陳靜，楊闖，張亮，夏凱，胡智超

(1.江西五十鈴發(fā)動機有限公司，江西南昌 330200;2.博世汽車柴油系統(tǒng)有限公司，江蘇無錫 214028)

0 引言

2016年12月23日，國務(wù)院總理李克強召開會議，審議通過《西部大開發(fā)“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃中深刻分析了我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略在當今形勢下面臨的新機遇與挑戰(zhàn)。輕重型車在明確的未來幾年的鐵路、公路、機場等方面的重點工程項目中將發(fā)揮重要的作用[1]。柴油機因具有良好的可靠性、經(jīng)濟性及動力性的特點而廣泛應(yīng)用于輕重型車上。

西部較典型的青藏高原平均海拔在4 000 m以上，高原的氣候條件與平原地區(qū)差別很大。研究表明，不同海拔的環(huán)境參數(shù)是影響柴油機性能的主要原因[2-5]。高海拔地區(qū)的空氣稀薄，發(fā)動機的進氣量減少，致使燃燒及排放惡化，如此柴油車到高原地區(qū)常出現(xiàn)排動力性不足、經(jīng)濟性下降的問題，嚴重時還會出現(xiàn)冒黑煙、渦輪前排氣溫度超溫、增壓器轉(zhuǎn)速超速等問題。所以，在高海拔地區(qū)開展增壓器保護試驗很有必要。為適應(yīng)高原環(huán)境，需對平原標定的柴油車進行相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化。周廣猛等[6]指出：目前研究的重點是做好增壓器和燃油系統(tǒng)的匹配，而后通過實地試驗對比分析柴油機高海拔的性能表現(xiàn)。李環(huán)等人[7]指出，高原環(huán)境中動力性、排氣煙度、增壓器保護試驗為ECU電控數(shù)據(jù)開發(fā)的三大主要影響因素。

目前國內(nèi)學者對發(fā)動機在高原地區(qū)的適應(yīng)性試驗的研究方式主要有試驗室臺架試驗和可移動式座臺試驗，很少有發(fā)動機整車試驗的介紹。文中通過對某款輕型國五柴油車在不同海拔地區(qū)實際的增壓器表現(xiàn)，加以噴油量的修正及驗證，以達到整車滿足不同海拔地區(qū)增壓器保護及動力性要求。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗車輛及發(fā)動機

試驗車輛為某公司生產(chǎn)的某自主品牌匹卡，匹配某6速手動變動箱和搭載該公司自主研發(fā)的某型發(fā)動機。該發(fā)動機的基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備由轉(zhuǎn)速傳感器、排氣溫度傳感器、轉(zhuǎn)速顯示儀、信號線、電源線、ETAS通信測試設(shè)備、電腦組成。轉(zhuǎn)速顯示儀將從增壓器的壓氣機端采集到的轉(zhuǎn)速頻率信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；ETAS設(shè)備直接讀取該模擬信號通過公式轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信號；電腦通過INCA軟件讀取此轉(zhuǎn)速信號。同理，排氣溫度傳感器的信號也是通過ETAS設(shè)備轉(zhuǎn)換并傳輸至電腦。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

1.3 數(shù)據(jù)刷寫設(shè)備

數(shù)據(jù)刷寫設(shè)備由INCA軟件環(huán)境、ETAS通信設(shè)備和ECU硬件平臺組成，外特性噴油量的數(shù)據(jù)由電腦控制ECU進行調(diào)整。

1.4 試驗方法

在做增壓器保護時，基于基礎(chǔ)外特性噴油量，對6個不同海拔地區(qū)的外特性噴油量進行不等的噴油限制，使增壓器轉(zhuǎn)速不超過23×104r/min，發(fā)動機渦前排氣溫度不超過780 ℃(以下簡稱排溫)，以及在保證零部件可靠性的前提下滿足整車客戶的動力性要求。

2 試驗結(jié)果及分析

試驗地點及其對應(yīng)的海拔高度如下：敦煌(1 110 m)、阿克塞(1 800 m)、格爾木(2 800 m)、納赤臺(3 500 m)、西大灘(4 100 m)、昆侖山(4 500 m)。

2.1 不同海拔增壓器轉(zhuǎn)速在壓氣機性能中表現(xiàn)

