張慧龑，湯旭陽，石 磊，鄧康耀

（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. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

柴油機(jī)變海拔運(yùn)行時(shí)，具備一定的海拔自調(diào)節(jié)能力。同時(shí)，通過增壓系統(tǒng)的變海拔調(diào)節(jié)，能夠進(jìn)一步提高增壓系統(tǒng)的海拔適應(yīng)性，不同結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方式的增壓系統(tǒng)海拔適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力存在差異。對此，國內(nèi)外學(xué)者針對典型的增壓系統(tǒng)開展了增壓系統(tǒng)海拔適應(yīng)及其調(diào)節(jié)能力研究。

變海拔運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)式廢氣放氣閥方案被應(yīng)用在廢氣放氣式增壓器。昆明理工大學(xué)的申立中等的試驗(yàn)結(jié)果顯示，廢氣放氣式增壓柴油機(jī)能在2000 m 以下海拔實(shí)現(xiàn)功率不降，但高負(fù)荷工況的燃油消耗率明顯增加。中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所李書奇等擴(kuò)大廢氣放氣式增壓器在高原運(yùn)行的超速裕度，提高了柴油機(jī)的海拔適應(yīng)能力，試驗(yàn)結(jié)果表明4000 m 海拔運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩仍有較大幅度下降，轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)降幅達(dá)到12.4%。商海昆等對于匹配了廢氣放氣式增壓器的電控高壓共軌柴油機(jī)調(diào)整供油策略，能夠一定程度上增加柴油機(jī)的海拔適應(yīng)能力。

通過可變截面式渦輪增壓器（VGT）流通面積的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了增壓系統(tǒng)進(jìn)氣壓比和流量的調(diào)節(jié)。與廢氣放氣式增壓器相比，是一種高效的調(diào)節(jié)方式。中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所靳嶸等通過變海拔試驗(yàn)得知，采用VGT 增壓器的柴油機(jī)在4000 m 海拔運(yùn)行時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速維持不變，且轉(zhuǎn)矩降幅小于5%。上海交通大學(xué)通過VGT 變海拔控制，能夠?qū)崿F(xiàn)增壓壓力和轉(zhuǎn)矩在3000 m海拔以下完全恢復(fù)，4500 m 海拔的轉(zhuǎn)矩比廢氣放氣式增壓柴油機(jī)有所提升，且獲得了較高的進(jìn)排氣壓差。王俊等的研究表明，在1920 m 海拔以下，通過VGT 的調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)功率完全恢復(fù)至平原水平，最大油耗率上升比例低于3%。北京交通大學(xué)的高榮剛等通過VGT 的調(diào)節(jié)使柴油機(jī)在4000 m 海拔運(yùn)行時(shí)，功率下降幅度低于4%，但此時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速已達(dá)最大轉(zhuǎn)速限值。中南大學(xué)和湖南天雁公司通過高原試驗(yàn)，總結(jié)出增壓柴油機(jī)海拔運(yùn)行能力受制于增壓器喘振與超速以及柴油機(jī)排氣超溫。楊名洋等進(jìn)一步歸納出單級增壓柴油機(jī)變海拔運(yùn)行的限制邊界。研究表明，單級增壓器無法實(shí)現(xiàn)3800 m以上海拔進(jìn)氣量的完全恢復(fù)。

兩級增壓系統(tǒng)具備進(jìn)氣量完全恢復(fù)至平原值的供氣能力。北京理工大學(xué)劉系暠的研究結(jié)果表明，兩級增壓柴油機(jī)在海拔5500 m時(shí)最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定點(diǎn)功率相對單級增壓柴油機(jī)分別提高15.5%和27.2%，兩級增壓器的壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)位于高效率區(qū)且不會(huì)超速。中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所和上海交通大學(xué)針對不同的重載柴油機(jī)分別進(jìn)行的變海拔性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不可調(diào)兩級增壓柴油機(jī)的海拔適應(yīng)能力強(qiáng)于單級增壓柴油機(jī)，但增壓系統(tǒng)效率較低引起的泵氣負(fù)功較大，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性也較差。

