(jié)果如圖6及圖7所示。

圖6 3 600 r/min不同負荷燃油消耗率

圖7 2 800 r/min不同負荷燃油消耗率

從圖6可以看出：轉(zhuǎn)速為3 600 r/min時，匹配VNT增壓系統(tǒng)后燃油消耗率均低于原樣機，大負荷時下降幅度較小，小負荷時下降幅度較大，最大降低幅度為7.6%。這主要是由于原樣機在標(biāo)定點附近時柴油機高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油定時、噴油壓力、噴油持續(xù)期等控制參數(shù)與渦輪增壓器的匹配較好，隨著負荷的降低，固定截面渦輪增壓器泵氣損失增大，匹配VNT后，大負荷時，柴油機的進氣量已交足夠多，過量空氣系數(shù)大，VNT葉片開度大，工作狀態(tài)與固定截面渦輪增壓器相近，燃油消耗率變化較??；小負荷時通過減小噴嘴環(huán)流通截面積，有效降低了渦輪增壓器的泵氣損失，同時與高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油定時、噴油持續(xù)期、共軌壓力等參數(shù)進行綜合優(yōu)化，兩者綜合作用改善了燃燒過程，使得柴油機的油耗相比原機有明顯的降低。

從圖7可以看出：與原機相比，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min時，在增加噴油量提高其最大轉(zhuǎn)矩的同時仍能保持較好的經(jīng)濟性，柴油機的綜合性能得到明顯提升。這主要是因為匹配VNT后，一方面通過對噴嘴環(huán)流通面積的調(diào)節(jié)，提高了增壓壓力，增加了發(fā)動機的進氣量，能夠噴入更多的油量提高轉(zhuǎn)矩，另一方面與噴油系統(tǒng)控制參數(shù)協(xié)同配合，使噴油量增加的同時，仍能保持良好的空燃比，優(yōu)化燃燒過程，降低柴油機的燃油消耗率。

4.2 外特性對比

將HPD柴油機匹配VNT并同高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)進行協(xié)同優(yōu)化后外特性時柴油機渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、壓氣機出口壓力、小時耗油量、燃油消耗率、功率、轉(zhuǎn)矩、缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力等與原樣機進行對比分析。協(xié)同優(yōu)化時，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力不得高于20 MPa，增壓器轉(zhuǎn)速不得高于12 000 r/min，渦后排氣溫度不得高于570 ℃。

1) 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機出口壓力對比

柴油機外特性渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機出口壓力如圖8及圖9所示。

從圖8、圖9可以看出：匹配VNT后，柴油機外特性渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高于原樣機，柴油機外特性壓氣機出口壓力相對于原樣機有明顯上升，高轉(zhuǎn)速時，上升幅度較小，中低轉(zhuǎn)速時上升幅度較大。這是由于原樣機匹配固定截面渦輪增壓器時，主要是在標(biāo)定工況點進行動力性和經(jīng)濟性匹配，因此在高轉(zhuǎn)速時，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機出口壓力與匹配VNT時變化不大；在中低轉(zhuǎn)速時，固定截面渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降，壓氣機出口壓力降低，而VNT通過減小噴嘴環(huán)的流通面積，使廢氣流速加快，以較高的動能作用于渦輪上，提高渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機出口壓力。

HPD柴油機匹配VNT增壓系統(tǒng)后，在中低轉(zhuǎn)速時，通過減小噴嘴環(huán)的流通面積，提高了渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速和壓氣機出口壓力，柴油機的充量系數(shù)有了明顯的提升，有效避免了固定截面渦輪增壓器在轉(zhuǎn)速降低時充量系數(shù)變低的問題，從而使柴油機在中低轉(zhuǎn)速時也具備良好的性能。

圖8 外特性增壓器轉(zhuǎn)速

圖9 外特性壓氣機出口壓力

2) 小時耗油量和燃油消耗率對比

柴油機外特性小時耗油量和燃油消耗率如圖10及圖11所示。

圖10 外特性小時耗油量

圖11 外特性燃油消耗率

從圖10可以看出：柴油機外特性小時耗油量相對于原樣機總體增大，小時耗油量最大升高78.8%。從圖8、圖9可以看出在中低轉(zhuǎn)速時，相比固定截面渦輪增壓器柴油機的進氣壓力有了明顯的提升，進氣量增多，從而可以噴入更多的燃油提高柴油機的轉(zhuǎn)矩。

