不同海拔条件下VGT叶片开度对二级增压柴油机燃烧特性的影响

董素荣，那晓亮，刘瑞林，刘卓学

(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)

● 车辆工程 Vehicle Engineering

不同海拔条件下VGT叶片开度对二级增压柴油机燃烧特性的影响

董素荣1，那晓亮2，刘瑞林1，刘卓学2

(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)

为研究不同海拔条件下VGT叶片开度对两级增压柴油机燃烧特性的影响，利用二级可调增压柴油机高海拔燃烧与性能模拟试验系统，开展试验研究。结果表明：不同海拔、最大转矩(1 500 r/min、全负荷)工况下，随着VGT叶片开度的增大，柴油机最高燃烧压力、平均指示压力以及瞬时放热率均降低，滞燃期、速燃期、缓燃期增长；柴油机动力性与经济性下降；随着海拔高度的升高，VGT叶片最佳开度减小。

海拔高度；共轨柴油机；二级可调增压器；燃烧特性

高原地区海拔高，大气压力低，其恶劣的自然环境对我国军车在高原地区实行作战任务产生了很大影响[1]。当我军在高海拔地区实施作战任务时，车辆柴油机进气量减少，燃烧恶化，动力性、经济性大幅下降，从而导致整车的性能大大降低。

针对这些问题，国内外进行了很多高海拔相关试验的研究[2-3]。研究表明，高海拔环境下柴油机燃烧效果和柴油机动力性、经济性均变差，而匹配了单级涡轮增压器对于改善高海拔环境柴油机燃烧特性、动力性与经济性，作用效果不明显。

目前，针对柴油机二级增压技术的研究，主要集中在平原环境下二级增压系统与柴油机的匹配与控制[4-5]，而对高原环境下二级增压柴油机的燃烧与控制研究仍显不足。本文利用柴油机高海拔模拟试验系统，对基于可变截面涡轮增压器(variable geometry turbocharger，VGT)的二级可调增压柴油机进行高海拔模拟试验，研究不同海拔条件下VGT叶片开度对二级可调增压柴油机燃烧特性的影响，为二级可调增压柴油机高海拔控制策略的研究提供支撑。

1 试验系统及试验方法

1.1 试验系统

二级可调增压柴油机高海拔模拟试验系统如图1所示。该试验系统利用进气节流和排气抽真空的方法调节柴油机进、排气压力，从而模拟海拔高度0～5 000 m的环境，满足试验需求。试验主要仪器设备有CW440D型测功机、AVL670型燃烧分析仪、TOCEILL-CMFD/025型瞬态油耗仪、GH14D型压力传感器、ToCeil-ZL3000型中冷恒温装置和AQUET T412型冷却液恒温系统等。

图1 二级可调增压柴油机高海拔模拟试验系统

试验柴油机主要技术参数：缸径×冲程120×145 mm，排量8.6 L，压缩比17.0，额定功率/转速258 kW/2 100 r/min,最大转矩/转速1 500 N·m/2 100 r/min。

二级可调增压系统由高压级——可变截面涡轮增压器和低压级——固定截面涡轮增压器串联而成。柴油机排气先经过高压级涡轮做功，再经过低压级涡轮做功；进气先经过低压级压气机压缩，再进入高压级压气机实现二次压缩，两级压气机之间和高压级压气机后设置中冷恒温装置。

二级可调增压器高压级和低压级增压器结构参数分别见表1和表2。

表1 高、低压级压气机结构参数

表2 高、低压级涡轮结构参数

1.2 试验方法

(1) VGT叶片开度调节方法：将VGT叶片开度调至100%，避免增压器出现超温超速现象，然后逐步减小VGT叶片开度，进行试验；

(2) 海拔高度模拟方法：开启柴油机进、排气压力模拟系统，调节进排气压力，进行高海拔性能试验；

(3)试验限制条件：高压级增压器转速小于等于120 000 r/min，低压级增压器转速小于等于100 000 r/min，最高燃烧压力小于等于16 MPa；

(4)试验海拔高度：0 m、2 500 m、3 500 m、4 500 m。

(5)试验工况：最大转矩工况(1 500 r/min、全负荷)。

2 试验结果与分析

2.1 不同海拔缸内压力参数随VGT叶片开度的变化

2.1.1 缸内压力曲线随VGT叶片开度的变化

VGT叶片开度的改变对柴油机性能的影响可以通过缸内燃烧压力的变化反映出来。0～4 500 m海拔高度，转速1 500 r/min、全负荷工况下，缸内压力随VGT叶片开度的变化曲线如图2所示。由图2可知，不同海拔柴油机缸内燃烧压力随着VGT叶片开度增大而降低。这主要是由于VGT叶片开度增大后，高压级涡轮流通面积变大，涡轮膨胀比减小，总压比减小，柴油机进气压力降低，进气质量减小，压缩终了压力、温度降低，使得缸内燃烧压力下降。

