李華雷，石 磊，鄧康耀，邢衛(wèi)東，程江華

（1.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 大 同 037036）

我國(guó)地域遼闊，地形復(fù)雜多變，海拔1 000m以上的高原面積約占全國(guó)總面積的58%，海拔2 000m以上的高原面積約占33%。隨著海拔高度的升高，大氣壓力和溫度降低，空氣密度也相應(yīng)減小，另外空氣中氧濃度也會(huì)減小。環(huán)境壓力、溫度和濕度的變化都會(huì)影響柴油機(jī)的運(yùn)行性能，而壓力隨海拔的變化最為明顯。

隨著海拔的升高，進(jìn)氣壓力降低，氣缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力減小，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)壓力和溫度相應(yīng)降低，引起柴油機(jī)的功率和扭矩下降，同時(shí)燃油消耗率上升。海拔越高，柴油機(jī)性能惡化越明顯。空氣密度減小，進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量相應(yīng)減小，在噴油量不變的情況下，空燃比下降，柴油的霧化質(zhì)量和油氣混合質(zhì)量變差，導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)；空氣含氧量的減小使得參與燃燒的氧氣的量變少，導(dǎo)致燃燒不充分，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，這二者導(dǎo)致循環(huán)熱效率下降。另外后燃現(xiàn)象加重還會(huì)引起排氣溫度升高，使得柴油機(jī)的熱負(fù)荷變大。高海拔下柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和排放性都會(huì)大幅度下降，難以保證其正常運(yùn)行［1－8］。

柴油機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)可以提升功率密度，降低燃油消耗和排放，并在一定海拔內(nèi)恢復(fù)柴油機(jī)功率。但受增壓器轉(zhuǎn)速和渦輪前排氣溫度等限制，增壓器的進(jìn)氣自補(bǔ)償能力在高海拔工況不足以彌補(bǔ)環(huán)境變化引起的進(jìn)氣量降低。

針對(duì)增壓柴油機(jī)高海拔動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性惡化的問題，本研究開展了變海拔性能計(jì)算，并采用不同的增壓系統(tǒng)來進(jìn)行柴油機(jī)功率恢復(fù)。

1 D6114柴油機(jī)仿真模型的建立

研究機(jī)型選用D6114渦輪增壓直噴柴油機(jī)，其主要參數(shù)見表1。

表1 D6114柴油機(jī)主要性能參數(shù)

采用GT－Power軟件建立D6114柴油機(jī)的仿真計(jì)算模型。進(jìn)排氣管路采用一維簡(jiǎn)化方式建立。中冷器采用Pipe模塊通過增大管壁面積、設(shè)定目標(biāo)壁溫、增大傳熱系數(shù)等來實(shí)現(xiàn)中冷器的效果。渦輪和壓氣機(jī)模型采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖譜離散輸入。由此建立D6114柴油機(jī)的原機(jī)計(jì)算模型，并將計(jì)算值與原機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，模型的誤差情況見圖1和圖2。

可以看出，主要性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差都在5%以內(nèi)，所建立的原機(jī)仿真模型精度較高，可以用來進(jìn)行性能分析研究。

2 原機(jī)高原工況性能計(jì)算

在模型校核的基礎(chǔ)上，將環(huán)境模塊按表2參數(shù)來模擬高原大氣環(huán)境，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［10］進(jìn)行壓氣機(jī)圖譜的高原修正，結(jié)果見圖3?？梢钥闯鲭S著海拔上升，壓氣機(jī)工作運(yùn)行的整個(gè)流量范圍變窄，而且會(huì)向小流量方向移動(dòng)，特性線斜率變大，壓氣機(jī)的增壓比隨著海拔上升也會(huì)逐漸增大。

表2 高原大氣環(huán)境參數(shù)

在等過量空氣系數(shù)條件下，假定高原與平原工況的燃燒模型差異不大，進(jìn)行原機(jī)變海拔工況的外特性仿真，計(jì)算結(jié)果見圖4。

原機(jī)平原試驗(yàn)條件為壓力101.5kPa，溫度300K，而在模擬計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)的高原大氣環(huán)境參數(shù)，壓力為100kPa，溫度為288K，環(huán)境參數(shù)變化會(huì)引起進(jìn)氣量變化，在等過量空氣系數(shù)的條件下，循環(huán)噴油量在平原工況下與原機(jī)數(shù)據(jù)有些不一致，導(dǎo)致功率和扭矩存在一些差異。

