董素榮， 劉卓學(xué)， 劉瑞林， 那曉亮， 周廣猛

(1. 軍事交通學(xué)院軍用車輛系, 天津 300161； 2. 軍事交通學(xué)院研究生管理大隊， 天津 300161)

·性能研究·

VGT葉片開度對二級增壓柴油機(jī)高海拔低速匹配特性的影響

董素榮1， 劉卓學(xué)2， 劉瑞林1， 那曉亮2， 周廣猛1

(1. 軍事交通學(xué)院軍用車輛系, 天津 300161； 2. 軍事交通學(xué)院研究生管理大隊， 天津 300161)

基于二級可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔性能模擬試驗(yàn)平臺，研究了不同海拔條件下VGT葉片開度對高壓共軌柴油機(jī)二級可調(diào)增壓系統(tǒng)低速匹配特性的影響。研究結(jié)果表明：不同海拔下，隨著VGT葉片開度的減小，高壓級渦輪的渦輪膨脹比和壓氣機(jī)壓比、絕熱效率逐漸提高，而低壓級渦輪膨脹比及壓氣機(jī)效率變化則趨于平緩，因此兩級壓氣機(jī)總壓比、總效率和總功率的變化趨勢與高壓級壓氣機(jī)一致；柴油機(jī)進(jìn)氣流量及空燃比隨著VGT葉片開度的減小而增大，動力性及經(jīng)濟(jì)性也隨之升高；海拔0～4 500 m，高壓級壓氣機(jī)匹配狀況良好，聯(lián)合運(yùn)行線均位于高效率區(qū)內(nèi)。

高海拔； 共軌柴油機(jī)； 可變幾何增壓系統(tǒng)； 二級增壓系統(tǒng)； 匹配特性

我國高原具有海拔高和面積廣的特點(diǎn)，海拔超過1 000 m的高原約占國土面積的37%。高原地區(qū)氣壓低，空氣密度小，柴油機(jī)進(jìn)氣流量減小，燃燒惡化，導(dǎo)致柴油機(jī)在高原環(huán)境運(yùn)行過程中動力性和經(jīng)濟(jì)性下降[1-3]，進(jìn)而使得以柴油機(jī)為動力的機(jī)械裝備的性能在高原地區(qū)難以正常發(fā)揮。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，以柴油機(jī)為動力的機(jī)械裝備需求量急劇增加，因此開展柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究具有重要意義。

研究表明，普通渦輪增壓柴油機(jī)在低速工況運(yùn)行時，容易出現(xiàn)扭矩不足、經(jīng)濟(jì)性差、起動及加速性能差、瞬態(tài)響應(yīng)遲緩等問題[4-5]，而基于VGT的可調(diào)二級渦輪增壓系統(tǒng)集成了二級增壓和可調(diào)增壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既能夠通過兩級增壓提高柴油機(jī)高海拔條件下的動力性，又能通過調(diào)整VGT葉片開度來提高低速工況下柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)能力[6-10]。因此，為探究不同海拔下VGT葉片開度的調(diào)節(jié)能力，開展了VGT葉片開度對柴油機(jī)二級可調(diào)增壓系統(tǒng)高海拔低速匹配特性影響的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

利用二級可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔模擬試驗(yàn)平臺(見圖1)，開展了不同海拔條件下共軌柴油機(jī)與二級可調(diào)增壓系統(tǒng)匹配特性試驗(yàn)。

圖1 二級可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用CA6DL2電控高壓共軌柴油機(jī)，其排量為8.6 L，標(biāo)定功率258 kW，標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速2 100 r/min，最大扭矩1 500 N·m，最大扭矩轉(zhuǎn)速1 300～1 500 r/min。兩級增壓系統(tǒng)中冷裝置采用ToCeil-ZL3000恒溫控制系統(tǒng)，試驗(yàn)儀器設(shè)備型號見表1。

表1 試驗(yàn)儀器設(shè)備型號

二級可調(diào)增壓系統(tǒng)由高壓級(VGT可變截面渦輪增壓器JK70S)和低壓級(固定截面渦輪增壓器JP100S)串聯(lián)構(gòu)成，VGT葉片開度由電動執(zhí)行器控制，增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2和表3。

表2 高、低壓級壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 高、低壓級渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

1) 試驗(yàn)條件：通過進(jìn)氣節(jié)流、排氣抽真空的方式模擬海拔2 500 m，3 500 m，4 500 m時柴油機(jī)進(jìn)、排氣環(huán)境。

