VGT叶片开度对二级增压柴油机高海拔低速匹配特性的影响

董素荣， 刘卓学， 刘瑞林， 那晓亮， 周广猛

(1. 军事交通学院军用车辆系, 天津 300161； 2. 军事交通学院研究生管理大队， 天津 300161)

·性能研究·

VGT叶片开度对二级增压柴油机高海拔低速匹配特性的影响

董素荣1， 刘卓学2， 刘瑞林1， 那晓亮2， 周广猛1

(1. 军事交通学院军用车辆系, 天津 300161； 2. 军事交通学院研究生管理大队， 天津 300161)

基于二级可调增压柴油机高海拔性能模拟试验平台，研究了不同海拔条件下VGT叶片开度对高压共轨柴油机二级可调增压系统低速匹配特性的影响。研究结果表明：不同海拔下，随着VGT叶片开度的减小，高压级涡轮的涡轮膨胀比和压气机压比、绝热效率逐渐提高，而低压级涡轮膨胀比及压气机效率变化则趋于平缓，因此两级压气机总压比、总效率和总功率的变化趋势与高压级压气机一致；柴油机进气流量及空燃比随着VGT叶片开度的减小而增大，动力性及经济性也随之升高；海拔0～4 500 m，高压级压气机匹配状况良好，联合运行线均位于高效率区内。

高海拔； 共轨柴油机； 可变几何增压系统； 二级增压系统； 匹配特性

我国高原具有海拔高和面积广的特点，海拔超过1 000 m的高原约占国土面积的37%。高原地区气压低，空气密度小，柴油机进气流量减小，燃烧恶化，导致柴油机在高原环境运行过程中动力性和经济性下降[1-3]，进而使得以柴油机为动力的机械装备的性能在高原地区难以正常发挥。随着西部大开发战略的深入推进，以柴油机为动力的机械装备需求量急剧增加，因此开展柴油机高原环境适应性研究具有重要意义。

研究表明，普通涡轮增压柴油机在低速工况运行时，容易出现扭矩不足、经济性差、起动及加速性能差、瞬态响应迟缓等问题[4-5]，而基于VGT的可调二级涡轮增压系统集成了二级增压和可调增压技术的优点，既能够通过两级增压提高柴油机高海拔条件下的动力性，又能通过调整VGT叶片开度来提高低速工况下柴油机瞬态响应能力[6-10]。因此，为探究不同海拔下VGT叶片开度的调节能力，开展了VGT叶片开度对柴油机二级可调增压系统高海拔低速匹配特性影响的试验研究。

1 试验系统及试验方案

1.1 试验系统

利用二级可调增压柴油机高海拔模拟试验平台(见图1)，开展了不同海拔条件下共轨柴油机与二级可调增压系统匹配特性试验。

图1 二级可调增压柴油机高海拔模拟试验系统

试验采用CA6DL2电控高压共轨柴油机，其排量为8.6 L，标定功率258 kW，标定功率转速2 100 r/min，最大扭矩1 500 N·m，最大扭矩转速1 300～1 500 r/min。两级增压系统中冷装置采用ToCeil-ZL3000恒温控制系统，试验仪器设备型号见表1。

表1 试验仪器设备型号

二级可调增压系统由高压级(VGT可变截面涡轮增压器JK70S)和低压级(固定截面涡轮增压器JP100S)串联构成，VGT叶片开度由电动执行器控制，增压器结构参数见表2和表3。

表2 高、低压级压气机结构参数

表3 高、低压级涡轮结构参数

1.2 试验方案

1) 试验条件：通过进气节流、排气抽真空的方式模拟海拔2 500 m，3 500 m，4 500 m时柴油机进、排气环境。

2) 试验方法：首先将VGT开度定为100%，确保各参数在限定值之内后，以10%的步长逐渐减小VGT开度，直至试验工况达到限定值附近时停止调整VGT叶片开度。

3) 试验限制条件：排温小于720 ℃；最高燃烧压力小于16 MPa；高压级增压器转速小于1.2×105r/min；低压级增压器转速小于8×104r/min；机油温度小于95 ℃。

2 试验结果与分析

2.1 不同海拔下VGT叶片开度对两级增压器性能的影响

通过调整VGT叶片开度，能够改变废气能量在高、低压级涡轮之间的分配，进而影响高、低压级压气机做功能力。两级涡轮增压器主要性能参数计算公式如下。

低压级压气机绝热压缩功及绝热效率：

(1)

(2)

高压级压气机绝热功率及绝热效率：

(3)

(4)

压气机总绝热压缩功：

(5)

(6)

压气机总绝热效率：

(7)

式中：k为空气绝热指数，k=1.4；R为气体常数；T0为低压级压气机进口总温；T1为低压级压气机出口总温；T2为高压级压气机进口总温；T3为高压级压气机出口总温；πL为低压级压比；πH为高压级压比；πtotal为总压比。