從圖4可以看出，隨著海拔高度上升，進(jìn)氣壓力降低，空氣密度下降，進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量相應(yīng)減少，導(dǎo)致功率和扭矩逐漸降低，動(dòng)力性能惡化。柴油機(jī)功率隨海拔升高逐漸下降，標(biāo)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)功率下降約37%；柴油機(jī)的最高扭矩隨著海拔升高而降低，并且最高扭矩對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速方向移動(dòng)。進(jìn)氣條件從平原變化到海拔4 500m時(shí)，最高扭矩轉(zhuǎn)速會(huì)從1 400r／min移動(dòng)到1 800r／min。究其原因，與高轉(zhuǎn)速相比，柴油機(jī)的廢氣能量在較低轉(zhuǎn)速下隨海拔高度上升惡化嚴(yán)重，使得渦輪增壓器的自補(bǔ)償能力逐漸減弱。從圖4c可以看出，隨著海拔升高柴油機(jī)的燃油消耗率逐漸上升，海拔4 500m時(shí)最低燃油消耗率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速?gòu)钠皆? 400r／min變化到1 600r／min，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域變小，經(jīng)濟(jì)性惡化。

綜上可知，D6114柴油機(jī)采用原機(jī)單級(jí)增壓系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足高海拔下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，需要針對(duì)高海拔工況進(jìn)行功率恢復(fù)的計(jì)算。

3 高海拔功率恢復(fù)的適應(yīng)能力研究

功率恢復(fù)目標(biāo)為海拔3 000m時(shí)功率恢復(fù)到平原的100%，海拔4 500m時(shí)功率恢復(fù)到平原的85%。針對(duì)D6114柴油機(jī)分別采用廢氣放氣式和可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)等方案進(jìn)行高海拔功率恢復(fù)研究。

3.1 廢氣放氣式增壓系統(tǒng)

原機(jī)增壓器在平原工況下，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 300r／min時(shí)通過開啟廢氣放氣閥來防止增壓器轉(zhuǎn)速過高，因此考慮在高海拔時(shí)通過關(guān)閉廢氣放氣閥來恢復(fù)整機(jī)功率。圖5和圖6分別示出海拔3 000m下功率和燃油消耗的對(duì)比情況?？梢钥闯?，關(guān)閉廢氣放氣閥后在1 400r／min時(shí)功率從100kW提升到123kW，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)部分功率，但未能達(dá)到原機(jī)平原的153kW；在1 600r／min時(shí)功率從124kW上升到180kW，超過了原機(jī)平原的171kW。其原因是關(guān)閉廢氣放氣閥使得渦輪等效流通面積相應(yīng)變小，導(dǎo)致渦輪膨脹比變大，渦輪膨脹功率增大，從而提高了增壓比和進(jìn)氣流量，在等過量空氣系數(shù)條件下柴油機(jī)循環(huán)噴油量增加，使得功率得到提升，改善了高海拔工況的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。從圖6中可以看出，1 600r／min時(shí)燃油消耗率從213g／（kW·h）減小到平原水平的206g／（kW·h）。

圖7和圖8分別示出海拔高度4 500m時(shí)的功率和燃油消耗對(duì)比情況。關(guān)閉廢氣放氣閥后，1 400r／min時(shí)功率從78kW提高到99kW，未能恢復(fù)到原機(jī)平原功率的85%；但1 600r／min時(shí)功率從103kW提升到151kW，恢復(fù)到了平原功率的85%。1 600r／min時(shí)柴油機(jī)的燃油消耗率從219g／（kW·h）減小到210g／（kW·h），但未能達(dá)到原機(jī)平原的206g／（kW·h）水平。

采用廢氣放氣式增壓系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 600r／min時(shí)關(guān)閉廢氣放氣閥導(dǎo)致增壓器超速，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)行。對(duì)于1 800r／min的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)，渦輪增壓器已經(jīng)超速（見圖9）。

3.2 可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)方案

采用廢氣放氣式增壓系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)高海拔功率目標(biāo)，現(xiàn)考慮采用可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)進(jìn)行功率恢復(fù)計(jì)算?？烧{(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)有旁通低壓級(jí)和旁通高壓級(jí)2種方案。旁通低壓級(jí)方案是在高壓級(jí)采用原機(jī)增壓器，低壓級(jí)選用比原機(jī)增壓器流量范圍更大的渦輪增壓器，來滿足變海拔工況流量變化范圍大的需求。旁通高壓級(jí)方案是選擇合適的匹配點(diǎn)，并通過高低壓級(jí)的壓比分配來初步確定高低壓級(jí)增壓器的大小，然后兼顧平原工況和高海拔工況進(jìn)行調(diào)整，并確定最終的高低壓級(jí)增壓器。

圖10示出可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)的方案布置。旁通低壓級(jí)方案設(shè)置3個(gè)調(diào)節(jié)閥門，1個(gè)廢氣放氣閥，并在低壓級(jí)渦輪和壓氣機(jī)旁各并聯(lián)1個(gè)旁通閥。而旁通高壓級(jí)方案將閥門減少到2個(gè)。

