涡轮增压柴油机高原性能试验研究

姜泽浩，张付军，董长龙，商海昆，韩 恺

（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.河北华北柴油机有限责任公司，河北 石家庄 050081）

我国具有广阔的高原和山地，而高原大气条件与平原相比有显著差别，随着海拔的升高，大气压力下降，空气密度降低。涡轮增压柴油机在高原工作时，由于大气条件的改变，进气量、燃烧、热损失、机械效率、燃油消耗率、涡轮增压器性能等都发生了很大的变化，导致柴油机机械负荷和热负荷状况与平原地区不同，此时涡轮前燃气温度、涡轮增压器转速、最高燃烧压力、烟度、过量空气系数及燃油消耗率等因素中的任何一个参数受高原环境影响均可能成为限制柴油机正常工作的障碍［1］。由于受内燃机工业技术的制约及相关高原环境适应性技术的缺乏，大多数柴油机在论证、设计、研制和定型时未充分考虑高原环境适应性，导致其不能满足高原地区的使用要求［2］。因此，开展增压发动机高原性能的试验研究，分析海拔高度影响发动机工作的机理，对改善汽车高原适应性有重要的意义［3］。

本研究利用高原环境模拟试验台，研究了涡轮增压柴油机在0～4 500m不同模拟海拔高度下的涡轮增压器特性和发动机的动力性、经济性，分析了海拔高度变化对发动机性能的影响规律。

1 高原环境模拟试验

1.1 发动机基本参数

高原环境模拟试验所用的发动机为BF6M1015CP水冷涡轮增压柴油机，其主要技术参数见表1。

表1 涡轮增压柴油机主要技术参数

1.2 试验设备

高原模拟试验系统示意见图1。试验台主要由柴油机高原环境模拟系统、电涡流测功机、油耗仪、进排气压力传感器、温度传感器、空气和冷却水流量计等仪器设备组成。

1.3 重要参数的控制与采集

高原模拟试验室通过控制进排气压力和环境温度来模拟不同海拔高度的环境［4］。不同海拔下的模拟大气环境见表2。

对比了不同呼吸器连接方式下的曲轴箱废气压力。在模拟100kPa环境的平原试验中，曲轴箱呼吸器连通环境时（环境压力90.6kPa），曲轴箱废气相对压力约为0.4kPa，说明废气压力在合理范围之内；呼吸器连接至压气机前时，废气压力为5～9kPa，证明废气压力状态与模拟环境接近。在不同模拟环境的发动机性能试验中，曲轴箱采用闭式通风，呼吸器保持与压气机前的管路连通，模拟了曲轴箱呼吸器在高原环境下的状态。在低海拔条件下进行高海拔模拟时出现的增压器窜油问题得到了解决。

1.4 试验内容

在0～4 500m海拔高度范围内，选择了0，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500m 等7个不同海拔高度，对BF6M1015CP涡轮增压柴油机原机进行了820～2 100r／min的外特性试验和7种海拔高度 下 1 000，1 200，1 300，1 500，1 700，1 900，2 100r／min等7种转速下的负荷特性试验。

2 试验结果分析

2.1 高原供油策略分析

根据原机控制器高原、平原切换的要求，海拔2 000m以上高原平原切换开关置于“高原状态”。对比分析了原机、高原试验的齿杆位移，得到该发动机采用的高原调整策略。排除试验中数据读取和采集设备的误差，并综合了其他几次试验结果，得到原机所采用的高原策略：高速区间（1 700r／min以上）齿杆值减2mm，中速区间内（1 500～1 600r／min）齿杆值减1.5mm或1mm，低速区间（1 400r／min以下）不减油。对比分析了平原和高原试验的循环供油量（见图2），可以看出为了提高车辆的加速性能以及对路面阻力的适应能力，该发动机在低速区没有减油，一定程度上保证了高原低速功率和扭矩恢复。尽管在高速时涡轮增压发动机具有一定的补偿高原功率损失的能力，但随转速、排温和膨胀比的增大，易出现增压器超温和超速现象，故减油幅度增大［5］。

由图2可知，原机所采用的高原供油策略比较简单，主要针对发动机高转速段进行了减油，并未兼顾喘振、涡轮超温、涡轮超速等限制。由于该试验是对高原模拟环境下原机状态进行的摸底，并未对供油策略进行优化。

2.2 高原增压器喘振问题及解决方法

在海拔2 500m模拟环境进行外特性试验时，发动机转速降到1 300r／min，中冷后温度为50℃，增压器并未出现喘振现象，此时扭矩为1 936N·m。当中冷后温度到达67℃时，发动机出现了喘振现象。在进行海拔2 500m模拟环境1 300r／min的负荷特性试验时，发动机负荷100%，中冷后温度45℃，扭矩达到1 950N·m。中冷后温度达到65℃左右时，出现了喘振现象。而且由图3可见，平原压气机低速喘振余量稍显不足［6］。

压气机喘振有可能造成增压器及发动机其他部件的损坏，为了避免在接下来的试验过程中出现喘振，对试验过程进行控制。在高原特性试验中，实时监控并分析压气机工作参数，包括空气流量、进口温度、进口压力、出口压力。试验过程中及时预警，尽量避开喘振点，采用慢加油门和控制中冷后温度的措施，完成试验。