圖2為試驗車在不同海拔地區(qū)增壓器轉(zhuǎn)速在壓氣機性能圖中表現(xiàn)的試驗結(jié)果?？煽闯?隨海拔高度的提高，增壓器轉(zhuǎn)速提高。這主要是因為隨著海拔的提高，盡管大氣密度降低導(dǎo)致柴油機進氣量減少，但渦輪的排氣背壓也隨之降低，膨脹比增加，從而使渦輪獲得更多的能量，提高了渦輪的做功能力。有研究表明：在穩(wěn)定1 700 r/min時表現(xiàn)出進氣密度隨海拔的升高而降低，發(fā)動機進氣質(zhì)量流量減少，空燃比下降，渦輪入口溫度升高[4]。但實際上從表2可看出:在發(fā)動機轉(zhuǎn)速同為3 000 r/min時，隨增壓器轉(zhuǎn)速的提高，進氣流量和增壓比也隨之增加。這可歸因于在高海拔地區(qū)，雖然空氣稀薄使得進氣流量降低，但渦輪的排氣背壓隨海拔升高而降低的幅度更大，從而使得最終的空氣流量隨海拔升高而增大。

圖2 不同海拔壓氣機性能表現(xiàn)

海拔高度/m外特性油量/(mg·沖程-1)增壓器轉(zhuǎn)速/(104r·min-1)增壓比空氣流量/(kg·s-1)排溫/℃111059．518．62．490．127742180054192．630．13975228005119．92．860．14576635004820．53．060．1668041004421．43．130．15766045003621．13．060．16582

圖3和圖4為試驗車在不同海拔地區(qū)的排溫和增壓器轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果?？煽闯?各海拔下的增壓器轉(zhuǎn)速和排氣溫度均處于設(shè)計允許范圍內(nèi)。此外，海拔2 800 m以下，增壓器保護在各發(fā)動機轉(zhuǎn)速下主要受排溫限制，排溫維持在730～760 ℃之間，增壓器轉(zhuǎn)速在22×104r/min以下;海拔3 500 m以上，增壓器保護受發(fā)動機運行的工況影響。發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以下，增壓器保護主要受排溫限制，排溫維持在660～750 ℃內(nèi)，增壓器轉(zhuǎn)速在21.4×104r/min以下；發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以上，增壓器保護主要受增壓器轉(zhuǎn)速限制，增壓器轉(zhuǎn)速在(22～22.7)×104r/min之間，排溫在430～680 ℃內(nèi)。

圖3 不同海拔不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下排溫表現(xiàn)

圖4 不同海拔不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下增壓器轉(zhuǎn)速表現(xiàn)

2.2 不同海拔地區(qū)增壓器轉(zhuǎn)速掃點圖

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)驗證，不同海拔標定的外特性噴油量下各增壓器轉(zhuǎn)速、發(fā)動機排溫均處于設(shè)計要求范圍內(nèi)。除此之外，整車實際道路行駛過程中，這兩個參數(shù)也是被要求不準超過設(shè)計限值。

柴油車在變工況的全部運行范圍內(nèi)，增壓器的壓氣機需滿足不發(fā)生喘振的要求[8]。實驗過程中通過INCA軟件讀出測量的壓氣機進口壓力、壓氣機進口溫度、壓氣機出口壓力和進氣質(zhì)量流量，通過公式(1)算出實際增壓比，通過公式(2)算出折合的進氣質(zhì)量流量，而后將點繪制在壓氣機的性能圖中。圖5為不同海拔地區(qū)實際車輛道路行駛的掃點圖?？煽闯?，所有點均運行在喘振線以內(nèi)。

(1)

式中：πc為增壓比；p1為壓氣機進口壓力；p2為壓氣機出口壓力。

(2)

式中：Gacon為折合質(zhì)量流量；Ga為質(zhì)量流量；p1為壓氣機進口壓力；T1為壓氣機進口溫度。

圖5 不同海拔道路增壓器轉(zhuǎn)速掃點圖

2.3 噴油量修正前后的動力性、增壓器轉(zhuǎn)速和發(fā)動機排溫對比

為了保護增壓器轉(zhuǎn)速不超速和排溫不超溫，噴油量較外特性油量相對減少，對發(fā)動機的功率會有所影響。修正前的噴油量為基礎(chǔ)標定數(shù)據(jù)的噴油量，修正后的噴油量為在基礎(chǔ)標定數(shù)據(jù)上放寬限制后的外特性噴油量。圖6為不同海拔下修正噴油量前的柴油車動力性的對比圖。由圖6(a)得出：海拔4 500 m相對于海拔3 500 m的百公里加速時間延長了55.1%。由圖6(b)得出：海拔4 500 m相對于海拔3 500 m的五擋最高車速下降了13.4%。

圖6 不同海拔下修正噴油量前的柴油車動力性的對比

海拔高度對柴油車動力性有影響主要是因為：由表2可看出，海拔高度增高后，排氣背壓降低，膨脹比增加，使得增壓器的做功能力提高，有效補償了高海拔稀薄空氣帶來的負影響，使得海拔3 500 m以上的進氣流量幾近相同。但由圖2可看出，增壓器轉(zhuǎn)速隨海拔高度的提高而增加，而為了保證增壓器轉(zhuǎn)速不超速，對不同海拔的外特性噴油量進行不等的限制，即限制量隨海拔高度的增加而增多，因而柴油車的動力性能隨海拔高度的增加而下降。