3.2.1 旁通低壓級(jí)方案

圖11示出旁通低壓級(jí)方案在海拔3 000m和4 500m時(shí)高海拔功率對(duì)比情況。在海拔高度3 000m時(shí)，1 300～2 000r／min區(qū)間采用旁通低壓級(jí)方案功率基本可以恢復(fù)到原機(jī)平原水平，但2 200r／min時(shí)略低于原機(jī)平原水平。在海拔高度4 500m時(shí)，除2 200r／min之外，采用旁通低壓級(jí)方案均可以實(shí)現(xiàn)功率恢復(fù)目標(biāo)，然而對(duì)于2 200r／min功率只恢復(fù)到原機(jī)平原水平的83%。

從圖12中可知，在海拔3 000m時(shí)原機(jī)增壓器只是貢獻(xiàn)一小部分的增壓作用，而低壓級(jí)壓氣機(jī)起主要作用。柴油機(jī)的運(yùn)行線遠(yuǎn)離高壓級(jí)壓氣機(jī)的高效區(qū)域，而穿過低壓級(jí)壓氣機(jī)的高效區(qū)域，可以看出高壓級(jí)采用原機(jī)增壓器未能實(shí)現(xiàn)最大化兩級(jí)增壓系統(tǒng)總效率。

3.2.2 旁通高壓級(jí)方案

圖13示出采用旁通高壓級(jí)方案在海拔3 000m和4 500m時(shí)功率對(duì)比情況。在海拔3 000m，1 300～2 200r／min范圍內(nèi)，采用旁通高壓級(jí)方案基本能夠?qū)⒐β驶謴?fù)到原機(jī)平原水平。在海拔4 500m，采用旁通高壓級(jí)也基本可以實(shí)現(xiàn)功率恢復(fù)目標(biāo)，在1 400r／min和1 600r／min兩個(gè)轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)功率甚至實(shí)現(xiàn)了100%的功率恢復(fù)。

從圖14可以看出，通過匹配計(jì)算所確定的旁通高壓級(jí)方案在海拔3 000m時(shí)使得高壓級(jí)增壓器起到主要的進(jìn)氣壓縮作用，而低壓級(jí)增壓器加以輔助。柴油機(jī)的運(yùn)行線穿過高壓級(jí)壓氣機(jī)的高效區(qū)域，而同樣距離低壓級(jí)壓氣機(jī)的高效區(qū)域較近，從而取得較高的增壓系統(tǒng)總效率。

可以看出，相比于單級(jí)增壓和廢氣放氣式增壓系統(tǒng)，通過高低壓級(jí)增壓器的兩次增壓作用，采用可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的進(jìn)氣壓力和流量，在等過量空氣系數(shù)的條件下柴油機(jī)的進(jìn)氣在循環(huán)內(nèi)可以燃燒更多的柴油，從而提升柴油機(jī)的整機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)高海拔下的功率恢復(fù)目標(biāo)。

3.3 兩種方案性能對(duì)比分析

針對(duì)可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)的兩種不同方案，分別進(jìn)行了兩種海拔下泵氣平均有效壓力和燃油消耗率的性能對(duì)比分析（見圖15和圖16）。

從圖15可知，在海拔3 000m和4 500m，各轉(zhuǎn)速下旁通高壓級(jí)的泵氣平均有效壓力均要低于旁通低壓級(jí)，增壓系統(tǒng)效率相對(duì)較高，使得柴油機(jī)的燃油消耗率相應(yīng)較低。而在海拔3 000m各轉(zhuǎn)速下旁通高壓級(jí)的燃油消耗率均低于旁通低壓級(jí)。在1 400r／min時(shí)兩種方案的燃油消耗率相差不大。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)旁通低壓級(jí)的燃油消耗率為233g／（kW·h），而旁通高壓級(jí)的燃油消耗率為223g／（kW·h），降低了10g／（kW·h）。

在海拔4 500m，與采用旁通低壓級(jí)方案相比，1 400r／min時(shí)旁通高壓級(jí)的燃油消耗率減小了2g／（kW·h）。2 200r／min時(shí)旁通低壓級(jí)的燃油消耗率為238g／（kW·h），而旁通高壓級(jí)的燃油消耗率與其相比減小了8g／（kW·h）。

綜上所述，可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)的旁通高壓級(jí)方案在實(shí)現(xiàn)功率恢復(fù)目標(biāo)和優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性能方面都要優(yōu)于旁通低壓級(jí)方案。

4 結(jié)論

a）隨著海拔的升高，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，柴油機(jī)的最高扭矩值逐漸減小，而且最高扭矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速逐漸向高轉(zhuǎn)速方向移動(dòng)；燃油消耗率隨海拔升高而增加，最低燃油消耗率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速也向高轉(zhuǎn)速移動(dòng)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域減??；

b）采用廢氣放氣式增壓系統(tǒng)可以部分恢復(fù)中間轉(zhuǎn)速的功率，但在高海拔高轉(zhuǎn)速區(qū)域渦輪增壓器會(huì)超速，影響柴油機(jī)正常運(yùn)行；

c）與旁通低壓級(jí)相比，旁通高壓級(jí)的可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高海拔的功率恢復(fù)目標(biāo)，而且經(jīng)濟(jì)性能相對(duì)較好。

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