涡轮增压柴油机高原供油策略调节方法研究

商海昆张付军李长江董长龙韩恺

（1.河北华北柴油机有限责任公司；2.北京理工大学）

涡轮增压柴油机高原供油策略调节方法研究

商海昆1张付军2李长江2董长龙1韩恺2

（1.河北华北柴油机有限责任公司；2.北京理工大学）

为解决某6缸涡轮增压柴油机在海拔2 500 m及以上时最大扭矩点增压器喘振和4 500 m时标定点增压器超速问题，在校验模型的基础上仿真研究了中冷后温度和供油量对压气机工作点的影响规律，即通过降低中冷后温度或减少喷油量可增大喘振裕度。最后调整得到各海拔高度下的供油策略，应用该供油策略后增压器可工作在安全可靠的工作区间内。

1 前言

大量的试验数据表明，海拔每升高1 000 m，自然吸气发动机功率下降8%～10%，外特性最低比油耗增加3%～4%[1～3]。根据国内外的研究结果，柴油机在高原地区运行的主要问题有功率下降、油耗上升、碳烟排放恶化、后燃现象严重、热负荷增大、增压器涡轮易超速、增压器与柴油机匹配运行线发生变化及增压器效率下降且热负荷增大等[4]。柴油机在海拔4 000 m以上地区运行时，上述问题尤为突出。通过对供油量的调节能够防止超速、喘振、涡轮入口温度过高、冒黑烟、热负荷过大等现象，进而改善发动机的性能[5]。本文主要针对高原测试时发动机出现的低速喘振、高速超速的问题，应用涡轮增压柴油机高原供油策略进行研究。

2 高原模拟试验结果分析

为了研究高原环境对涡轮增压柴油机的影响，在高原模拟试验台架上对某6缸V型增压柴油机进行高原性能测试，该柴油机的主要技术参数如表1所列。

表1 发动机主要技术参数

在试验过程中，平原和高原（海拔2 000 m以上）采用不同的供油策略，高原供油策略是在平原供油策略的基础上通过调整尺杆位移来降低循环喷油量。同时，为了在试验过程中保证发动机安全运行，限制涡轮入口最高温度为750℃，最高燃烧压力为16 MPa，增压器转速不能超过安全转速106 000 r/min。

海拔2 500 m环境下的外特性试验在最大扭矩点进行。可知，当中冷后温度50℃时未出现喘振现象，但匹配点已经很接近喘振边界（图1）；当中冷后温度上升至67℃时，出现了喘振现象，即进气管振颤，发动机扭矩和转速出现大幅波动。另外，在3 000 m、3 500 m、4 000 m高原环境外特性试验时，最大扭矩点处涡轮增压器都出现喘振现象。同时在4 500 m高原环境下做标定点外特性试验时，涡轮增压器转速为107 500 r/min，已经超过安全转速。因此，目前发动机的高原供油策略并不适合所有海拔高度。

3 涡轮增压柴油机高原性能仿真模型

根据该柴油机的主要技术参数及几何参数，在GTPower软件中将柴油机简化成由进气系统、排气系统、燃烧系统（气缸）、喷油系统、增压系统、中冷器和环境边界及相应连接管路等模型组成的计算模型。柴油机缸内过程选用三韦伯燃烧规律模型和Woschni传热计算公式来描述。根据试验数据对发动机模型的进排气环境状态、循环供油量、中冷后温度进行设置，同时利用试验数据对发动机模型进行验证。

为了验证高原环境下发动机性能的仿真能力，选取4 500 m海拔高度的外特性进行仿真，仿真结果与试验结果对比如图2和图3所示。可知，在高原环境下功率、扭矩、空气流量和涡轮入口温度误差小于5%，说明搭建的发动机模型对于模拟高原（4 500 m）环境下发动机性能具有较高的精度，能够满足对发动机高原性能研究的需要。

4 仿真计算与结果分析

4.1 中冷后温度及供油量对压气机工作点的影响

针对原机在高原环境下喘振现象进行喘振边界的仿真研究。以最大扭矩点为研究对象，在4 500 m高原环境下，中冷后温度设为试验值56℃，初始油量采用原高原控制策略外特性油量，分别通过降低循环喷油量和降低中冷后温度使得增压器工作在10%喘振边界（喘振边界上工况点的空气流量为相同增压比下喘振边界点上流量的110%）附近。4 500 m最大扭矩点压气机联合工况点如图4所示。

在图4中A点（试验工况点）有喘振倾向；B点即中冷后温度由56℃降为36℃，最大扭矩工况点工作在10%喘振边界附近，避免喘振的倾向；C点是保持进气温度56℃不变的情况下，通过降低循环供油量使发动机低速工况点远离喘振边界而工作在10%喘振边界附近。但相对于减油前工况点的压比和空气流量都有大幅降低，此时C点的发动机扭矩只有平原环境下最大扭矩的62.14%。可知，通过降低循环供油量可以使压气机安全工作，但是对发动机的输出功率影响较大。

