涡轮增压器与柴油机高原配合特性估算与应用

（同济大学汽车学院，上海201804）

涡轮增压器与柴油机高原配合特性估算与应用

徐哲，倪计民

（同济大学汽车学院，上海201804）

采用离心式压气机特性转换方法，将某涡轮增压器离心式压气机的平原特性换算成高原特性。估算了该增压器与某重型柴油机在高原地区的配合特性以及柴油机的一些性能参数。最后在实际高原标定试验中对估算结果进行了验证。该估算方法有一定的工程应用价值。

柴油机涡轮增压器高原标定

1 前言

现代柴油机广泛采用涡轮增压来提高升功率和热效率、降低燃油消耗率和排气噪声。涡轮增压也使柴油机对海拔高度变化有较好的适应能力[1]。然而随海拔高度增加，大气压力下降，进气密度减小，柴油机空燃比降低，排气温度上升；加上涡轮后背压减小，膨胀比增加，涡轮中焓降增加，涡轮增压器转速随之上升[1]。涡轮增压柴油机在高原地区使用的主要限制条件有：增压器转速不超速，涡轮前排气温度不超温，压气机不喘振，以及柴油机不冒黑烟。柴油机高原标定的难点在于，一方面要满足这些限制条件，另一方面要使柴油机功率损失最小。

如果通过计算能得到涡轮增压器与柴油机在高原地区的配合特性，就可以在一定程度上估算柴油机的一些关键性能参数，为高原标定提供量化依据。经过高原标定试验，对计算方法进行修正，进一步提高估算的准确性，提高这种估算方法在工程应用上的价值。

2 车用离心式压气机的高原特性

要得到涡轮增压器与柴油机在高原地区的配合特性，就需要知道高原条件下的压气机特性。由于车用涡轮增压器压气机的叶轮尺寸较小（与喷气式发动机相比）、圆周速度较小、流量较小，在平原地区时雷诺数（Re）一般都不满足自模区假定（Re＞2×105）。随着海拔升高，Re进一步降低，气体粘性阻力影响增大。离心式压气机特性随海拔高度的变化主要是由Re的变化引起的，而以马赫数（M）相似为基础的特性曲线绘制法就不再有效[2]。文献[2]提供了一种方法，用压气机的实际流率和实际转速对压气机特性进行研究，把平原特性图转换成高原特性图。

2.1压气机等转速线上特性参数的转换方法

压气机的绝热效率（ηK）和雷诺数Re之间的半经验公式[3]：

式中α、γ都是常数，随着具体的压气机和工质而变化。α=0.2～0.3，γ=0.2～0.4。这里取α=0.3，γ=0.2。

Re计算公式[2]

u2——压气机叶轮出口的旋转线速度/(m·s-1)；

b2——压气机叶轮出口的叶片宽度/m；

d2——压气机叶轮外径/m；

ρ0——压气机进口处空气密度/(kg·m-3)；

μ——空气的动力粘性系数/(Pa·s)；

对于空气μ0=1.711×10-5(Pa·s)，C=122 K；

ηK——压气机转速/(r/min)；

T——空气温度/K。

式中下标“0”表示海平面处的参数或者压气机进口处的参数，以下均同。本文假设压气机进口处的空气状态与大气状态相同。

压气机的质量流率可以写成[2]：

故

p0——压气机进口处空气压力/Pa；

T0——压气机进口处空气温度/K；

式中p00，T00分别为海平面处的大气压力和大气温度。

压气机的功率系数（μK）[2]：

故

ηK——压气机绝热效率；

Had——1 kg空气所需绝热压缩功[2]；

πK——增压比

由此可得[2]：

φ的半经验公式[2]：

当2＞Re/Re0＞1时，I=10.505；

当1＞Re/Re0＞0.5时，I=10.124。

2.2 计算结果

试验增压器型号为TD07-26K，采用了废气旁通阀。已知海平面大气条件下压气机的特性图。用上式进行转换，计算海拔分别为1 000 m、2 000 m、3 000 m和4 000 m的特性。海拔高度增加对发动机性能的影响主要来自大气压力降低的因素，其次是环境温度降低的因素。对于增压中冷柴油机，环境温度变化带来的影响较小。为了突出大气压力变化带来的影响以及简化计算，假定压气机进口温度不随海拔高度的变化而变化，T0=T00=298 K。

