高压比增压器高原适应性改进配机试验研究*

李书奇　程江华　庄　丽　侯琳琳　刘　畅　张子磊（中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室天津300400）

高压比增压器高原适应性改进配机试验研究*

李书奇程江华庄丽侯琳琳刘畅张子磊
（中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室天津300400）

利用进排气系统高原状态模拟试验台架，针对所研制的增压比为4.4的高压比增压器开展高原适应性改进配机试验研究。对原型增压器，减小涡轮箱，更换高压比压气机共3组试验数据进行了详细分析。

高压比增压器高原环境适应性柴油机

引言

涡轮增压器由压气机、涡轮、轴承系统组成，通过利用发动机废气能量驱动涡轮，带动压气机，增加进气密度，提高发动机功率。涡轮增压技术是柴油机发展的里程牌，是提高功率，减小排量，节能减排的关键。柴油机在高原环境下工作，进气充量减小，致使燃烧恶化，发动机动力性和经济性下降，增压器转速升高，压比升高，出现高速/超速、超温，甚至低速喘振问题［1］。因此，近年来，针对我国特殊高原环境的增压技术成为柴油机动力发展的关键和研究热点［2］。

与国外不同，我国的高原环境具有海拔高（海拔3 000 m以上占陆地面积26%［3］），面积广，跨度大的特点，国外研究的重点主要集中在低海拔范围内的内燃机大气修正和高原排放方面［4-5］。低海拔时，由于柴油机增压器的补偿作用，柴油机性能下降较少，这也是部分进口柴油机在海拔3 000 m以上出现性能恶化的主要原因。当前，兼顾4 000 m以上的高原适应性问题成为研究重点［6］。

前期研究表明，高压比涡轮增压技术是解决柴油机高原超速的有效途径之一，国内研究学者曾得出相同的结论［7］。本研究主要利用进排气系统高原模拟试验台架，针对所研制的高压比增压器，开展配机试验研究，以验证高压比增压器高原环境下配机情况，并确定下一步改进方向和目标。

1　高压比增压器

与传统高增压比（压比为3.5以上［8］）增压器不同，文中所指高压比增压器是指在相同的叶轮出口线速度情况下，通过采用特殊优化设计，能够达到增压压比为4.4以上的增压器。图1给出了常规增压器与高压比增压器试验特性的对比，图中等转速线以叶轮出口线速度表示；可以看出，在叶轮出口线速度为556 m/s时，高压比增压器最高增压压比由4.2提高至4.8（线速度增加2 m/s）。

图1　常规增压器和高压比增压器试验特性图

试验所用高压比增压器TC96SX，是在某柴油机高原适应性改进中，为解决高原增压器超速、超温等可靠性问题，以及高原4 500 m环境下低速扭矩点功率降低≥30%（见表3），动力性不足等性能缺陷而开发的一款叶轮直径96 mm的高压比增压器，以实现高原功率降低≤20%，转速降低≥9000r/min的目标。TC96SX和原型机TC93增压器主要参数见表1，所配柴油机主要参数见表2。原机和高压比增压器试验特性图见图2。原型机高原模拟试验功率降低情况见表3。

表1　试验用增压器主要参数

表2　柴油机主要参数

表3　原型机高原模拟试验功率降

2　高原环境模拟试验

2.1高原环境模拟试验台

高原环境模拟试验台示意图见图3，是验证发动机高原环境适应性和考察性能随海拔变化规律的重要手段。由测功器、柴油机试验辅助系统、柴油机试验测试及控制系统、高原环境模拟试验系统等设备构成。其中，高原环境模拟系统是由空气过滤器、进气风机、除湿装置、调温装置、空气加湿装置、水蒸发器、水加热器、排烟冷却器、排烟风机等组成，用来模拟高原状态柴油机进气情况，其中，进气压力和进气温度变化范围分别为57.5 kPa～101 kPa和-30℃～25℃，用以模拟0～4 500 m不同海拔环境［9］。

图2　原机和高压比增压器试验特性图

图3　高原环境模拟试验台示意图

2.2试验内容

试验台通过控制进排气压力和环境温度来模拟不同的海拔环境［10］。表4给出了不同海拔环境模拟参数。验证研究试验在海拔0～4 500 m范围内，分别对0 m，1 000 m，2 000 m，3 000 m，4 000 m，4 500 m共6种海拔高度依次进行发动机外特性试验，获得发动机功率、扭矩、油耗等动力性和经济性参数，以及增压器压力、温度、转速等相关参数。