研究表明，以平原額定工況點(diǎn)作為匹配點(diǎn)并采用低壓級渦輪旁通調(diào)節(jié)方式的兩級增壓系統(tǒng)，海拔2000 m 以下柴油機(jī)功率恢復(fù)到平原水平，海拔5500 m 時(shí)功率恢復(fù)至平原的80%，2000-5500 m 區(qū)間隨海拔高度升高功率近似線性遞減。以最高海拔最大轉(zhuǎn)矩工況為匹配點(diǎn)并采用高壓級渦輪旁通調(diào)節(jié)方式的兩級增壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)在3000 m以下運(yùn)行功率不變，4500 m 運(yùn)行功率下降小于15%的目標(biāo)。國內(nèi)其他研究單位以不同的柴油機(jī)為研究對象，匹配了可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)，得到類似的海拔適應(yīng)性結(jié)果。軍事交通學(xué)院均采用高壓級和低壓級VGT 的兩級增壓系統(tǒng)進(jìn)行變海拔調(diào)節(jié)，在5500 m 海拔運(yùn)行時(shí)，功率恢復(fù)至平原時(shí)的95%以上，并且降低了1200 r/min 以下低速工況燃油消耗率。研究表明，采用三級甚至多級增壓系統(tǒng)，能使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足更高海拔的運(yùn)行需求。

盡管現(xiàn)有的文獻(xiàn)針對不同形式的增壓系統(tǒng)分別進(jìn)行了增壓柴油機(jī)的海拔適應(yīng)及其調(diào)節(jié)能力的研究，但是，這類研究大多針對某一固定型號的柴油機(jī)或增壓系統(tǒng)開展仿真或試驗(yàn)研究，研究結(jié)果并不具備通用性。而且現(xiàn)有的研究沒有針對增壓系統(tǒng)的海拔適應(yīng)或調(diào)節(jié)能力提出相應(yīng)的分析和評估方法，只能依賴于大量的試驗(yàn)測試。故須開展增壓系統(tǒng)的海拔適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力研究，建立增壓柴油機(jī)的海拔適應(yīng)性和海拔調(diào)節(jié)能力的分析方法，以滿足工程應(yīng)用需求。

本文中采用熱力學(xué)推導(dǎo)的方法，建立了增壓系統(tǒng)的海拔自適應(yīng)能力與海拔調(diào)節(jié)能力分析模型，分析了增壓柴油機(jī)海拔適應(yīng)能力的影響因素；提出了典型的增壓系統(tǒng)的海拔適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力分析方法，并在柴油機(jī)變海拔性能試驗(yàn)臺架上開展試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該分析方法的準(zhǔn)確性。

1 柴油機(jī)變海拔性能測試試驗(yàn)臺架

本文中選用了上海柴油機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的SC7H245Q5型柴油機(jī)，并匹配了兩級增壓系統(tǒng)，如圖1所示。海拔環(huán)境采用進(jìn)排氣模擬的方式實(shí)現(xiàn)，低壓級壓氣機(jī)入口和高壓級渦輪出口與環(huán)境模擬系統(tǒng)相連。高原環(huán)境模擬系統(tǒng)的主要設(shè)備和技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 環(huán)境模擬設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 增壓柴油機(jī)性能測試試驗(yàn)臺

2 增壓柴油機(jī)的海拔自適應(yīng)與調(diào)節(jié)能力

2.1 增壓系統(tǒng)海拔自適應(yīng)能力模型

海拔自適應(yīng)能力是指不經(jīng)過增壓系統(tǒng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)，只由柴油機(jī)的自補(bǔ)償作用實(shí)現(xiàn)一定的海拔適應(yīng)能力，此時(shí)柴油機(jī)的輸出功率與平原相同。對于增壓柴油機(jī)，海拔自調(diào)節(jié)能力包括燃燒自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力和增壓系統(tǒng)自適應(yīng)能力兩部分。在柴油機(jī)變海拔運(yùn)行時(shí)，燃燒自適應(yīng)能力是通過降低燃燒過程的進(jìn)氣量和增加燃油消耗率，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的功率不變。

海拔高度與環(huán)境壓力的對應(yīng)關(guān)系為

式中：為海拔高度與環(huán)境壓力變化的比例系數(shù)；和分別為高原和平原的環(huán)境壓力。

自然吸氣柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力與環(huán)境壓力相同，燃燒過程的海拔自適應(yīng)能力與過量空氣系數(shù)下降裕度Δ的關(guān)系為

