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(dòng)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(jī)整體式推進(jìn)系統(tǒng)的出現(xiàn)，對主戰(zhàn)坦克動(dòng)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(jìn)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一[1-3]。隨著柴油機(jī)功率密度的提高，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速大幅度升高，高轉(zhuǎn)速條件下合理組織柴油機(jī)氣缸內(nèi)進(jìn)氣和燃燒過程是提升柴油機(jī)動(dòng)力性，降低油耗的難點(diǎn)所在[4-8]。高效渦輪增壓系統(tǒng)是HPD進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[9-10]，但HPD柴油機(jī)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(yàn)，分析某型軍用HPD柴油機(jī)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(jī)在負(fù)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(jìn)行了研究，得到了HPD柴油機(jī)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(jī)最高轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，與民用柴油機(jī)相比轉(zhuǎn)速變化范圍較小，在整個(gè)工況范圍內(nèi)，當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)也能夠和固定截面渦輪增壓器實(shí)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(dòng)機(jī)上使用時(shí)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(jī)，新一代HPD柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大幅度提高，與固定截面渦輪增壓器進(jìn)行匹配，在保證柴油機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)有足夠的增壓壓力時(shí)，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(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷過高；若按照柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速所需的增壓壓力進(jìn)行匹配，則在柴油機(jī)低速時(shí)，增壓壓力下降過多，不能保證柴油機(jī)所需的足夠的轉(zhuǎn)矩。采用VNT既可以保證柴油機(jī)在低速時(shí)有較高的轉(zhuǎn)矩，又能保證柴油機(jī)在標(biāo)定點(diǎn)附近增壓壓力適當(dāng)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)過高的機(jī)械負(fù)荷和渦輪增壓器的超速，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和部分負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)全工況范圍內(nèi)柴油機(jī)與增壓器的最佳匹配。

2 HPD柴油機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)型為某軍用新型6缸HPD柴油機(jī)，階段性研制指標(biāo)為轉(zhuǎn)速達(dá)到3 600 r/min，原樣機(jī)匹配高壓共軌噴油系統(tǒng)與固定截面渦輪增壓器，試驗(yàn)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(jī)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(gè)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(yàn)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(yàn)臺布置示意圖

試驗(yàn)臺架如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺架

3 HPD柴油機(jī)在線標(biāo)定

由于該型HPD柴油機(jī)采用了高壓共軌噴油系統(tǒng)，匹配VNT增壓系統(tǒng)時(shí)，包含多個(gè)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(jī)在各種工況下最優(yōu)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性能，需要采集各種工況不同控制參數(shù)下柴油機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得各工況下柴油機(jī)的最佳控制參數(shù)，從而使性能指標(biāo)達(dá)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(jī)的匹配標(biāo)定[11-15]。在線標(biāo)定系統(tǒng)提供了人機(jī)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(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)采集ECU關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在線標(biāo)定主機(jī)可以實(shí)時(shí)對柴油機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)監(jiān)測柴油機(jī)的性能，在線標(biāo)定主機(jī)與HPD柴油機(jī)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(shí)柴油機(jī)在高速高負(fù)荷和低速低負(fù)荷等不同工況下VNT葉片位置的變化對壓氣機(jī)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(jìn)行標(biāo)定時(shí)要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和VNT增壓系統(tǒng)的性能，同時(shí)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(dòng)機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)。本次標(biāo)定試驗(yàn)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(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)；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(shí)、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(diǎn)穩(wěn)定后，對主要性能指標(biāo)進(jìn)行測量。

圖4 數(shù)據(jù)通訊流程框圖

圖5 試驗(yàn)流程框圖

4 匹配不同增壓系統(tǒng)性能分析

將HPD柴油機(jī)匹配固定截面渦輪增壓器和匹配VNT并進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化后的負(fù)荷特性和外特性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，對負(fù)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(jī)出口壓力、轉(zhuǎn)矩、功率、小時(shí)耗油量、燃油消耗率、缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力等進(jìn)行了對比。

4.1 負(fù)荷特性對比

將HPD柴油機(jī)匹配VNT并同高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)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(fù)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(jī)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6及圖7所示。

圖6 3 600 r/min不同負(fù)荷燃油消耗率

圖7 2 800 r/min不同負(fù)荷燃油消耗率

從圖6可以看出：轉(zhuǎn)速為3 600 r/min時(shí)，匹配VNT增壓系統(tǒng)后燃油消耗率均低于原樣機(jī)，大負(fù)荷時(shí)下降幅度較小，小負(fù)荷時(shí)下降幅度較大，最大降低幅度為7.6%。這主要是由于原樣機(jī)在標(biāo)定點(diǎn)附近時(shí)柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油定時(shí)、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(fù)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(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)的進(jìn)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?。恍∝?fù)荷時(shí)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(shí)與高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期、共軌壓力等參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，兩者綜合作用改善了燃燒過程，使得柴油機(jī)的油耗相比原機(jī)有明顯的降低。