表4　不同海拔环境模拟参数

本文重点展示高原海拔4 500 m和海拔1 000 m的测试分析结果。表5给出了3组发动机配机试验所用增压器的技术状态。

表5　试验用增压器技术状态

3　试验结果分析

3.1原型机TC93增压器配机分析

图4给出了原型机（高原适应性改进前）和原型柴油机供油系统改进后TC93增压器配机高原模拟试验结果。

3.1.1D-原型机试验分析

试验中，增压器转速≤103 000 r/min和涡轮后排温≤620℃是原型柴油机的受限条件。

图4给出了平原及高原功率、扭矩、油耗、供油量、排气温度、增压器转速、耗气特性的试验结果。可以看出，随着海拔升高，柴油机油耗和排温升高，功率和扭矩降低，增压器转速升高，柴油机动力性、经济性、可靠性下降（尤其是1 900 r/min以下功率、扭矩下降较大）。

图4　D-原型机和D-TC93高原模拟试验对比

从图4可以看出，高原海拔4 500 m时，原型机在1 900 r/min以下，功率、扭矩降低很大，尤其是在扭矩点，功率降低43.5%（见表3），严重影响柴油机的动力性能。分析显示，巨大的功率降低缘于排温升高超限和油耗增加过大所造成的供油量急剧降低所致（扭矩点油耗相对于1 000 m增加36.3 g/（kW·h），约增加15.5%），自1 900 r/min至最大扭矩点，供油量降低约40%。

从图4中增压器转速分布可以看出，随着海拔高度增加，增压器转速升高，自1 000 m至4 500 m，额定点转速升高8 000 r/min以上，TC93增压器超速（≥103 000 r/min），考虑高原环境排温升高，冷却性能降低等诸多负面因素，增压器高原环境工作可靠性降低，长时间运转存在风险。

由图4给出的柴油机平原及高原耗气特性的变化来看，随着海拔高度的上升，压气机增压比不断增加，与喘振线的距离减小（喘振裕度降低）。原型机海拔4 500 m时，自1 800 r/min以下，增压压比急剧下降，原因有两个：

1）柴油机燃烧恶化及限制器等因素使供油量降低引起所需进气量减少，增压比降低；

2）近喘振区附近增压器工作效率较低，引起系统经济性变差，油耗增大，排温升高直至超温受限。

综上所述，原型柴油机在海拔4 500 m高原环境下工作，存在如下问题：

1）扭矩点动力不足；

2）增压器存在超速、超温，可靠性降低；

3）增压器喘振裕度不足，柴油机供油及燃烧均恶化。

3.1.2TC93增压器配机分析

根据试验分析所得原型柴油机高海拔运行存在的问题，对供油及燃烧系统进行了改进，同时对TC93增压器涡轮箱进行了优化调整，进行了第二组D-TC93高原模拟试验，见图4。对比分析试验结果，得出如下结论：

1）改进后的柴油机功率扭矩提高，尤其是1 900 r/min至最大扭矩点工况，基本解决了高原动力性不足，供油和燃烧问题，满足发动机高原适应性改进性能指标。

2）增压器略有超速，海拔4 500 m额定点增压器转速为105 300 r/min，超速2%。

3.2高压比增压器TC96SX配机分析

图5给出了高压比增压器TC96SX与TC93增压器试验结果对比。

总体来看，具有相同涡轮不同压气机的两款增压发动机可获得相近的功率特性，满足高原改进动力性要求，但是在经济性和增压器工作状况方面存在如下差异：

1）TC96SX具有较低的工作转速。与TC93相比，转速降低9 000 r/min以上，尤其在高原标定点，转速降低11 000 r/min，可彻底解决TC93增压器高原超速和可靠性隐患问题。

2）TC96SX具有较高的配机压比特性。与TC93相比，除高原标定点外，发动机外特性工作压比均有不同程度的提高；高原工况下，发动机进排气管压差有所提高，尤其在高原标定点，可解决高原标定点存在的排气管压力高于进气压力的问题。