過量空氣系數(shù)的裕度決定了自然吸氣柴油機(jī)的海拔自適應(yīng)能力。同時(shí)，環(huán)境溫度變化范圍較小，對燃燒調(diào)節(jié)能力的影響較小。1400 r/min 轉(zhuǎn)速40%低負(fù)荷（384 N·m）和外特性（965 N·m）工況的燃燒過程海拔調(diào)節(jié)能力如圖2 所示。由于平原運(yùn)行時(shí)低負(fù)荷工況過量空氣系數(shù)較大，燃燒過程自調(diào)節(jié)裕度也相對較大。因此，部分負(fù)荷工況具備實(shí)現(xiàn)較高海拔的自調(diào)節(jié)能力。

圖2 柴油機(jī)燃燒裕度與海拔自調(diào)節(jié)能力的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)［26］中的研究成果，適用于高原運(yùn)行大膨脹比的渦輪流通特性可以表示為

式中：為增壓系統(tǒng)的等效面積；為排氣比熱容比；為渦輪入口溫度；為渦輪總膨脹比。

增壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，壓氣機(jī)總耗功與渦輪總膨脹功平衡，故渦輪的壓比可表示為

式中：和分別為空氣和廢氣的定壓比熱容；為增壓系統(tǒng)效率；為空氣比熱容比；為壓氣機(jī)的總壓比。

將式（3）～式（5）聯(lián)立，獲得增壓系統(tǒng)變海拔運(yùn)行的壓比需求：

考慮到增壓柴油機(jī)大多帶有進(jìn)氣中冷器，且中冷能力能夠滿足柴油機(jī)的運(yùn)行需求，因此，k可以視為常數(shù)。根據(jù)式（1），增壓柴油機(jī)海拔自調(diào)節(jié)能力可以表示為

式中為高原運(yùn)行柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力。可以看出，增壓柴油機(jī)的海拔自調(diào)節(jié)能力主要與環(huán)境參數(shù)、過量空氣系數(shù)及其裕度、增壓系統(tǒng)等效渦輪面積與系統(tǒng)效率和柴油機(jī)工況有關(guān)。

根據(jù)式（7），考查不同負(fù)荷下柴油機(jī)海拔自調(diào)節(jié)能力的影響。1400 r/min 轉(zhuǎn)速40%負(fù)荷和外特性工況，其自調(diào)節(jié)海拔高度如圖3（a）所示。與圖2 的結(jié)果相比，固定截面增壓柴油機(jī)的海拔自調(diào)節(jié)高度超過了自然吸氣柴油機(jī)，說明增壓柴油機(jī)具有更強(qiáng)的海拔自調(diào)節(jié)能力。進(jìn)一步探究增壓系統(tǒng)參數(shù)對固定截面柴油機(jī)海拔自調(diào)節(jié)能力的影響。在分析中，避免了高海拔運(yùn)行時(shí)增壓系統(tǒng)運(yùn)行邊界的限制，如增壓器最高轉(zhuǎn)速等。由圖3（a）可以看出，增壓系統(tǒng)等效面積越小，柴油機(jī)的海拔自調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。增壓系統(tǒng)等效面積=7.8 cm時(shí)，不同增壓系統(tǒng)效率下自調(diào)節(jié)海拔高度，如圖3（b）所示。在相同過量空氣系數(shù)裕度時(shí)，增壓系統(tǒng)效率越高，柴油機(jī)的海拔自調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。通過以上分析，增壓系統(tǒng)的等效面積與效率均對增壓柴油機(jī)的海拔自調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生影響，為了實(shí)現(xiàn)高海拔自調(diào)節(jié)能力，增壓系統(tǒng)需采用較小的等效面積且維持較高的系統(tǒng)效率。

圖3 柴油機(jī)負(fù)荷、增壓系統(tǒng)參數(shù)對柴油機(jī)海拔自調(diào)節(jié)能力的影響

下面探討不同轉(zhuǎn)速下增壓柴油機(jī)的海拔自調(diào)節(jié)能力，此時(shí)增壓系統(tǒng)的等效面積維持不變，其結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯?，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高，相同過量空氣系數(shù)裕度下海拔自調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。1000 r/min 轉(zhuǎn)速工況的海拔自調(diào)節(jié)高度為1250 m，2300 r/min 轉(zhuǎn)速工況的海拔自調(diào)節(jié)高度為3230 m。若柴油機(jī)的海拔自調(diào)節(jié)能力不滿足海拔適應(yīng)高度需求，需對增壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即減小增壓系統(tǒng)等效面積或增大系統(tǒng)效率。