压力升高率是反映柴油机运转平稳性的重要指标。压力升高率过小，会导致柴油机燃烧不充分，热效率低；压力升高率太大，则柴油机工作粗暴。由图2可知，随着VGT开度增大，压力升高率减小，这是由于VGT开度增大，进气质量减小，滞燃期内形成可燃混合气随之减少，使得压力升高率降低。海拔高度0、2 500、3 500、4 500 m时，不同VGT叶片开度下，平均压力升高率分别为0.73、0.68、0.64、0.59 MPa /°CA。

2.1.2 缸内平均指示压力和最大压力随VGT叶片开度的变化

图3所示为缸内平均指示压力和最大压力随VGT叶片开度的变化曲线。由图3可知，柴油机在1 500 r/min、全负荷工况下，缸内平均指示压力随VGT叶片开度增大而减小，尤其是随着海拔的升高，缸内平均指示压力下降明显。海拔高度分别为0、2 500、3 500、4 500 m时，VGT叶片开度增加10%，平均指示压力分别减小5.12%、5.89%、6.01%、14.3%。同时，不同海拔下，当VGT叶片开度增大，柴油机进气流量减少，缸内的工质燃烧不完全，放出的热量减少，所以使得缸内压力峰值降低。

图2 不同海拔缸内燃烧压力随VGT叶片开度的变化

图3 不同海拔平均指示压力和最高燃烧压力随VGT叶片开度的变化

2.2 不同海拔缸内放热参数随VGT叶片开度的变化

2.2.1 缸内瞬时放热率随VGT叶片开度的变化

柴油机的瞬时放热率反映了缸内燃烧过程进行的状况，对柴油机整体性能有着重要的影响。在转速1 500 r/min、0～4 500 m海拔高度，缸内瞬时放热率曲线如图4所示，随着VGT叶片开度增大，缸内瞬时放热率减小，柴油机在海拔高度0、2 500、3 500 m时，缸内瞬时放热率变化较明显，且变化趋势基本一致，VGT叶片开度增加10%，瞬时放热率峰值平均降低3.24%、2.45%、1.89%；而在海拔高度4 500 m时，缸内瞬时放热率出现两次峰值，其主要原因是随着海拔的升高，柴油机进气压力降低，进气质量减小，预混合期形成的混合气减少，大部分燃料在扩散燃烧期内燃烧。

2.2.2 滞燃期、速燃期和缓燃期随VGT叶片开度的变化

滞燃期是柴油机燃烧过程中的一个重要时期，是指从喷油时刻开始到瞬时放热率大于零的时刻为止持续的时间[6]，对整个燃烧过程起着重要作用。图5所示为不同海拔柴油机燃烧滞燃期、速燃期和缓燃期随VGT叶片开度的变化曲线。由图5可知，不同海拔下，随着VGT叶片开度增大，滞燃期增长，VGT叶片开度增加10%，0～4 500 m海拔高度滞燃期增加了1.2%～16.4%。这是因为随着VGT叶片开度增大，涡轮膨胀比减小，进气压力降低，导致进气质量减小，缸内压缩终点压力和温度下降，滞燃期增大。

速燃期是指从瞬时放热率曲线出现大于零的时刻到最高燃烧压力时刻为止持续的时间[6]，这一阶段的燃烧效果对于柴油机动力性、经济性有很大影响。缓燃期是指从最高燃烧压力时刻到出现最高温度时刻持续的时间[6]。由图5可以知道，随着VGT叶片开度的增大，由于进气质量减小，使得柴油机燃烧过程的速燃期和缓燃期略有增大；但是，随着海拔的升高，进气质量明显减小，使得柴油机燃烧过程的速燃期、缓燃期均减小。

