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高原功率恢復(fù)
2020-02-22 20:47:19· 來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)
在上個(gè)月的最后一期推送中探討了海拔高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，隨著海拔高度的增加，空氣密度降低，大氣壓降低，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量下降，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。
在上個(gè)月的最后一期推送中探討了海拔高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，隨著海拔高度的增加，空氣密度降低，大氣壓降低，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量下降，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。渦輪增壓的使用可以提升柴油機(jī)的功率密度，減少油耗和排放，并在一定海拔范圍內(nèi)使柴油機(jī)恢復(fù)功率。但是在一定海拔高度后，受增壓器轉(zhuǎn)速、壓比和工作點(diǎn)等的限制，增壓器的進(jìn)氣補(bǔ)償作用將不足以彌補(bǔ)因大氣壓力和密度的大幅下降而帶來的進(jìn)氣量的降低，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性會(huì)受到影響。為提高高海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，需要采用高增壓技術(shù)，二級(jí)增壓便是有效的方案之一。本次推送將討論采用兩級(jí)增壓技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高原功率恢復(fù)。
02、單級(jí)和二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比
圖1為單級(jí)和二級(jí)增壓空氣質(zhì)量流量、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率對(duì)比。采用二級(jí)增壓時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量雖然仍隨海拔升高而降低，但降幅減小。如圖1a 所示，5.5km 海拔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量相對(duì)于采用單級(jí)增壓時(shí)大幅提高，并且各海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣量提升更加顯著。
二級(jí)增壓在動(dòng)力性方面的另一個(gè)明顯作用是大幅度提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩，主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速進(jìn)氣量的大幅增加。如圖1b 所示，5.5km 海拔時(shí)柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩最高提升了 111%，0km海拔時(shí)最高提升了21%。除800r/min 外，各海拔下柴油機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩曲線都比較平緩?？梢?，二級(jí)增壓不僅對(duì)提高柴油機(jī)高原動(dòng)力性作用明顯，而且可以提高平原時(shí)的低速轉(zhuǎn)矩特性。當(dāng)然，若只是在低海拔時(shí)保持柴油機(jī)性能而不要求提高低速轉(zhuǎn)矩特性，可以屏蔽低壓級(jí)增壓器，轉(zhuǎn)化為單級(jí)增壓系統(tǒng)即可。
采用二級(jí)增壓時(shí)燃油消耗率相對(duì)于單級(jí)增壓時(shí)降低，如圖 1c 所示，并且除 800r/min 外基本不隨海拔變化而變化，或只有小幅上升。
在等空燃比的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的提高可以使循環(huán)噴油量得以提高，進(jìn)而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率，如圖 2所示。5.5km 海拔時(shí)柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為1234N·m，標(biāo)定點(diǎn)功率為226.5kW，分別為0km 海拔時(shí)的86.1%和 87.3%，相對(duì)于單級(jí)增壓時(shí)分別提升了15.5%和27.2%。而 2km 海拔時(shí)柴油機(jī)動(dòng)力已經(jīng)可恢復(fù)至 0 km 海拔時(shí)的水平。
03、兩級(jí)可調(diào)增壓高原標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