圖4 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對海拔自調(diào)節(jié)能力的影響

2.2 增壓系統(tǒng)的海拔調(diào)節(jié)能力

通過增壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)更大的海拔適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力。對于可調(diào)增壓柴油機(jī)，增壓系統(tǒng)等效調(diào)節(jié)引起的柴油機(jī)海拔調(diào)節(jié)能力變化可以用下式表示：

式中上角標(biāo)“′”表示增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的參數(shù)。

以1400 r/min、100%負(fù)荷工況為例分析，單級旁通調(diào)節(jié)、兩級高壓級旁通調(diào)節(jié)和低壓級旁通調(diào)節(jié)增壓系統(tǒng)的海拔調(diào)節(jié)能力，如圖5（a）所示?？梢钥闯觯谙嗤^量空氣系數(shù)裕度下，單級增壓系統(tǒng)的海拔調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，兩級增壓系統(tǒng)低壓級調(diào)節(jié)方式的海拔調(diào)節(jié)能力最弱。同時(shí)，由圖5（b）不同調(diào)節(jié)方式在海拔調(diào)節(jié)時(shí)的過量空氣系數(shù)變化可知，單級增壓柴油機(jī)的供氣能力不足，增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)仍不能改變過量空氣系數(shù)隨著運(yùn)行海拔的升高而快速降低的趨勢，其海拔調(diào)節(jié)能力通過降低過量空氣系數(shù)實(shí)現(xiàn)。高原匹配的兩級增壓系統(tǒng)低壓級調(diào)節(jié)方式的供氣調(diào)節(jié)能力不足，在海拔降低后過量空氣系數(shù)快速升高，甚至導(dǎo)致平原運(yùn)行時(shí)最大爆發(fā)壓力超限。只有高原匹配的兩級增壓系統(tǒng)高壓級調(diào)節(jié)方式能夠在實(shí)現(xiàn)4500 m 海拔大跨度調(diào)節(jié)的同時(shí)維持平原的過量空氣系數(shù)。

圖5 不同增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的海拔高度調(diào)節(jié)能力

增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，等效面積的改變伴隨著系統(tǒng)效率的變化，其結(jié)果如圖6 所示。海拔調(diào)節(jié)高度需求低于2000 m時(shí)，若可以接受的增壓系統(tǒng)效率下降裕度較大，則可以選用兩級增壓系統(tǒng)高壓級調(diào)節(jié)、兩級增壓系統(tǒng)低壓級調(diào)節(jié)和單級增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)3 種調(diào)節(jié)方式；海拔調(diào)節(jié)高度需求達(dá)到4500 m 時(shí)，即使增壓系統(tǒng)效率調(diào)節(jié)裕度繼續(xù)增大，兩級增壓系統(tǒng)低壓級調(diào)節(jié)方式仍無法滿足大海拔跨度的調(diào)節(jié)需求。若過量空氣系數(shù)和增壓系統(tǒng)效率下降裕度較小，則只能選擇兩級增壓系統(tǒng)高壓級調(diào)節(jié)方式。

圖6 不同增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的海拔調(diào)節(jié)范圍

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

首先，通過臺架試驗(yàn)，獲得了增壓柴油機(jī)典型工況在0、2000、3000 和4500 m 海拔運(yùn)行時(shí)不同高壓級旁通閥開度下的過量空氣系數(shù)和200 N·m 與外特性工況下的試驗(yàn)結(jié)果，見表2和表3。通過式（7），可以計(jì)算出不同工況柴油機(jī)的海拔自適應(yīng)能力，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖7 和圖8 所示。相同等效面積時(shí)，低負(fù)荷工況的海拔自適應(yīng)能力更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高海拔的運(yùn)行高度。由變海拔臺架試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的對比可知，固定增壓系統(tǒng)的海拔自調(diào)節(jié)能力分析方法所得到的預(yù)測值可以用來分析或評估不同等效面積的增壓系統(tǒng)的海拔自適應(yīng)高度。