为了进一步研究不同海拔高度下中冷后温度及供油策略对压气机工作点的影响，通过仿真得到不同海拔高度下最大扭矩工况点增压器工作在安全边界内所对应的中冷后温度和循环供油量，如图5所示。图5中虚线所围成的区域是平原状态下压气机能够安全工作的区域，每条曲线左下方的区域为相应海拔高度下压气机能够安全工作的区域。由图5可知，随着海拔高度的增加，压气机安全工作的区域逐渐减少。这是由于随着海拔高度的增加，涡轮的膨胀比增加，导致涡轮获得的能量增加，增压器转速提高，压气机压比随之上升，使得压气机的联合工作点移向喘振边界，喘振倾向增大。随着中冷后进气温度的降低，最大许可供油量增加，其主要是由于通过降低中冷后温度可以增加进气管内的空气密度，进而增加发动机的进气量。在压气机匹配图上体现为匹配点向右移动，远离喘振边界，使得循环供油量适当加大。

因此，通过调整循环供油量和控制中冷后温度都可以改变压气机的工作点，抑制喘振。但由于中冷后温度受中冷器的限制不能无限降低，所以控制中冷后温度对喘振现象的控制有限。特别是在特种车辆上，由于空间尺寸的限制，中冷器散热能力有限，中冷后的温度较高，一般能够控制在80℃。所以，此时要避免压气机喘振应主要通过调整供油策略来实现。

4.2 高原供油策略的调整

根据以上分析提出以下供油策略调整原则：不同海拔高度环境下，以压气机10%喘振边界、压气机最高安全转速、最高燃烧压力和涡轮入口温度为边界条件，在原高原供油策略的基础上调整循环供油量，直到4个边界条件参数的任意一个接近限值。

根据以上调整原则在4 500 m高原环境下，对供油策略进行调整，如表2所列。

调整后的供油策略在标定点附近为避免压气机超速而降低循环供油量。1 500 r/min和1 700 r/min两个工况点调整后的循环供油量有大幅提升。而在1 400 r/min以下的工况点循环供油量相对于原高原供油策略大幅降低，其主要是为避免压气机发生喘振。

表2 4 500 m供油策略对比

调整前、后的压气机匹配图如图6所示。可知，与原供油策略相比，压气机工作点未超出喘振边界，最高转速在106 000 r/min以下。即调整后的供油策略可以避免柴油机在高原发生压气机喘振和超速现象，同时通过调整供油策略改善了中速区间外特性，使发动机在高原环境下输出更大的功率（图7）。

5 结束语

为解决原发动机在海拔2 500 m及以上时在最大扭矩点出现压气机喘振现象，且在海拔4 500 m标定点出现增压器超速现象的问题，利用GT-Power软件建立了发动机模型，并对原机的高原供油策略进行调整，得出如下结论：

a.在低转速时，降低中冷后温度或减少循环供油量均能增大喘振裕度。通过仿真分析得到了不同海拔高度下中冷后温度为80℃时，可保证发动机安全运行的最大外特性循环供油量，为柴油机高原供油控制策略的制定提供依据。

b.调整后的供油策略可以避免柴油机在高原发生压气机喘振和超速现象，同时通过调整供油策略改善了中速区间外特性，使发动机在高原环境下能够输出更大的功率。

1 刘瑞林,刘宏威,秦德.涡轮增压柴油机高海拔(低气压)性能试验研究.内燃机学报,2003（3）:213～216.

2 靳嵘，张俊跃，胡力峰，等.高原自适应柴油机涡轮增压技术研究.内燃机工程.2011（4）:27～31.

3 叶林保,杨林,高治宏.汽车用涡轮增压柴油机高原性能的研究.现代车用动力,2006（1）:39～43.

4 张建村,潘利群.高原柴油机的增压器匹配性能研究.柴油机设计与制造,2005（3）:10～12.

5 李文祥,高巍,原志远,等.CA6110/125Z1A2增压柴油机对青藏高原适应性的研究.汽车技术,2001（7）:5～12.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年8月1日。

Research on Adjusting Method of Fuel Supply Strategy of Turbocharged Diesel Engine at Plateau

Shang Haikun1,Zhang Fujun2,Li Changjiang2,Dong Changlong2,Han Kai2
（1.Hebei Huabei Diesel Engine Co.,Ltd;2.Beijing Institute of Technology）

Turbocharger surges at the maximum torque point at altitude of over 2 500 m and overspeeds at the calibration point at altitude of 4 500 m for a 6-cylinder turbocharged diesel engine.To solve these problems,the influence rule of intercooled temperature and fuel supply on compressor operating point are simulated and investigated on the basis of verifying model,i.e.increase surge margin by reducing intercooled temperature or reducing fuel injection amount.Finally the fuel supply strategy at different altitudes are obtained,which enables the turbocharger to work in a safety and reliable working region.

Turbocharged diesel engine，Plateau，Fuel supply strategy

涡轮增压柴油机 高原环境 供油策略

U464

A

1000-3703（2015）09-0023-03