2) 試驗(yàn)方法：首先將VGT開度定為100%，確保各參數(shù)在限定值之內(nèi)后，以10%的步長逐漸減小VGT開度，直至試驗(yàn)工況達(dá)到限定值附近時停止調(diào)整VGT葉片開度。

3) 試驗(yàn)限制條件：排溫小于720 ℃；最高燃燒壓力小于16 MPa；高壓級增壓器轉(zhuǎn)速小于1.2×105r/min；低壓級增壓器轉(zhuǎn)速小于8×104r/min；機(jī)油溫度小于95 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同海拔下VGT葉片開度對兩級增壓器性能的影響

通過調(diào)整VGT葉片開度，能夠改變廢氣能量在高、低壓級渦輪之間的分配，進(jìn)而影響高、低壓級壓氣機(jī)做功能力。兩級渦輪增壓器主要性能參數(shù)計算公式如下。

低壓級壓氣機(jī)絕熱壓縮功及絕熱效率：

(1)

(2)

高壓級壓氣機(jī)絕熱功率及絕熱效率：

(3)

(4)

壓氣機(jī)總絕熱壓縮功：

(5)

(6)

壓氣機(jī)總絕熱效率：

(7)

式中：k為空氣絕熱指數(shù)，k=1.4；R為氣體常數(shù)；T0為低壓級壓氣機(jī)進(jìn)口總溫；T1為低壓級壓氣機(jī)出口總溫；T2為高壓級壓氣機(jī)進(jìn)口總溫；T3為高壓級壓氣機(jī)出口總溫；πL為低壓級壓比；πH為高壓級壓比；πtotal為總壓比。

圖2示出柴油機(jī)1 200 r/min全負(fù)荷工況下，不同海拔下高、低壓級渦輪膨脹比隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，高、低壓級渦輪膨脹比均隨海拔的升高而降低，相同海拔下，隨著VGT葉片開度的減小，渦輪膨脹比增大。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，高壓級渦輪膨脹比升高了6.81%，低壓級渦輪膨脹比升高了2.32%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，高壓級渦輪膨脹比升高了5.68%，低壓級渦輪膨脹比升高了1.10%。其主要原因是，隨著VGT葉片開度的減小，高壓級渦輪流通面積變小，對廢氣的節(jié)流能力增強(qiáng)，渦前壓力升高，高壓級膨脹比升高；同時，高壓級膨脹比的上升使得缸內(nèi)進(jìn)氣量增加，燃燒充分，因此排氣能量增加，高壓級渦后壓力上升，導(dǎo)致低壓級膨脹比也隨之變大。

圖2 不同海拔下渦輪膨脹比隨VGT葉片開度的變化

圖3示出不同海拔下高、低壓級壓氣機(jī)絕熱效率隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，VGT葉片開度減小時，高壓級壓氣機(jī)絕熱效率增大，而低壓級壓氣機(jī)絕熱效率變化比較平緩。因此，如圖4所示，二級壓氣機(jī)總絕熱效率隨VGT葉片開度的減小而升高，其中平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，兩級壓氣機(jī)總絕熱效率升高了1.38%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，兩級壓氣機(jī)總絕熱效率升高了20.14%。

圖3 不同海拔下壓氣機(jī)效率隨VGT葉片開度的變化

圖4 不同海拔下二級壓氣機(jī)總效率隨VGT葉片開度的變化

圖5、圖6示出不同海拔下高、低壓級壓氣機(jī)絕熱功率及二級壓氣機(jī)總絕熱功率隨VGT葉片開度的變化。當(dāng)VGT葉片開度減小時，發(fā)動機(jī)排氣能量上升，膨脹比增加，使得渦輪機(jī)做功能力變強(qiáng)，因而壓氣機(jī)功率隨之上升。其中，平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，兩級壓氣機(jī)總絕熱功率升高了13.29%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，兩級壓氣機(jī)總絕熱功率升高了16.44%。