兩級(jí)可調(diào)增壓主要依靠調(diào)整VGT的開度來實(shí)現(xiàn)，圖3為不同海拔全負(fù)荷時(shí) VGT 葉片開度對(duì)增壓壓力、進(jìn)氣流量和渦前壓力的影響。圖 3a 為不同海拔全負(fù)荷工況(1500r/min)，不同 VGT 葉片開度對(duì)增壓壓力和進(jìn)氣流量影響的曲線．在同一海拔時(shí)，增壓壓力隨 VGT 葉片開度減小而逐漸升高；相同VGT 葉片開度時(shí)增壓壓力隨海拔升高而減小。平原條件下，VGT 葉片開度從90%到60%，增壓壓力提高了18.9%,；海拔5.5km的VGT葉片開度從80%,到40%，增壓壓力提高了202.7%。其中，進(jìn)氣流量的變化與增壓壓力變化基本一致，平原條件下，VGT葉片開度從90%，到60%，柴油機(jī)進(jìn)氣流量提高了28.7%；海拔5.5km的VGT葉片開度從 80%，到40%，進(jìn)氣流量提高了258.1%。但 VGT在小開度范圍（≤ 40%）時(shí)，繼續(xù)減小開度會(huì)導(dǎo)致渦前壓力迅速升高如圖 3b 所示，增壓壓力提升幅度較小。渦前壓力的升高導(dǎo)致柴油機(jī)充量系數(shù)減小，柴油機(jī)進(jìn)氣量降低。海拔3.5km時(shí)，VGT葉片開度從40%，減小到30%，增壓壓力提高了5kPa，但渦前壓力提高了25.4,kPa，進(jìn)氣流量減少了1.16,kg/h。
圖 4 為 VGT 葉片開度對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率的影響。不同海拔轉(zhuǎn)矩隨著 VGT 葉片開度的減小而升高，海拔 5.5km 轉(zhuǎn)矩提升幅度最大，VGT 葉片開度為 80%～40%，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩提高了 249.0%。不同海拔燃油消耗率均隨 VGT 葉片開度的減小而降低，0 海拔 VGT 葉片開度從90%減小至60%，燃油消耗率降低了 7.2%。綜上，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各限制參數(shù)不超限值前提下，0、2.5、3.5 和 5.5km的全負(fù)荷工況 1500r/min VGT 葉片最佳開度分別為60%、50%、40%和 40%。
圖 5 為不同海拔二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性增壓壓力和進(jìn)氣流量曲線，增壓壓力和進(jìn)氣量隨海拔的升高而降低，但與原機(jī)相比已經(jīng)有大幅度提高。海拔5.5km最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速區(qū)域提升最為明顯，增壓壓力和進(jìn)氣流量的最大提高幅度分別達(dá)到120.4%，和144.9%。增壓壓力和進(jìn)氣流量的提升直接影響了柴油機(jī)的高海拔性能，如圖 6所示，海拔5.5km中、低轉(zhuǎn)速空燃比較原機(jī)提高 41%～67%，缸內(nèi)燃燒得到了極大的改善，與原機(jī)相比最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了11.0%和11.8%；低速轉(zhuǎn)矩平均提高了31.1%．最低燃油消耗率和低速時(shí)燃油消耗率分別降低了4.8%和15.3%。
圖 7 為二級(jí)可調(diào)增壓器與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線。各海拔最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況均能工作在低壓級(jí)壓氣機(jī)高效率區(qū)，壓比和流量隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加，在高轉(zhuǎn)速(2,000～2,100,r/min)由于最高燃燒壓力的限制，VGT葉片開度增加，使得高壓級(jí)渦輪排氣膨脹比降低，低壓級(jí)渦輪排氣膨脹比增加，但由于低壓級(jí)渦輪流通面積較大，排氣能量轉(zhuǎn)換為渦輪功的比例小于 VGT 葉片小開度時(shí)候的轉(zhuǎn)化比例，同時(shí)考慮到排氣在管路中的流動(dòng)損失，導(dǎo)致系統(tǒng)總增壓壓力和進(jìn)氣量下降，所以低壓級(jí)壓比無(wú)法繼續(xù)升高，而是基本持平或略微下降．高壓級(jí)壓氣機(jī)與柴油機(jī)在中等轉(zhuǎn)速匹配較好，高轉(zhuǎn)速 VGT 葉片開度較大，高壓級(jí)壓比下降，導(dǎo)致運(yùn)行點(diǎn)偏離了增壓器運(yùn)行的最高效率區(qū)，不過仍在較高效率區(qū)范圍內(nèi)，且各海拔均未出現(xiàn)喘振、阻塞和超速情況，運(yùn)行狀況較好。
1.相對(duì)于單級(jí)增壓，二級(jí)增壓不僅可提高柴油機(jī)的高原動(dòng)力性，還可以提高平原時(shí)的低速轉(zhuǎn)矩特性。并且在柴油機(jī)強(qiáng)度允許的條件下，可以進(jìn)一步提高平原動(dòng)力性。
2.與單級(jí)增壓柴油機(jī)相比，海拔5.5km 二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)的增壓壓力和進(jìn)氣流量最大提高幅度分別達(dá)到120.4%和144.9%；最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了11.0%和11.8%，低速轉(zhuǎn)矩平均提高了31.1%，最低燃油消耗率和低速時(shí)燃油消耗率分別降低了4.8%和15.3%；柴油機(jī)與高、低壓級(jí)增壓器的聯(lián)合運(yùn)行線均位于壓氣機(jī)較高效率區(qū)。