對于客戶來說，希望發(fā)動機零部件在滿足安全可靠的前提下，提升整車的動力性能。為此，作者在基本標定的數(shù)據(jù)之上放寬不同海拔地區(qū)的外特性噴油量，對比調(diào)整噴油量前后整車的百公里加速時間和五擋最高車速時的動力性表現(xiàn)、增壓器轉(zhuǎn)速和發(fā)動機排溫。

客戶對海拔2 800 m以下的動力性表現(xiàn)滿意，希望對海拔3 500 m以上的動力性進行優(yōu)化，因此針對海拔3 500 m以上地區(qū)的噴油量進行調(diào)整，其對比如圖7所示，圖7(a)、(b)、(c)分別為海拔3 500、4 100和4 500 m的油量調(diào)整對比圖。可看出:不同海拔噴油量在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下均未有所調(diào)整，其調(diào)整空間很小，主要受外特性油量的限制。由圖7(a)可得：修正噴油量前的功率損失在37%以下，修正噴油量后的功率損失在33%以下；由圖7(b)可得：修正噴油量前的功率損失在48%以下，修正噴油量后的功率損失在39%以下；由圖7(c)可得：修正噴油量前的功率損失在59%以下，修正噴油量后的功率損失在54%以下。由此可對比出，隨海拔高度的提高，限制噴油量數(shù)值更大。

圖7 不同海拔地區(qū)噴油量調(diào)整

為提高整車在高原地區(qū)的動力性，在這3個高原地區(qū)進行百公里加速和五擋最高車速測試，對應(yīng)的試驗結(jié)果分別如圖8和圖9所示。由圖8(a)看出：修正噴油量前百公里加速時間隨海拔的提高而明顯延長，修正噴油量后百公里加速時間有明顯的改善，4 100 m海拔時百公里加速時間提升近33.5%；由圖8(b)看出：修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；由圖8(c)看出：修正噴油量前增壓器轉(zhuǎn)速未超速，4 100 m以上在修正噴油量后增壓器轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超速情況。由圖9(a)看出：4 100 m以上在修正噴油量前、后的五擋最高車速提速明顯，最高提速近13.2%；由圖9(b)看出：修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；由圖9(c)看出：4 500 m時增壓器轉(zhuǎn)速最高達24.7×104r/min，超出安全設(shè)計值，因此放寬外特性油量限制是不可取的。

圖8 不同海拔地區(qū)百公里加速時間

圖9 不同海拔地區(qū)五擋最高車速

3 結(jié)論

(1)在滿足增壓器轉(zhuǎn)速不超速、渦前排氣溫度不超溫的前提下，對不同海拔高度的外特性噴油量進行相應(yīng)的限制，得出海拔高度2 800 m以下，增壓器保護在各發(fā)動機轉(zhuǎn)速下主要受排溫限制，排溫維持在730～760 ℃內(nèi)，增壓器轉(zhuǎn)速在22×104r/min以下。海拔高度3 500 m以上，增壓器保護受發(fā)動機運行的工況影響。發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以下，增壓器保護主要受排溫限制，排溫維持在660～750 ℃內(nèi)，增壓器轉(zhuǎn)速在21.4×104r/min以下；發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 000 r/min以上，增壓器保護主要受增壓器轉(zhuǎn)速限制，增壓器轉(zhuǎn)速在(22～22.7)×104r/min之間，排溫在430～680 ℃內(nèi)。

(2)為提高整車在高原地區(qū)的動力性，對比放寬不同海拔外特性噴油量的限制前、后的功率損失，不同海拔高度噴油量在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下均未有所調(diào)整，其調(diào)整空間很小，主要受外特性油量的限制。在海拔3 500 m時，修正噴油量前的功率損失在37%以下，修正噴油量后的功率損失在33%以下；在海拔4 100 m時，修正噴油量前的功率損失在48%以下，修正噴油量后的功率損失在39%以下；在海拔4 500 m時，修正噴油量前的功率損失在59%以下，修正噴油量后的功率損失在54%以下。

(3)對比放寬不同海拔外特性噴油量限制前后的動力性、增壓器轉(zhuǎn)速和排溫：百公里加速時間方面，修正噴油量前百公里加速時間隨海拔的提高而明顯延長，修正噴油量后百公里加速時間有明顯的改善，海拔4 100 m時百公里加速時間提升近33.5%；修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；修正噴油量前增壓器轉(zhuǎn)速未超速，4 100 m以上在修正噴油量后增壓器轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超速情況。五擋最高車速方面，4 100 m以上在修正噴油量前后的五擋最高車速提速明顯，最高提速近13.2%；修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；4 500 m時增壓器轉(zhuǎn)速最高達24.7×104r/min，超出安全設(shè)計值，因此放寬外特性油量限制是不可取的。

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