圖5 不同海拔下壓氣機(jī)功率隨VGT葉片開度的變化

圖6 不同海拔下壓氣機(jī)總功率隨VGT葉片開度的變化

圖7示出不同海拔下高、低壓級壓比及二級增壓總壓比隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，不同海拔下，高壓級壓比隨VGT葉片開度的減小而增大，這是因?yàn)楫?dāng)VGT葉片開度減小時，高壓級渦輪膨脹比變大，渦輪做功能力增強(qiáng)，相應(yīng)的高壓級壓氣機(jī)功率增大，效率增加，故高壓級壓比隨之增加；相對而言，低壓級壓比未呈現(xiàn)明顯增加趨勢，其主要原因是VGT葉片開度減小對低壓級渦輪的膨脹比和效率影響較小，導(dǎo)致低壓級壓氣機(jī)功率和效率變化不大，因此低壓級壓比變化平緩。所以二級增壓系統(tǒng)總壓比隨VGT葉片開度的變化趨勢與高壓級壓比變化趨勢相同，隨VGT葉片開度減小而增大。

圖7 高低壓級壓比以及總壓比隨VGT葉片開度的變化

2.2 不同海拔下VGT葉片開度對柴油機(jī)性能的影響

二級可調(diào)增壓系統(tǒng)通過調(diào)整VGT葉片開度改變柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，影響了柴油機(jī)的進(jìn)氣流量，改變空燃比，進(jìn)而影響氣缸內(nèi)燃燒過程，對柴油機(jī)整體的動力性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。

圖8、圖9示出不同海拔下柴油機(jī)進(jìn)氣流量及空燃比隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，進(jìn)氣流量和空燃比均隨海拔的增高而降低。相同海拔時，柴油機(jī)的進(jìn)氣流量和空燃比均隨VGT葉片開度的減小而增加，這是因?yàn)樵趪娪蛥?shù)不變的情況下，當(dāng)VGT葉片開度減小時，渦輪截面積減小，尤其是高壓級膨脹比增大，做功能力增強(qiáng)，增壓比增大，使柴油機(jī)進(jìn)氣流量和空燃比逐漸增加。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，進(jìn)氣流量增加27.3%，空燃比增加29.4%；海拔4 500 m時VGT葉片開度從60%減小到40%，進(jìn)氣流量增加7.82%，空燃比增加了7.04%。因此，二級可調(diào)增壓系統(tǒng)通過調(diào)整VGT葉片開度能夠提高柴油機(jī)的進(jìn)氣流量以及空燃比，改善柴油機(jī)的燃燒過程以及柴油機(jī)低速響應(yīng)性能。

圖8 不同海拔下柴油機(jī)進(jìn)氣流量隨VGT葉片開度的變化

圖9 不同海拔下柴油機(jī)空燃比隨VGT葉片開度的變化

圖10示出柴油機(jī)進(jìn)氣壓力和排氣壓力隨VGT葉片開度的變化。相同海拔下進(jìn)氣壓力與排氣壓力隨VGT葉片開度變化趨勢相同，當(dāng)VGT葉片開度逐漸減小時，渦輪流通截面積也相應(yīng)減小，導(dǎo)致渦前壓力增加。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，進(jìn)氣壓力增加24.0%，排氣壓力增加28.8%；海拔4 500 m時VGT葉片開度從60%減小到40%，進(jìn)氣壓力增加6.75%，排氣壓力增加了4.73%。

圖10 不同海拔下柴油機(jī)進(jìn)排氣壓力隨VGT葉片開度的變化

由于高原地區(qū)大氣壓低，空氣稀薄，柴油機(jī)進(jìn)氣流量減小，過量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致燃燒不充分，柴油機(jī)低速動力性和經(jīng)濟(jì)性下降嚴(yán)重。通過調(diào)整VGT葉片開度，可以有效控制進(jìn)氣壓力，調(diào)整燃燒過程，進(jìn)而改善柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性。圖11示出不同海拔下柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性隨VGT葉片開度的變化。隨著VGT葉片開度的減小，柴油機(jī)進(jìn)氣流量以及空燃比增大，改善了缸內(nèi)的燃燒過程，使得柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性均得到改善；且隨著海拔的升高，VGT葉片最佳開度呈減小趨勢。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，扭矩相應(yīng)增加10.8%，燃油消耗率降低了10.2%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，扭矩增加7.6%，燃油消耗率降低了6.0%。