图4 不同海拔瞬时放热率随VGT叶片开度的变化

图5 不同海拔柴油机燃烧滞燃期、速燃期和缓燃期随VGT叶片开度的变化

2.3 不同海拔柴油机动力性与经济性随VGT叶片开度的变化

燃烧过程的优劣直接关系到柴油机的动力性与经济性。当VGT位于最佳开度时，进气充足，滞燃期内燃料混合充分，能为燃烧创造良好的条件，使得燃油及时燃烧，柴油机发出最大的功率，提高动力性；同时柴油机有较高的热效率，也提高其经济性。图6所示为不同海拔高度，1 500 r/min、全负荷工况时，柴油机有效功率和有效热效率随VGT叶片开度的变化曲线。随着VGT叶片开度增大，柴油机有效功率减小，在0 m和4 500 m海拔高度下，VGT叶片开度增加10%，柴油机有效功率减少4.23%和1.33%。

图6 有效功率随VGT叶片开度的变化

同时，由图6可知，随着海拔的增高，柴油机有效热效率明显降低，尤其是海拔高度4 500 m时柴油机的有效热效率低于34%。在海拔高度0～3 500 m范围内，VGT叶片开度增大，有效热效率降低，但随着海拔的升高，有效热效率降低幅度减小，如海拔0 m和3 500 m，VGT开度增加10%，有效热效率平均下降3.65%和1.28%；海拔4 500 m时，VGT叶片开度对柴油机有效热效率影响不大，由于此时进气质量减小，燃料燃烧不充分，调节VGT叶片开度对燃烧效果影响较小。

3 结 论

通过不同海拔二级可调增压柴油机最大转矩工况(转速1 500 r/min、全负荷)燃烧与性能的试验研究，得到如下结论：

(1)不同海拔下，随着VGT叶片开度的增大，二级可调增压柴油机缸内燃烧压力减小。VGT叶片开度增加10%，0～4 500 m海拔高度平均指示压力减小5.12%～14.3%，最高燃烧压力减小2.05%～11.43%。

(2)随着VGT叶片开度增大，二级可调增压柴油机缸内瞬时放热率降低，在海拔0～4 500 m，VGT开度增加10%，瞬时放热率降低1.89%～3.24%。同时，随着VGT叶片开度增大，滞燃期、速燃期、缓燃期均增大。

(3)随着VGT叶片开度增大，二级可调增压柴油机有效热效率减小，且随着海拔的升高，有效热效率下降明显。

[1] 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):100-105.

[2] 刘瑞林,周磊,刘楠,等.轻型涡轮增压柴油机高海拔性能试验[J].军事交通学院学报,2015,17(6):32-35.

[3] 刘祖柏.不同海拔下汽车涡轮增压柴油机性能研究[D].上海:上海海事大学,2006.

[4] 刘博,李华雷,胡志龙,等.可调二级增压柴油机瞬态加载性能的试验[J].内燃机学报,2010,30(2):107-112.

[5] LANGEN P, HALL W, NEFISCHER P. The new two-stage turbocharged six-cylinder diesel engine of the BMW 740d[J]. ATZ Auto Technology, 2010,10(2):44-46.

[6] 吴建华.汽车发动机原理[M].北京:机械工业出版社,2013:84-89．

(编辑：张峰)

Effect of VGT Blade Opening on Combustion Characteristic of Two-stage Turbocharged Diesel Engine at Different Altitude

DONG Surong1, NA Xiaoliang2, LIU Ruilin1, LIU Zhuoxue2

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

To study the effect of VGT blade opening on combustion characteristic of two-stage turbocharged diesel engine at different altitude, the paper conducts experiment on high altitude combustion and performance simulation test system of two-stage regulated turbocharged diesel engine. The result shows that at the condition of different altitude and maximum torque (1 500 r/min, full load), with the increase of the VGT blade opening, the maximum combustion pressure, average indicated pressure and instantaneous heat release rate decrease, and the ignition delay period, rapid combustion period and slow-burning period extend; the power and economic performance of the diesel engine decrease; the best blade opening of VGT decreases while the altitude increases.

altitude; common rail diesel engine; two-stage regulated turbocharger; combustion characteristic

2016-06-24；

2016-06-29．

董素荣(1967—)，女，博士，教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.02.010

U467.1

A

1674-2192(2017)02- 0039- 05