不同海拔高度大气压力见表1[4]。绘制海拔0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m和4 000 m的压气机特性图。图1是以质量流率为横坐标的不同海拔高度的特性图；图2是以容积流率为横坐标的不同海拔高度的特性图；图3将海拔0 m和4 000 m的特性图（横坐标为容积流率）叠加在一起，方便比较。图中单位是%。

表1 海拔高度与大气压力对照表

图1 不同海拔下TD07-26K增压器的压气机特性（T0=298，K=常数，横坐标为质量流率）

图2 不同海拔下TD07-26K增压器的压气机特性（T0=298，K=常数，横坐标为容积流率）

离心式压气机高原特性的变化规律如下：

（1）从图1和图2看出，随着海拔高度增加，压气机等转速线上的质量流率大幅度降低，但是容积流率降低不多。以容积流率为横坐标的特性图的范围大致保持不变。建议在分析增压器与柴油机高原配合特性时，采用上述换算方法并以容积流率为横坐标的特性图。

（2）从图3看出，随着海拔高度增加，压气机高效率区缩小。因为压气机等转速线上的效率损失比是Re的函数（见公式（1）），海拔增加，Re减小，效率损失比加大，ηK减小。

（3）从图3看出，随着海拔高度增加，压气机等转速线向压比减小的方向移动，同时等转速线两端下弯程度增加。下弯程度增加是由于各点ηK变化不同引起的。因为等转速线上各点的效率损失比相同，ηK0越小，ηK降低越多。

（4）从图3看出，在容积流率为横坐标的特性图上，随着海拔高度增加，喘振线（最左边的折线）变化不明显。因为当压气机转速一定时，容积流率要减小到一定程度压气机才会工作不稳定、发生喘振。而当容积流率变化不多时，喘振线就不会有明显移动。这与规律（1）所述相符。文献[3]的模拟试验也证实了这一点。

图3 TD07-26K增压器在海拔0 m和4 000 m的压气机特性比较

3 涡轮增压器与柴油机配合特性的估算

试验柴油机排量为10.4 L，四冲程，直列6缸，涡轮增压，空-空中冷，电控高压共轨，额定工况280 kW(1 900 r/min)，最大扭矩工况1 800 N·m(1 100～1 400 r/min)。采用TD07-26K增压器。

为简化计算，假设压气机进口温度不随海拔高度变化，T0=T00=298 K，并且柴油机相同工况的进气总管空气温度也不随海拔高度变化，即Ts=Ts0。

一般采用经验公式估算增压器转速。当发动机转速不变（n=常数）、循环喷油量不变（mfc=常数）时，增压中冷柴油机的增压器转速与大气压力的近似关系如下[5]（本文根据T0=T00的假设对公式进行了简化）：