圖11 不同海拔下柴油機(jī)扭矩和燃油消耗率 隨VGT葉片開度的變化

2.3 不同海拔下VGT葉片開度對增壓器匹配特性的影響

圖12示出不同海拔、不同VGT葉片開度下柴油機(jī)與二級可調(diào)增壓器聯(lián)合運(yùn)行線。由圖可知，隨VGT葉片開度的減小，進(jìn)氣流量和壓比隨之增加，聯(lián)合運(yùn)行線向高效率區(qū)方向偏移。不同海拔條件下，高壓級壓氣機(jī)與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線均在高效率區(qū)，但低壓級壓氣機(jī)與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線則偏離高效率區(qū)，落在較小流量和壓比的范圍內(nèi)，這主要是由于柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下，排氣能量偏低，高壓級做功能力遠(yuǎn)高于低壓級，導(dǎo)致低壓級壓氣機(jī)效率降低。

圖12 不同海拔、不同VGT葉片開度下二級可調(diào) 增壓器與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線

3 結(jié)論

a) 隨著VGT葉片開度的減小，不同海拔下高、低壓級渦輪膨脹比均增加，但高壓級渦輪膨脹比增加幅度明顯大于低壓級；

b) 不同海拔下，隨VGT葉片開度的減小，高壓級壓氣機(jī)壓比、效率和功率有所提高，但低壓級壓氣機(jī)性能變化趨勢平緩，因此兩級壓氣機(jī)總壓比、總效率和總功率的變化同高壓級壓氣機(jī)變化趨勢一致；

c) 不同海拔下，隨VGT葉片開度的減小，柴油機(jī)進(jìn)氣流量和空燃比逐漸增加，動力性和經(jīng)濟(jì)性提高；

d) 海拔0～4 500 m條件下，高壓級壓氣機(jī)與柴油機(jī)的匹配狀況良好，但低壓級聯(lián)合運(yùn)行線偏離最高效率區(qū)。

[1] 劉瑞林．柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2013．

[2] 董素榮,許翔,周廣猛，等.車用柴油機(jī)高原性能提升技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].裝備環(huán)境工程,2013(2):67-70.

[3] 周廣猛,劉瑞林,董素榮,等.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究綜述[J].車用發(fā)動機(jī),2013(4):1-5.

[4] 董素榮,熊春友,劉瑞林,等.高原環(huán)境下柴油機(jī)增壓技術(shù)研究與應(yīng)用[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報,2015(5):44-48.

[5] 胡志林. 柴油機(jī)匹配二級增壓系統(tǒng)性能試驗(yàn)與模擬研究[D].天津：天津大學(xué),2010.

[6] 張眾杰.二級可調(diào)增壓系統(tǒng)設(shè)計及其與總歸柴油機(jī)高海拔匹配仿真研究[D].天津:軍事交通學(xué)院,2011:60-61.

[7] Hualei Li.Research on the power recovery of diesel engines with regulated Two-stage turbocharging system at different altitudes[J].International Journal of Rotating Machinery,2014(3):1-10.

[8] 魏名山,張志,方金莉，等.帶有放氣閥的二級增壓系統(tǒng)的設(shè)計與試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2009,27(2):166-170.

[9] Flardh O,Martensson J.Nonlinear exhaust pressure co-ntrol of an SI engine with VGT using partial model inversion[C]//49th IEEE Conference.[S.l.]：IEEE,2010.

[10] 郭林福,馬朝臣,施新，等.VGT對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動力性影響的試驗(yàn)研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2003,21(2):155-160.

[編輯： 潘麗麗]

Effects of VGT Blade Opening on Low Speed Matching Characteristics of Two-stage Turbocharging Diesel Engine at High Altitude

DONG Surong1, LIU Zhuoxue2, LIU Ruilin1， NA Xiaoliang2， ZHOU Guangmeng1

(1. Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2. Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Based on the high altitude performance simulation test system, the effects of VGT blade opening on low speed matching characteristics of two-stage turbocharging diesel engine at different altitudes were researched. The results showed that the expansion ratio of high pressure stage turbine and the compression ratio and adiabatic efficiency of compressor increased and that of low pressure stage turbine and the efficiency of compressor changed gently with the decrease of VGT blade opening at different altitudes. Therefore, the total compression ratio, efficiency and power of two-stage compressor were equivalent to those of high-pressure stage compressor. In addition, the intake mass flow and air-fuel radio also increased so that the power and economy performance improved. The high pressure stage compressor had good matching performance at 0-4 500 m and the joint operating curve was located in a high efficiency area.

high altitude; common rail diesel engine； variable geometric turbocharging system; two-stage turbocharging system； matching characteristics

2016-06-24；

2016-10-14

董素榮(1967—)，女，教授，博士，主要從事柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究工作；dongsr@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.006

TK421.8

B

1001-2222(2016)06-0030-06