從圖11可以看出：柴油機外特性燃油消耗率相對于原樣機有明顯下降，高轉(zhuǎn)速時，下降幅度較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低，燃油消耗率下降幅度逐漸增大，1 600 r/min時，燃油消耗率下降幅度達到28.7%。

綜合圖10和圖11可以看出，HPD柴油機匹配VNT增壓系統(tǒng)后，由于進氣效率的提升，相比較原樣機能夠噴入更多的燃油提高柴油機的功率和轉(zhuǎn)矩，同時與高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)相配合，保持較低的燃油消耗率，從而使得柴油機動力性能提高的同時具備良好的經(jīng)濟性能。

3) 轉(zhuǎn)矩和功率對比

柴油機外特性轉(zhuǎn)矩和功率如圖12和圖13所示。

圖12 外特性轉(zhuǎn)矩

圖13 外特性功率

從圖12及圖13可以看出：匹配VNT增壓系統(tǒng)后柴油機外特性轉(zhuǎn)矩和功率相對于原樣機有明顯上升，最大增加了約1.2倍；最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速由3 500 r/min降低為2 800 r/min，最大轉(zhuǎn)矩由1 005 N·m增大到1 138 N·m，提高幅度為13.2%，轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)由1.03增大為1.28，轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)由1.02增大到約1.16，柴油機的動力性有了明顯提升，同時對外界負荷變化的適應(yīng)性也變好。

從對比結(jié)果可以看出，HPD柴油機匹配VNT增壓系統(tǒng)后，中低轉(zhuǎn)速時，功率和轉(zhuǎn)矩有了明顯的改善，這主要是因為中低轉(zhuǎn)速時，通過調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)的葉片位置，改善了固定截面渦輪增壓器低速供氣不足的現(xiàn)象，可以噴入更多的油量提高柴油機的轉(zhuǎn)矩，有效解決了柴油機匹配固定截面渦輪增壓器在中低轉(zhuǎn)速時功率與轉(zhuǎn)矩大幅度下降的問題，從而使發(fā)動機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的動力性能。

4) 缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力對比

柴油機外特性缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力如圖14所示。

圖14 外特性缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力

從圖14可以看出：缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力在高轉(zhuǎn)速時與原樣機基本相同，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于2 400 r/min后，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力相對于原樣機升高，最大升高幅度達到了44.4%?？梢钥闯?，匹配VNT增壓系統(tǒng)后雖然柴油機缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的峰值變化不大，但整個工況范圍內(nèi)，柴油機缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力比匹配固定截面渦輪增壓系統(tǒng)時要高，柴油機受到的機械沖擊和熱負荷增大，對其結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計提出了更高的要求。

5 結(jié)論

1) HPD柴油機匹配VNT并同高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)進行協(xié)同優(yōu)化后，相比匹配固定截面渦輪增壓器時功率和轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)由1.03增大為1.28，轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)由1.02增大為1.16，柴油機的動力性有了明顯改善，適應(yīng)性提高。

2) HPD柴油機匹配VNT并進行協(xié)同優(yōu)化后外特性和負荷特性時不僅提高了柴油機的轉(zhuǎn)矩，而且燃油消耗率相比匹配固定截面渦輪增壓器時有明顯下降，最大下降幅度達到28.7%，柴油機的經(jīng)濟性得到明顯改善。

3) HPD柴油機匹配VNT系統(tǒng)后外特性缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力在高轉(zhuǎn)速時與原樣機相當(dāng)，轉(zhuǎn)速低于2 400 r/min后高于原樣機，最大上升幅度達44.4%，柴油機在整個工況范圍內(nèi)所受到的機械沖擊增加，對零部件的可靠性提出了更高的要求，需進一步對柴油機零部件的機械強度和剛度進行計算和研究。