图2示出柴油机1 200 r/min全负荷工况下，不同海拔下高、低压级涡轮膨胀比随VGT叶片开度的变化。由图可知，高、低压级涡轮膨胀比均随海拔的升高而降低，相同海拔下，随着VGT叶片开度的减小，涡轮膨胀比增大。平原条件下，VGT叶片开度从80%减小至50%时，高压级涡轮膨胀比升高了6.81%，低压级涡轮膨胀比升高了2.32%；海拔4 500 m条件下，VGT叶片开度从60%减小至40%时，高压级涡轮膨胀比升高了5.68%，低压级涡轮膨胀比升高了1.10%。其主要原因是，随着VGT叶片开度的减小，高压级涡轮流通面积变小，对废气的节流能力增强，涡前压力升高，高压级膨胀比升高；同时，高压级膨胀比的上升使得缸内进气量增加，燃烧充分，因此排气能量增加，高压级涡后压力上升，导致低压级膨胀比也随之变大。

图2 不同海拔下涡轮膨胀比随VGT叶片开度的变化

图3示出不同海拔下高、低压级压气机绝热效率随VGT叶片开度的变化。由图可知，VGT叶片开度减小时，高压级压气机绝热效率增大，而低压级压气机绝热效率变化比较平缓。因此，如图4所示，二级压气机总绝热效率随VGT叶片开度的减小而升高，其中平原条件下，VGT叶片开度从80%减小至50%时，两级压气机总绝热效率升高了1.38%；海拔4 500 m条件下，VGT叶片开度从60%减小至40%时，两级压气机总绝热效率升高了20.14%。

图3 不同海拔下压气机效率随VGT叶片开度的变化

图4 不同海拔下二级压气机总效率随VGT叶片开度的变化

图5、图6示出不同海拔下高、低压级压气机绝热功率及二级压气机总绝热功率随VGT叶片开度的变化。当VGT叶片开度减小时，发动机排气能量上升，膨胀比增加，使得涡轮机做功能力变强，因而压气机功率随之上升。其中，平原条件下，VGT叶片开度从80%减小至50%时，两级压气机总绝热功率升高了13.29%；海拔4 500 m条件下，VGT叶片开度从60%减小至40%时，两级压气机总绝热功率升高了16.44%。

图5 不同海拔下压气机功率随VGT叶片开度的变化

图6 不同海拔下压气机总功率随VGT叶片开度的变化

图7示出不同海拔下高、低压级压比及二级增压总压比随VGT叶片开度的变化。由图可知，不同海拔下，高压级压比随VGT叶片开度的减小而增大，这是因为当VGT叶片开度减小时，高压级涡轮膨胀比变大，涡轮做功能力增强，相应的高压级压气机功率增大，效率增加，故高压级压比随之增加；相对而言，低压级压比未呈现明显增加趋势，其主要原因是VGT叶片开度减小对低压级涡轮的膨胀比和效率影响较小，导致低压级压气机功率和效率变化不大，因此低压级压比变化平缓。所以二级增压系统总压比随VGT叶片开度的变化趋势与高压级压比变化趋势相同，随VGT叶片开度减小而增大。

图7 高低压级压比以及总压比随VGT叶片开度的变化

2.2 不同海拔下VGT叶片开度对柴油机性能的影响

二级可调增压系统通过调整VGT叶片开度改变柴油机的进气压力，影响了柴油机的进气流量，改变空燃比，进而影响气缸内燃烧过程，对柴油机整体的动力性和经济性产生影响。

图8、图9示出不同海拔下柴油机进气流量及空燃比随VGT叶片开度的变化。由图可知，进气流量和空燃比均随海拔的增高而降低。相同海拔时，柴油机的进气流量和空燃比均随VGT叶片开度的减小而增加，这是因为在喷油参数不变的情况下，当VGT叶片开度减小时，涡轮截面积减小，尤其是高压级膨胀比增大，做功能力增强，增压比增大，使柴油机进气流量和空燃比逐渐增加。平原条件下，VGT叶片开度从80%减小至50%时，进气流量增加27.3%，空燃比增加29.4%；海拔4 500 m时VGT叶片开度从60%减小到40%，进气流量增加7.82%，空燃比增加了7.04%。因此，二级可调增压系统通过调整VGT叶片开度能够提高柴油机的进气流量以及空燃比，改善柴油机的燃烧过程以及柴油机低速响应性能。

图8 不同海拔下柴油机进气流量随VGT叶片开度的变化

图9 不同海拔下柴油机空燃比随VGT叶片开度的变化

图10示出柴油机进气压力和排气压力随VGT叶片开度的变化。相同海拔下进气压力与排气压力随VGT叶片开度变化趋势相同，当VGT叶片开度逐渐减小时，涡轮流通截面积也相应减小，导致涡前压力增加。平原条件下，VGT叶片开度从80%减小至50%时，进气压力增加24.0%，排气压力增加28.8%；海拔4 500 m时VGT叶片开度从60%减小到40%，进气压力增加6.75%，排气压力增加了4.73%。