圖7 200 N·m低負(fù)荷工況增壓系統(tǒng)等效面積海拔自調(diào)節(jié)能力計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖8 外特性工況增壓系統(tǒng)等效面積海拔自調(diào)節(jié)能力計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對比

表2 200 N·m工況變海拔過量空氣系數(shù)

表3 外特性工況變海拔過量空氣系數(shù)

對于高壓級旁通調(diào)節(jié)，基于平原運(yùn)行時(shí)兩級增壓柴油機(jī)的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過式（8）獲得增壓系統(tǒng)的等效面積海拔調(diào)節(jié)能力，對比預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，其誤差值如圖9 所示?？梢钥闯?，在2000、3000 和4500 m 3 個(gè)典型海拔運(yùn)行時(shí)，不同的增壓系統(tǒng)等效面積調(diào)節(jié)量對應(yīng)的海拔調(diào)節(jié)能力與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在不同海拔運(yùn)行范圍內(nèi)，海拔預(yù)測誤差均小于5%的相對誤差值。這表示增壓系統(tǒng)等效的海拔調(diào)節(jié)高度的計(jì)算結(jié)果具有較高的精度，可以作為增壓系統(tǒng)變海拔調(diào)節(jié)范圍的評判依據(jù)。

圖9 不同工況增壓系統(tǒng)等效面積的海拔調(diào)節(jié)能力預(yù)測值與試驗(yàn)結(jié)果對比

通過上述試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果的對比可知，其固定等效面積的海拔自調(diào)節(jié)能力和等效面積變化量的海拔調(diào)節(jié)能力分析結(jié)果均與變海拔臺架試驗(yàn)結(jié)果一致，且誤差值小于5%，能夠滿足工程應(yīng)用需求。因此，固定等效面積的海拔自調(diào)節(jié)能力與增壓系統(tǒng)的海拔調(diào)節(jié)能力分析方法具有足夠的精度，可以用以分析和預(yù)測不同柴油機(jī)和增壓系統(tǒng)的海拔自適應(yīng)與調(diào)節(jié)能力。

4 結(jié)論

本文中采用熱力學(xué)建模的方法，研究了增壓系統(tǒng)的海拔高度自適應(yīng)與調(diào)節(jié)能力，并在變海拔柴油機(jī)性能測試試驗(yàn)臺上開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。本文的主要結(jié)論如下。

（1）推導(dǎo)了增壓柴油機(jī)海拔自適應(yīng)能力分析模型。低負(fù)荷工況的燃燒自適應(yīng)能力較強(qiáng)，而高轉(zhuǎn)速工況的增壓系統(tǒng)自適應(yīng)能力較強(qiáng)。對于增壓柴油機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)更高海拔自調(diào)節(jié)能力，增壓系統(tǒng)需采用較小的等效面積且維持較高的系統(tǒng)效率。

（2）建立了增壓系統(tǒng)的海拔調(diào)節(jié)能力分析模型。相同調(diào)節(jié)量下，單級增壓旁通調(diào)節(jié)方式以過量空氣系數(shù)降幅最大為代價(jià)獲得了較強(qiáng)的海拔調(diào)節(jié)能力，兩級增壓系統(tǒng)低壓級調(diào)節(jié)方式的海拔調(diào)節(jié)能力最弱。兩級增壓系統(tǒng)高壓級調(diào)節(jié)方式能夠?qū)崿F(xiàn)4500 m 海拔范圍內(nèi)過量空氣系數(shù)不降，且效率降幅最小。為了實(shí)現(xiàn)海拔高度的大跨度高效調(diào)節(jié)，須采用兩級增壓系統(tǒng)高壓級調(diào)節(jié)方式。

（3）完成了變海拔增壓系統(tǒng)海拔自適應(yīng)與調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷和外特性工況，海拔自適應(yīng)能力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合；在不同海拔運(yùn)行范圍內(nèi)，海拔調(diào)節(jié)能力計(jì)算結(jié)果誤差均小于5%。本文中推導(dǎo)的模型具備足夠的精度，可以評價(jià)不同等效面積增壓系統(tǒng)的海拔自調(diào)節(jié)能力以及計(jì)算增壓系統(tǒng)的海拔調(diào)節(jié)能力。