图5　D-TC96SX和D-TC93高原模拟试验对比

3）TC96SX排温有所升高。与TC93相比，排温升高40℃左右；发动机装有排气超温限制器，排温的升高不影响发动机工作，但会带来经济性和系统温度负荷的增加。

4）TC96SX配机油耗有所升高，经济性变差。与TC93相比，油耗升高约10 g/（kW·h）。

由TC96SX与TC93配机试验对比可知，通过更换高压比压气机，可有效解决高原超速和标定点排气压力高于进气压力的问题，但是存在排温、油耗升高等缺陷。进一步分析试验数据可得出，导致排温和油耗升高的原因主要有以下两点：

1）涡轮运行速比降低，导致系统效率下降。

由图5给出的增压器涡轮速比特性曲线可以看出，TC96SX涡轮运行速比有所降低，尤其是海拔4 500 m外特性，速比由0.7降低到最低0.57。通常情况下，涡轮最佳运行速比在0.65～0.75。可以看出，更换高压比压气机后，原TC93增压器涡轮已经不能与压气机达到较好的匹配，联合工作效率降低。

2）高压比压气机效率较低，导致系统效率下降。

由图5可以看出，TC96SX高压比压气机最高效率圈74%，与TC93最高效率圈79%相比，效率降低较大，导致系统效率下降，排温油耗升高。

4　结论

1）柴油机在海拔4 500 m高原环境下工作，增压器转速升高≥8 000 r/min，功率降低≥30%，存在动力不足，超速、超温，可靠性降低，柴油机供油、燃烧恶化等问题。

2）通过供油燃烧等系统改进以及增压器涡轮箱调整，可提高柴油机功率扭矩，使功率降低≤20%，基本解决高原动力性不足等问题，满足发动机高原适应性改进性能指标。但难以解决增压器超速、超温等恶劣工况难题。

3）通过更换高压比压气机，可使增压器转速降低≥9 000 r/min，可有效解决高原超速和标定点排气压力高于进气压力的瓶颈，但是可能会带来排温、油耗升高等缺陷，需要关注高压比压气机效率和涡轮匹配效率，必要时需进行优化设计。

1姜泽浩，张付军，董长龙，等.涡轮增压柴油机高原性能试验研究［J］.车用发动机，2014，215（6）：59-63

2周广猛，刘瑞林，董素荣，等.柴油机高原适应性研究综述［J］.车用发动机，2013，207（4）：1-5

3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［J］.内燃机工程，2011，32（4）：27-31

4许翔，周广猛，郑智，等.高原环境对保障装备的影响及适应性研究［J］.装备环境工程，2010，7（5）：100-103

5San D，Guraslan E，Ergen O R，et al.The development of the new Ford heavy duty truck engine，ECOTORQ［C］.SAE Paper 2004-01-2688

6Biaggini G，Knechi W.The advanced Iveco Cursor 10 heavy duty truck diesel engine［C］.SAE Paper 2000-05-0071

7朱振夏，张付军，马朝臣，等.柴油机增压技术在高原环境下的应用［J］.小型内燃机与车辆技术，2014，43（4）：73-80

8朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器［M］.北京：机械工业出版社，1992

9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，2013，24（17）：2403-2407

10王军.WD615系列高原柴油机的开发［D］.天津：天津大学，2003

Experimental Study on Plateau Environment Adaptability Improvement of High Pressure Ratio Turbocharger for Diesel Engine

Li Shuqi，Cheng Jianghua，Zhuang Li，Hou Linlin，Liu Chang，Zhang Zilei

Key laboratory of Science and Technology on Diesel Engine Turbocharging，China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）

Using plateau environment simulation test rig for intake and exhaust system of diesel engine，and focusing on the developed high pressure ratio 4.4：1 turbocharger，the authors do research on turbomatch experimental studies for plateau environment adaptability improvement.Three groups of test data including prototype turbocharger，minimizing turbine housing，high pressure ratio compressor replacing are analyzed.

High pressure ratio，Turbocharger，Plateau environment，Adaptability，Diesel engine

TK421+.8

A

2095-8234（2016）04-0008-07

2016-03-10）

国家“973”项目（专题编号：6132520303），实验室基金项目（9140C330109150C33001）。

李书奇（1981-），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为涡轮增压器设计与应用。