文獻(xiàn)來源
02、單級(jí)和二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比
圖1為單級(jí)和二級(jí)增壓空氣質(zhì)量流量、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率對(duì)比。采用二級(jí)增壓時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量雖然仍隨海拔升高而降低，但降幅減小。如圖1a 所示，5.5km 海拔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量相對(duì)于采用單級(jí)增壓時(shí)大幅提高，并且各海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣量提升更加顯著。
二級(jí)增壓在動(dòng)力性方面的另一個(gè)明顯作用是大幅度提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩，主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速進(jìn)氣量的大幅增加。如圖1b 所示，5.5km 海拔時(shí)柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩最高提升了 111%，0km海拔時(shí)最高提升了21%。除800r/min 外，各海拔下柴油機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩曲線都比較平緩?？梢?，二級(jí)增壓不僅對(duì)提高柴油機(jī)高原動(dòng)力性作用明顯，而且可以提高平原時(shí)的低速轉(zhuǎn)矩特性。當(dāng)然，若只是在低海拔時(shí)保持柴油機(jī)性能而不要求提高低速轉(zhuǎn)矩特性，可以屏蔽低壓級(jí)增壓器，轉(zhuǎn)化為單級(jí)增壓系統(tǒng)即可。
采用二級(jí)增壓時(shí)燃油消耗率相對(duì)于單級(jí)增壓時(shí)降低，如圖 1c 所示，并且除 800r/min 外基本不隨海拔變化而變化，或只有小幅上升。
圖1 單級(jí)和二級(jí)增壓空氣質(zhì)量流量、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率對(duì)比
在等空燃比的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的提高可以使循環(huán)噴油量得以提高，進(jìn)而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率，如圖 2所示。5.5km 海拔時(shí)柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為1234N·m，標(biāo)定點(diǎn)功率為226.5kW，分別為0km 海拔時(shí)的86.1%和 87.3%，相對(duì)于單級(jí)增壓時(shí)分別提升了15.5%和27.2%。而 2km 海拔時(shí)柴油機(jī)動(dòng)力已經(jīng)可恢復(fù)至 0 km 海拔時(shí)的水平。
圖2單級(jí)和二級(jí)增壓最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定點(diǎn)功率隨海拔變化
03、兩級(jí)可調(diào)增壓高原標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
兩級(jí)可調(diào)增壓主要依靠調(diào)整VGT的開度來實(shí)現(xiàn)，圖3為不同海拔全負(fù)荷時(shí) VGT 葉片開度對(duì)增壓壓力、進(jìn)氣流量和渦前壓力的影響。圖 3a 為不同海拔全負(fù)荷工況(1500r/min)，不同 VGT 葉片開度對(duì)增壓壓力和進(jìn)氣流量影響的曲線．在同一海拔時(shí)，增壓壓力隨 VGT 葉片開度減小而逐漸升高；相同VGT 葉片開度時(shí)增壓壓力隨海拔升高而減小。平原條件下，VGT 葉片開度從90%到60%，增壓壓力提高了18.9%,；海拔5.5km的VGT葉片開度從80%,到40%，增壓壓力提高了202.7%。其中，進(jìn)氣流量的變化與增壓壓力變化基本一致，平原條件下，VGT葉片開度從90%，到60%，柴油機(jī)進(jìn)氣流量提高了28.7%；海拔5.5km的VGT葉片開度從 80%，到40%，進(jìn)氣流量提高了258.1%。但 VGT在小開度范圍（≤ 40%）時(shí)，繼續(xù)減小開度會(huì)導(dǎo)致渦前壓力迅速升高如圖 3b 所示，增壓壓力提升幅度較小。渦前壓力的升高導(dǎo)致柴油機(jī)充量系數(shù)減小，柴油機(jī)進(jìn)氣量降低。海拔3.5km時(shí)，VGT葉片開度從40%，減小到30%，增壓壓力提高了5kPa，但渦前壓力提高了25.4,kPa，進(jìn)氣流量減少了1.16,kg/h。
圖3 不同海拔全負(fù)荷時(shí) VGT 葉片開度對(duì)增壓壓力、進(jìn)氣流量和渦前壓力的影響