图10 不同海拔下柴油机进排气压力随VGT叶片开度的变化

由于高原地区大气压低，空气稀薄，柴油机进气流量减小，过量空气系数减小，导致燃烧不充分，柴油机低速动力性和经济性下降严重。通过调整VGT叶片开度，可以有效控制进气压力，调整燃烧过程，进而改善柴油机动力性和经济性。图11示出不同海拔下柴油机动力性和经济性随VGT叶片开度的变化。随着VGT叶片开度的减小，柴油机进气流量以及空燃比增大，改善了缸内的燃烧过程，使得柴油机动力性和经济性均得到改善；且随着海拔的升高，VGT叶片最佳开度呈减小趋势。平原条件下，VGT叶片开度从80%减小至50%时，扭矩相应增加10.8%，燃油消耗率降低了10.2%；海拔4 500 m条件下，VGT叶片开度从60%减小至40%时，扭矩增加7.6%，燃油消耗率降低了6.0%。

图11 不同海拔下柴油机扭矩和燃油消耗率 随VGT叶片开度的变化

2.3 不同海拔下VGT叶片开度对增压器匹配特性的影响

图12示出不同海拔、不同VGT叶片开度下柴油机与二级可调增压器联合运行线。由图可知，随VGT叶片开度的减小，进气流量和压比随之增加，联合运行线向高效率区方向偏移。不同海拔条件下，高压级压气机与柴油机的联合运行线均在高效率区，但低压级压气机与柴油机的联合运行线则偏离高效率区，落在较小流量和压比的范围内，这主要是由于柴油机在低转速工况下，排气能量偏低，高压级做功能力远高于低压级，导致低压级压气机效率降低。

图12 不同海拔、不同VGT叶片开度下二级可调 增压器与柴油机联合运行线

3 结论

a) 随着VGT叶片开度的减小，不同海拔下高、低压级涡轮膨胀比均增加，但高压级涡轮膨胀比增加幅度明显大于低压级；

b) 不同海拔下，随VGT叶片开度的减小，高压级压气机压比、效率和功率有所提高，但低压级压气机性能变化趋势平缓，因此两级压气机总压比、总效率和总功率的变化同高压级压气机变化趋势一致；

c) 不同海拔下，随VGT叶片开度的减小，柴油机进气流量和空燃比逐渐增加，动力性和经济性提高；

d) 海拔0～4 500 m条件下，高压级压气机与柴油机的匹配状况良好，但低压级联合运行线偏离最高效率区。

[1] 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．

[2] 董素荣,许翔,周广猛，等.车用柴油机高原性能提升技术研究现状与发展[J].装备环境工程,2013(2):67-70.

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

[4] 董素荣,熊春友,刘瑞林,等.高原环境下柴油机增压技术研究与应用[J].军事交通学院学报,2015(5):44-48.

[5] 胡志林. 柴油机匹配二级增压系统性能试验与模拟研究[D].天津：天津大学,2010.

[6] 张众杰.二级可调增压系统设计及其与总归柴油机高海拔匹配仿真研究[D].天津:军事交通学院,2011:60-61.

[7] Hualei Li.Research on the power recovery of diesel engines with regulated Two-stage turbocharging system at different altitudes[J].International Journal of Rotating Machinery,2014(3):1-10.

[8] 魏名山,张志,方金莉，等.带有放气阀的二级增压系统的设计与试验[J].内燃机学报,2009,27(2):166-170.

[9] Flardh O,Martensson J.Nonlinear exhaust pressure co-ntrol of an SI engine with VGT using partial model inversion[C]//49th IEEE Conference.[S.l.]：IEEE,2010.

[10] 郭林福,马朝臣,施新，等.VGT对柴油机经济性和动力性影响的试验研究[J].北京理工大学学报，2003,21(2):155-160.

[编辑： 潘丽丽]

Effects of VGT Blade Opening on Low Speed Matching Characteristics of Two-stage Turbocharging Diesel Engine at High Altitude

DONG Surong1, LIU Zhuoxue2, LIU Ruilin1， NA Xiaoliang2， ZHOU Guangmeng1

(1. Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2. Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Based on the high altitude performance simulation test system, the effects of VGT blade opening on low speed matching characteristics of two-stage turbocharging diesel engine at different altitudes were researched. The results showed that the expansion ratio of high pressure stage turbine and the compression ratio and adiabatic efficiency of compressor increased and that of low pressure stage turbine and the efficiency of compressor changed gently with the decrease of VGT blade opening at different altitudes. Therefore, the total compression ratio, efficiency and power of two-stage compressor were equivalent to those of high-pressure stage compressor. In addition, the intake mass flow and air-fuel radio also increased so that the power and economy performance improved. The high pressure stage compressor had good matching performance at 0-4 500 m and the joint operating curve was located in a high efficiency area.

high altitude; common rail diesel engine； variable geometric turbocharging system; two-stage turbocharging system； matching characteristics

2016-06-24；

2016-10-14

董素荣(1967—)，女，教授，博士，主要从事柴油机高原环境适应性研究工作；dongsr@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.006

TK421.8

B

1001-2222(2016)06-0030-06