從圖7可以看出：與原機(jī)相比，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min時(shí)，在增加噴油量提高其最大轉(zhuǎn)矩的同時(shí)仍能保持較好的經(jīng)濟(jì)性，柴油機(jī)的綜合性能得到明顯提升。這主要是因?yàn)槠ヅ銿NT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(dòng)機(jī)的進(jìn)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(shí)，仍能保持良好的空燃比，優(yōu)化燃燒過程，降低柴油機(jī)的燃油消耗率。

4.2 外特性對比

將HPD柴油機(jī)匹配VNT并同高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化后外特性時(shí)柴油機(jī)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)出口壓力、小時(shí)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(jī)進(jìn)行對比分析。協(xié)同優(yōu)化時(shí)，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(jī)出口壓力對比

柴油機(jī)外特性渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)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(jī)外特性渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高于原樣機(jī)，柴油機(jī)外特性壓氣機(jī)出口壓力相對于原樣機(jī)有明顯上升，高轉(zhuǎn)速時(shí)，上升幅度較小，中低轉(zhuǎn)速時(shí)上升幅度較大。這是由于原樣機(jī)匹配固定截面渦輪增壓器時(shí)，主要是在標(biāo)定工況點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性匹配，因此在高轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)出口壓力與匹配VNT時(shí)變化不大；在中低轉(zhuǎn)速時(shí)，固定截面渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降，壓氣機(jī)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(dòng)能作用于渦輪上，提高渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)出口壓力。

HPD柴油機(jī)匹配VNT增壓系統(tǒng)后，在中低轉(zhuǎn)速時(shí)，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(jī)出口壓力，柴油機(jī)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(shí)充量系數(shù)變低的問題，從而使柴油機(jī)在中低轉(zhuǎn)速時(shí)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(jī)出口壓力

2) 小時(shí)耗油量和燃油消耗率對比

柴油機(jī)外特性小時(shí)耗油量和燃油消耗率如圖10及圖11所示。

圖10 外特性小時(shí)耗油量

圖11 外特性燃油消耗率

從圖10可以看出：柴油機(jī)外特性小時(shí)耗油量相對于原樣機(jī)總體增大，小時(shí)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(shí)，相比固定截面渦輪增壓器柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力有了明顯的提升，進(jìn)氣量增多，從而可以噴入更多的燃油提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

從圖11可以看出：柴油機(jī)外特性燃油消耗率相對于原樣機(jī)有明顯下降，高轉(zhuǎn)速時(shí)，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(shí)，燃油消耗率下降幅度達(dá)到28.7%。

綜合圖10和圖11可以看出，HPD柴油機(jī)匹配VNT增壓系統(tǒng)后，由于進(jìn)氣效率的提升，相比較原樣機(jī)能夠噴入更多的燃油提高柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩，同時(shí)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(jī)動(dòng)力性能提高的同時(shí)具備良好的經(jīng)濟(jì)性能。

3) 轉(zhuǎn)矩和功率對比

柴油機(jī)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(jī)外特性轉(zhuǎn)矩和功率相對于原樣機(jī)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(jī)的動(dòng)力性有了明顯提升，同時(shí)對外界負(fù)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(jī)匹配VNT增壓系統(tǒng)后，中低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率和轉(zhuǎn)矩有了明顯的改善，這主要是因?yàn)橹械娃D(zhuǎn)速時(shí)，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(jī)的轉(zhuǎn)矩，有效解決了柴油機(jī)匹配固定截面渦輪增壓器在中低轉(zhuǎn)速時(shí)功率與轉(zhuǎn)矩大幅度下降的問題，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的動(dòng)力性能。

4) 缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力對比

柴油機(jī)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(shí)與原樣機(jī)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(jī)升高，最大升高幅度達(dá)到了44.4%。可以看出，匹配VNT增壓系統(tǒng)后雖然柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的峰值變化不大，但整個(gè)工況范圍內(nèi)，柴油機(jī)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(shí)要高，柴油機(jī)受到的機(jī)械沖擊和熱負(fù)荷增大，對其結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

5 結(jié)論

1) HPD柴油機(jī)匹配VNT并同高壓共軌噴油系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化后，相比匹配固定截面渦輪增壓器時(shí)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(jī)的動(dòng)力性有了明顯改善，適應(yīng)性提高。

2) HPD柴油機(jī)匹配VNT并進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化后外特性和負(fù)荷特性時(shí)不僅提高了柴油機(jī)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(shí)有明顯下降，最大下降幅度達(dá)到28.7%，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性得到明顯改善。

3) HPD柴油機(jī)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(shí)與原樣機(jī)相當(dāng)，轉(zhuǎn)速低于2 400 r/min后高于原樣機(jī)，最大上升幅度達(dá)44.4%，柴油機(jī)在整個(gè)工況范圍內(nèi)所受到的機(jī)械沖擊增加，對零部件的可靠性提出了更高的要求，需進(jìn)一步對柴油機(jī)零部件的機(jī)械強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算和研究。