轻型柴油车不同海拔增压器保护试验研究

陈静，杨闯，张亮，夏凯，胡智超

(1.江西五十铃发动机有限公司，江西南昌 330200;2.博世汽车柴油系统有限公司，江苏无锡 214028)

0 引言

2016年12月23日，国务院总理李克强召开会议，审议通过《西部大开发“十三五”规划》，规划中深刻分析了我国西部大开发战略在当今形势下面临的新机遇与挑战。轻重型车在明确的未来几年的铁路、公路、机场等方面的重点工程项目中将发挥重要的作用[1]。柴油机因具有良好的可靠性、经济性及动力性的特点而广泛应用于轻重型车上。

西部较典型的青藏高原平均海拔在4 000 m以上，高原的气候条件与平原地区差别很大。研究表明，不同海拔的环境参数是影响柴油机性能的主要原因[2-5]。高海拔地区的空气稀薄，发动机的进气量减少，致使燃烧及排放恶化，如此柴油车到高原地区常出现排动力性不足、经济性下降的问题，严重时还会出现冒黑烟、涡轮前排气温度超温、增压器转速超速等问题。所以，在高海拔地区开展增压器保护试验很有必要。为适应高原环境，需对平原标定的柴油车进行相应的参数优化。周广猛等[6]指出：目前研究的重点是做好增压器和燃油系统的匹配，而后通过实地试验对比分析柴油机高海拔的性能表现。李环等人[7]指出，高原环境中动力性、排气烟度、增压器保护试验为ECU电控数据开发的三大主要影响因素。

目前国内学者对发动机在高原地区的适应性试验的研究方式主要有试验室台架试验和可移动式座台试验，很少有发动机整车试验的介绍。文中通过对某款轻型国五柴油车在不同海拔地区实际的增压器表现，加以喷油量的修正及验证，以达到整车满足不同海拔地区增压器保护及动力性要求。

1 试验设备及方法

1.1 试验车辆及发动机

试验车辆为某公司生产的某自主品牌匹卡，匹配某6速手动变动箱和搭载该公司自主研发的某型发动机。该发动机的基本参数如表1所示。

表1 发动机基本参数

1.2 数据采集设备

数据采集设备由转速传感器、排气温度传感器、转速显示仪、信号线、电源线、ETAS通信测试设备、电脑组成。转速显示仪将从增压器的压气机端采集到的转速频率信号转换成模拟信号；ETAS设备直接读取该模拟信号通过公式转换成转速信号；电脑通过INCA软件读取此转速信号。同理，排气温度传感器的信号也是通过ETAS设备转换并传输至电脑。数据采集系统示意图如图1所示。

图1 数据采集系统示意图

1.3 数据刷写设备

数据刷写设备由INCA软件环境、ETAS通信设备和ECU硬件平台组成，外特性喷油量的数据由电脑控制ECU进行调整。

1.4 试验方法

在做增压器保护时，基于基础外特性喷油量，对6个不同海拔地区的外特性喷油量进行不等的喷油限制，使增压器转速不超过23×104r/min，发动机涡前排气温度不超过780 ℃(以下简称排温)，以及在保证零部件可靠性的前提下满足整车客户的动力性要求。

2 试验结果及分析

试验地点及其对应的海拔高度如下：敦煌(1 110 m)、阿克塞(1 800 m)、格尔木(2 800 m)、纳赤台(3 500 m)、西大滩(4 100 m)、昆仑山(4 500 m)。

2.1 不同海拔增压器转速在压气机性能中表现

图2为试验车在不同海拔地区增压器转速在压气机性能图中表现的试验结果。可看出:随海拔高度的提高，增压器转速提高。这主要是因为随着海拔的提高，尽管大气密度降低导致柴油机进气量减少，但涡轮的排气背压也随之降低，膨胀比增加，从而使涡轮获得更多的能量，提高了涡轮的做功能力。有研究表明：在稳定1 700 r/min时表现出进气密度随海拔的升高而降低，发动机进气质量流量减少，空燃比下降，涡轮入口温度升高[4]。但实际上从表2可看出:在发动机转速同为3 000 r/min时，随增压器转速的提高，进气流量和增压比也随之增加。这可归因于在高海拔地区，虽然空气稀薄使得进气流量降低，但涡轮的排气背压随海拔升高而降低的幅度更大，从而使得最终的空气流量随海拔升高而增大。

图2 不同海拔压气机性能表现

海拔高度/m外特性油量/(mg·冲程-1)增压器转速/(104r·min-1)增压比空气流量/(kg·s-1)排温/℃111059．518．62．490．127742180054192．630．13975228005119．92．860．14576635004820．53．060．1668041004421．43．130．15766045003621．13．060．16582

图3和图4为试验车在不同海拔地区的排温和增压器转速试验结果。可看出:各海拔下的增压器转速和排气温度均处于设计允许范围内。此外，海拔2 800 m以下，增压器保护在各发动机转速下主要受排温限制，排温维持在730～760 ℃之间，增压器转速在22×104r/min以下;海拔3 500 m以上，增压器保护受发动机运行的工况影响。发动机转速在3 000 r/min以下，增压器保护主要受排温限制，排温维持在660～750 ℃内，增压器转速在21.4×104r/min以下；发动机转速在3 000 r/min以上，增压器保护主要受增压器转速限制，增压器转速在(22～22.7)×104r/min之间，排温在430～680 ℃内。

图3 不同海拔不同发动机转速下排温表现

图4 不同海拔不同发动机转速下增压器转速表现

2.2 不同海拔地区增压器转速扫点图

经过以上数据验证，不同海拔标定的外特性喷油量下各增压器转速、发动机排温均处于设计要求范围内。除此之外，整车实际道路行驶过程中，这两个参数也是被要求不准超过设计限值。