文献[5]推荐常数A1=0.45。考虑到公式的简化，以及不同增压器与不同柴油机的配合情况，可取A1=0.42～0.46。针对本次试验，取A1=0.43。

柴油机的空气质量流率等于压气机的空气质量流率，则：

iVh——柴油机总排量/m3；

ΦK——给气比；

ρs——进气总管的空气密度/(kg·m-3)；

Ts ——进气总管的空气温度/K；

ps——进气总管的空气压力/Pa。

给气比ΦK采用经验公式[2]（本文根据Ts=Ts0的假设对公式作了简化）：

故，压气机进口处的容积流率之比：

从图2得知，当海拔高度确定，压气机某等转速曲线上各点具有单值性。同时•和π关系符合VKK式（19）。可迭代求出 和πK值。

计算不同海拔高度的涡轮增压器与柴油机的配合特性图（横坐标为容积流率），见图4。

涡轮增压器与柴油机配合特性的变化规律如下：

（1）随海拔高度增加，增压器与柴油机联合运行工况向大流率（容积流率）和高压比方向移动。

（2）随海拔高度增加，在横坐标为容积流率的压气机特性图上，虽然喘振线位置随海拔高度增加变化不大，但是柴油机的中低转速工况向喘振线靠拢，喘振裕度减小。

总过量空气系数αΣ：

mf——燃油消耗率/(kg·s-1)；

C——当量柴油完全燃烧需要的理论空气量，C=14.36(kg空气·kg柴油-1)[6]。

涡轮前排气温度TT随海拔高度变化的关系目前很难精确计算。这里采用经验公式[5]（根据T0=T00的假设对公式进行了简化）。

图4 不同海拔下增压器与柴油机配合特性（T0=298，K=常数）

其中A2是常数，取A2=0.35。

TD07-26K增压器转速限值120 000 r/min。从图4看出，当海拔3 000 m时，已有部分运行工况超出增压器转速上限，需要调整柴油机喷油量。当海拔4 000 m时，超出的部分明显扩大了，因此调整喷油量的工况区域也应相应扩大。

图5估算了海拔4 000 m时根据增压器转速上限而调整的柴油机外特性喷油量的情况。其中实线代表海拔0 m实测的外特性喷油量，虚线代表估算的海拔4 000 m柴油机外特性喷油量。

TD07-26K增压器涡轮进口处温度限值750℃，工程上控制到730℃。图6估算了海拔4 000 m时根据增压器涡轮进口温度而调整的柴油机外特性喷油量的情况。

图5 根据增压器转速估算的柴油机外特性喷油量（海拔4 000 m）

图6 根据涡轮前温度估算的柴油机外特性喷油量（海拔4 000 m）

柴油机高原标定试验需要在冒烟和动力性之间取折中。一般要求柴油机不严重冒黑烟的情况下尽量提高动力性。取最小总过量空气系数αΣmin不小于1.2。图7估算了海拔4 000 m时根据αΣmin=1.2调整的柴油机外特性喷油量。

为了控制柴油机运行工况不进入压气机喘振区，按10%喘振裕度调整柴油机喷油量。图8估算了海拔4 000 m时的柴油机外特性喷油量。

综合考虑增压器转速、涡轮前排气温度、最小总过量空气系数以及喘振裕度4种因素，把图5～图8结合起来得到图9。图9中的虚线即是估算的柴油机4 000 m高原运行的外特性喷油量。

图7 根据最小总过量空气系数估算的柴油机外特性喷油量（海拔4 000 m）

图8 根据10%喘振裕度估算的柴油机外特性喷油量（海拔4 000 m）

图9 综合估算的柴油机外特性喷油量（海拔4 000 m）

4 高原试验

在实际高原标定试验中对以上计算方法及结果进行了验证。该发动机装配在一辆8×4自卸车上，加载后车辆总质量38 t。主要测量设备见表2。

表2 高原试验主要测量设备

从格尔木（海拔约2 700 m）到昆仑山口（海拔约4 700 m）进行道路试验。经过标定得到实际的外特性喷油量。图10对比了海拔4 000 m标定后的外特性喷油量与估算的外特性喷油量。两者接近，最大误差约5%。估算的计算方法有一定的工程应用价值。

图10 海拔4 000 m柴油机外特性喷油量估算值与标定值对比

由于本文的计算方法采用了一些经验公式并做了简化，其中的系数需要按照增压器与柴油机实际匹配情况进行取值。不同的取值会得出不同的估算结果。工程技术人员可先根据经验划定一个取值范围，安排有限的几个组合进行计算，然后在实际的高原试验中验证。这样不仅可以提高高原标定的工作效率，也能改善标定的效果。高原试验的结果可再用于计算方法的修正，提高估算的准确性。