圖 4 為 VGT 葉片開度對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率的影響。不同海拔轉(zhuǎn)矩隨著 VGT 葉片開度的減小而升高，海拔 5.5km 轉(zhuǎn)矩提升幅度最大，VGT 葉片開度為 80%～40%，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩提高了 249.0%。不同海拔燃油消耗率均隨 VGT 葉片開度的減小而降低，0 海拔 VGT 葉片開度從90%減小至60%，燃油消耗率降低了 7.2%。綜上，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各限制參數(shù)不超限值前提下，0、2.5、3.5 和 5.5km的全負(fù)荷工況 1500r/min VGT 葉片最佳開度分別為60%、50%、40%和 40%。
圖4 不同海拔全負(fù)荷時(shí) VGT 葉片開度對(duì)轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率的影響
圖 5 為不同海拔二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性增壓壓力和進(jìn)氣流量曲線，增壓壓力和進(jìn)氣量隨海拔的升高而降低，但與原機(jī)相比已經(jīng)有大幅度提高。海拔5.5km最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速區(qū)域提升最為明顯，增壓壓力和進(jìn)氣流量的最大提高幅度分別達(dá)到120.4%，和144.9%。增壓壓力和進(jìn)氣流量的提升直接影響了柴油機(jī)的高海拔性能，如圖 6所示，海拔5.5km中、低轉(zhuǎn)速空燃比較原機(jī)提高 41%～67%，缸內(nèi)燃燒得到了極大的改善，與原機(jī)相比最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了11.0%和11.8%；低速轉(zhuǎn)矩平均提高了31.1%．最低燃油消耗率和低速時(shí)燃油消耗率分別降低了4.8%和15.3%。
圖5 不同海拔全負(fù)荷進(jìn)氣流量、空燃比和增壓壓力曲線
圖6不同海拔全負(fù)荷速度特性曲線
圖 7 為二級(jí)可調(diào)增壓器與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線。各海拔最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況均能工作在低壓級(jí)壓氣機(jī)高效率區(qū)，壓比和流量隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加，在高轉(zhuǎn)速(2,000～2,100,r/min)由于最高燃燒壓力的限制，VGT葉片開度增加，使得高壓級(jí)渦輪排氣膨脹比降低，低壓級(jí)渦輪排氣膨脹比增加，但由于低壓級(jí)渦輪流通面積較大，排氣能量轉(zhuǎn)換為渦輪功的比例小于 VGT 葉片小開度時(shí)候的轉(zhuǎn)化比例，同時(shí)考慮到排氣在管路中的流動(dòng)損失，導(dǎo)致系統(tǒng)總增壓壓力和進(jìn)氣量下降，所以低壓級(jí)壓比無(wú)法繼續(xù)升高，而是基本持平或略微下降．高壓級(jí)壓氣機(jī)與柴油機(jī)在中等轉(zhuǎn)速匹配較好，高轉(zhuǎn)速 VGT 葉片開度較大，高壓級(jí)壓比下降，導(dǎo)致運(yùn)行點(diǎn)偏離了增壓器運(yùn)行的最高效率區(qū)，不過仍在較高效率區(qū)范圍內(nèi)，且各海拔均未出現(xiàn)喘振、阻塞和超速情況，運(yùn)行狀況較好。
圖7不同海拔全負(fù)荷工況 RTST與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線
04、總結(jié)
1.相對(duì)于單級(jí)增壓，二級(jí)增壓不僅可提高柴油機(jī)的高原動(dòng)力性，還可以提高平原時(shí)的低速轉(zhuǎn)矩特性。并且在柴油機(jī)強(qiáng)度允許的條件下，可以進(jìn)一步提高平原動(dòng)力性。
2.與單級(jí)增壓柴油機(jī)相比，海拔5.5km 二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)的增壓壓力和進(jìn)氣流量最大提高幅度分別達(dá)到120.4%和144.9%；最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了11.0%和11.8%，低速轉(zhuǎn)矩平均提高了31.1%，最低燃油消耗率和低速時(shí)燃油消耗率分別降低了4.8%和15.3%；柴油機(jī)與高、低壓級(jí)增壓器的聯(lián)合運(yùn)行線均位于壓氣機(jī)較高效率區(qū)。
文獻(xiàn)來源
[1]劉瑞林,林春城,董素榮,張眾杰,許翔,周廣猛.柴油機(jī)二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)高海拔標(biāo)定試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2016,34(06):543-548.
[2]董長(zhǎng)龍. 增壓柴油機(jī)高原性能恢復(fù)研究[D].北京理工大學(xué),2016.
[3]劉系暠,魏名山,馬朝臣,施新.不同海拔下單級(jí)和二級(jí)增壓柴油機(jī)的仿真[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2010,28(05):447-452.
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