2.3 海拔高度对增压柴油机动力性的影响

随着海拔的升高，气压和空气密度降低，进气量减少、燃烧恶化等导致柴油机的功率和扭矩下降。由图4可见，海拔高度升至4 500m，最大扭矩和标定功率分别为1 733N·m和254.1kW，与平原相比，最大扭矩和标定功率分别下降高达12.5%和23.1%。

海拔高度的变化对高速区的动力性能影响较小，对低速区影响较大。由图5可见，在低速区间，2 000m和2 500m模拟海拔环境下的功率和扭矩曲线与平原曲线接近重合。此现象主要归因于柴油机在海拔2 000m 以上的低速区间（1 400r／min以下）不减油的供油策略，使得该柴油机在低速段的功率恢复能力较强。海拔高度超过3 000m后，随着海拔进一步升高，空气密度下降严重，燃烧恶化，每升高1 000m，功率和扭矩最大降幅为20.7%。在2 000m以上的中高速区，由于增压比随海拔高度的升高增加较快，使涡轮增压器做功能力提高，起到了补偿作用，海拔高度每升高1 000m，功率和扭矩最大的下降幅度为3.2%。

随转速增加，2 000～4 000m外特性最大扭矩点对应转速均为1 300r／min；外特性功率在高原环境下出现“升高—下降—升高”的趋势。

图6示出了不同海拔外特性的压气机运行状态。其中4 500m，4 000m 和3 000m 只有1 300～2 100r／min之间的外特性测点，原因是转速继续降低会导致压气机出现喘振。海拔高度越高，在最大扭矩点处的喘振倾向也越明显。随着海拔高度的升高，压气机压比升高。由于高原供油策略采用高速减油、低速不减油的措施，导致压气机运行线出现了低速压比高而高速压比低的特征。此外4 500m时，已经达到了增压器可靠工作的上限——106 000r／min。

2.4 海拔高度对增压柴油机经济性的影响

图7示出了不同海拔高度下的负荷特性曲线。随负荷增加，发动机燃油消耗率降低，排气温度升高。在低转速时燃油消耗率和排气温度变化较大，燃油经济区逐渐变窄；在高转速时燃油消耗率和排气温度变化不大。这主要是因为涡轮增压器在高速时补偿效果好，而在低速时工作能力不足［7］。

由图8可见，涡轮增压柴油机燃油消耗率随海拔高度的升高而增加。海拔高度在2 000m以上，涡轮增压柴油机燃油消耗率增加不明显，海拔高度每升高1 000m，增加幅度在4%以下。可见相比自然吸气发动机，涡轮增压柴油机高海拔经济性有一定的恢复和提高。其中，4 500m的高原环境下最低燃油消耗率为200.6g／（kW·h），对应转速为1 300r／min；最高排气温度为746℃，对应转 速 为2 100r／min，接 近 涡 轮 入 口 极 限 温度750℃。

图9示出了不同海拔高度下BF6M1015CP涡轮增压柴油机外特性燃油消耗率曲线。由图9可见，随着海拔的升高，发动机经济工作区域变窄。

3 结论

a）随着海拔高度增加，发动机外特性功率下降；与平原状态相比，在海拔4 500m环境下，发动机标定功率为254.1kW，下降了23.1%，最大扭矩为1 733N·m，下降了12.5%；

b）随着海拔高度增加，发动机最低燃油消耗率和涡轮入口温度升高；与平原状态相比，在海拔4 500m环境下，最低燃油消耗率为200.6g／（kW·h），最高排气温度为746℃，接近涡轮入口极限温度750℃；

c）高原环境下易出现增压器喘振的问题；在海拔2 500m的外特性试验时，当发动机转速降至1 300r／min，中冷后温度为50℃，未出现喘振，此时扭矩值为1 936N·m；当中冷后温度上升至65℃左右时，增压器出现喘振，而且随着海拔的升高，发动机发生喘振时的中冷后温度有所降低，发生喘振的转速区域有所增加；

d）由于平原状态下压气机低速喘振余量不足，高海拔模拟环境下低速喘振问题成了制约功率恢复的主要因素，而高海拔下增压器超速和涡轮入口温度超温问题，使得标定功率的恢复能力下降。

［1］ 王志学，胡昌元，王 航，等.BF6L913C柴油机高原恢复功率的研究［J］.车辆与动力技术，2002（2）：18－22.

［2］ 许 翔，刘瑞林，董素荣，等.车用柴油机高原性能模拟试验及性能提升策略［J］.中国机械工程，2013，17：2403－2407.

［3］ 许 翔，张众杰，凤 蕴，等.汽车环境适应性试验综述［J］.装备环境工程，2013（1）：61－65.

［4］ 王 军.WD615系列高原柴油机的开发［D］.天津：天津大学，2003.

［5］ 高荣刚.高原环境下大功率柴油机燃烧性能分析及功率恢复研究［D］.北京：北京交通大学，2012.

［6］ 韩 恺，朱振夏，张付军，等.可调复合增压柴油机高原功率恢复方案研究［J］.兵工学报，2013（2）：129－136.

［7］ 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究［M］.北京：北京理工大学出版社，2013.