5 结论

采用压气机等转速线上特性参数的转换方法，计算了某涡轮增压器的压气机高原特性图。估算涡轮增压器与柴油机在高原地区的配合特性，以及增压器转速、涡轮前排气温度、最小总过量空气系数和喘振裕度4个参数，为柴油机高原标定提供量化依据，并在实际的高原试验中进行了验证。得到以下结论：

（1）随着海拔高度增加，以质量流率为横坐标的压气机特性图的范围向流率减小方向明显移动，而以容积流率为横坐标的压气机特性图的范围大致保持不变。建议在分析增压器与柴油机高原配合特性时，采用以容积流率为横坐标的特性图。

（2）随着海拔高度增加，增压器与柴油机联合运行工况向大流率（容积流率）和高压比方向移动。以容积流率为横坐标的喘振线位置变化不明显。柴油机中低转速工况向喘振线靠拢，喘振裕度减小。

（3）通过估算不同海拔高度的增压器转速、涡轮前排气温度、最小总过量空气系数以及喘振裕度参数，可以得出柴油机在不同海拔高度的外特性喷油量。但是需要经过实际的高原试验验证，并对计算方法进行修正，提高估算的准确性。

1朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器[M]．北京：机械工业出版社，1992．

2蒋德明．内燃机的涡轮增压[M]．北京：机械工业出版社，1986．

3丰镇平，沈祖达，赵剑兵．高原车用增压器离心式压气机特性的修正转换及其探讨[J]．内燃机学报，1992，10(2)：129-134．

4中国国家标准总局.GB1920-80.标准大气[S].中国:中国国家标准总局，1980．

5 Wu T，McAulay K J．Predicting Diesel Engine Performance at Various Ambient Conditions[C]．SAE 730148．

6刘永长．内燃机原理[M].武汉：华中理工大学出版社，1992．

表2 混燃和稀薄燃烧排放比较

7 结论

重型燃气发动机采用缸外预混合燃烧方式，稀薄燃烧时氧化型催化器不能转化NOx污染物，降低NOx浓度完全取决于混合器浓度和推迟点火提前角，过稀的混合气和过迟的点火提前角引起燃烧速率降低、燃烧时间拉长、燃烧的循环变动增加，发动机运转变得不稳定，加速平顺性下降。采用当量/稀薄混合燃烧时，在中低负荷区通过当量燃烧加快火焰传播速度、减小循环波动，提高整车驱动性，依靠三效催化器的催化作用同时降低排气中各种污染物的浓度；在大负荷区采用稀薄燃烧降低热负荷、提高经济性。当量/稀薄混合燃烧能够降低发动机气耗和热负荷，提高发动机驱动性、舒适性，发动机本体不需作重大改进即可满足国Ⅴ排放及驱动性的要求。

参考文献

1钱人一．现代汽车发动机电子控制[M]．上海：上海交通大学出版社，2001．

2刘永长．内燃机原理[M]．武汉：华中科技大学出版社，2001.

Estimation and Application of Turbocharger Characteristics with Diesel Engine at Plateau Regions

Xu Zhe,Ni Jimin
（School of Automotive,Tongji University,Shanghai 201804,China）

Turbocharger characteristics at plain regions were converted to those at plateau regions by a centrifugal compressor characteristic transformation method.The matching characteristics of a turbocharger and a heavy-duty diesel engine were estimated at plateau regions.Some performance parameters of the engine were also estimated.Finally,the estimated results were verified through a real plateau calibration. The estimation method has a certain reference in engineering application.

diesel engine;turbocharger;plateau;calibration

来稿日期：2014-06-03

徐哲（1975-），男，高级工程师，主要研究方向为发动机性能标定和排放控制。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.002