柴油车在变工况的全部运行范围内，增压器的压气机需满足不发生喘振的要求[8]。实验过程中通过INCA软件读出测量的压气机进口压力、压气机进口温度、压气机出口压力和进气质量流量，通过公式(1)算出实际增压比，通过公式(2)算出折合的进气质量流量，而后将点绘制在压气机的性能图中。图5为不同海拔地区实际车辆道路行驶的扫点图。可看出，所有点均运行在喘振线以内。

(1)

式中：πc为增压比；p1为压气机进口压力；p2为压气机出口压力。

(2)

式中：Gacon为折合质量流量；Ga为质量流量；p1为压气机进口压力；T1为压气机进口温度。

图5 不同海拔道路增压器转速扫点图

2.3 喷油量修正前后的动力性、增压器转速和发动机排温对比

为了保护增压器转速不超速和排温不超温，喷油量较外特性油量相对减少，对发动机的功率会有所影响。修正前的喷油量为基础标定数据的喷油量，修正后的喷油量为在基础标定数据上放宽限制后的外特性喷油量。图6为不同海拔下修正喷油量前的柴油车动力性的对比图。由图6(a)得出：海拔4 500 m相对于海拔3 500 m的百公里加速时间延长了55.1%。由图6(b)得出：海拔4 500 m相对于海拔3 500 m的五挡最高车速下降了13.4%。

图6 不同海拔下修正喷油量前的柴油车动力性的对比

海拔高度对柴油车动力性有影响主要是因为：由表2可看出，海拔高度增高后，排气背压降低，膨胀比增加，使得增压器的做功能力提高，有效补偿了高海拔稀薄空气带来的负影响，使得海拔3 500 m以上的进气流量几近相同。但由图2可看出，增压器转速随海拔高度的提高而增加，而为了保证增压器转速不超速，对不同海拔的外特性喷油量进行不等的限制，即限制量随海拔高度的增加而增多，因而柴油车的动力性能随海拔高度的增加而下降。

对于客户来说，希望发动机零部件在满足安全可靠的前提下，提升整车的动力性能。为此，作者在基本标定的数据之上放宽不同海拔地区的外特性喷油量，对比调整喷油量前后整车的百公里加速时间和五挡最高车速时的动力性表现、增压器转速和发动机排温。

客户对海拔2 800 m以下的动力性表现满意，希望对海拔3 500 m以上的动力性进行优化，因此针对海拔3 500 m以上地区的喷油量进行调整，其对比如图7所示，图7(a)、(b)、(c)分别为海拔3 500、4 100和4 500 m的油量调整对比图。可看出:不同海拔喷油量在发动机转速3 000 r/min以下均未有所调整，其调整空间很小，主要受外特性油量的限制。由图7(a)可得：修正喷油量前的功率损失在37%以下，修正喷油量后的功率损失在33%以下；由图7(b)可得：修正喷油量前的功率损失在48%以下，修正喷油量后的功率损失在39%以下；由图7(c)可得：修正喷油量前的功率损失在59%以下，修正喷油量后的功率损失在54%以下。由此可对比出，随海拔高度的提高，限制喷油量数值更大。

图7 不同海拔地区喷油量调整

为提高整车在高原地区的动力性，在这3个高原地区进行百公里加速和五挡最高车速测试，对应的试验结果分别如图8和图9所示。由图8(a)看出：修正喷油量前百公里加速时间随海拔的提高而明显延长，修正喷油量后百公里加速时间有明显的改善，4 100 m海拔时百公里加速时间提升近33.5%；由图8(b)看出：修正喷油量前、后排温均未超最高限值；由图8(c)看出：修正喷油量前增压器转速未超速，4 100 m以上在修正喷油量后增压器转速出现超速情况。由图9(a)看出：4 100 m以上在修正喷油量前、后的五挡最高车速提速明显，最高提速近13.2%；由图9(b)看出：修正喷油量前、后排温均未超最高限值；由图9(c)看出：4 500 m时增压器转速最高达24.7×104r/min，超出安全设计值，因此放宽外特性油量限制是不可取的。

图8 不同海拔地区百公里加速时间

图9 不同海拔地区五挡最高车速

3 结论

(1)在满足增压器转速不超速、涡前排气温度不超温的前提下，对不同海拔高度的外特性喷油量进行相应的限制，得出海拔高度2 800 m以下，增压器保护在各发动机转速下主要受排温限制，排温维持在730～760 ℃内，增压器转速在22×104r/min以下。海拔高度3 500 m以上，增压器保护受发动机运行的工况影响。发动机转速在3 000 r/min以下，增压器保护主要受排温限制，排温维持在660～750 ℃内，增压器转速在21.4×104r/min以下；发动机转速在3 000 r/min以上，增压器保护主要受增压器转速限制，增压器转速在(22～22.7)×104r/min之间，排温在430～680 ℃内。

(2)为提高整车在高原地区的动力性，对比放宽不同海拔外特性喷油量的限制前、后的功率损失，不同海拔高度喷油量在发动机转速3 000 r/min以下均未有所调整，其调整空间很小，主要受外特性油量的限制。在海拔3 500 m时，修正喷油量前的功率损失在37%以下，修正喷油量后的功率损失在33%以下；在海拔4 100 m时，修正喷油量前的功率损失在48%以下，修正喷油量后的功率损失在39%以下；在海拔4 500 m时，修正喷油量前的功率损失在59%以下，修正喷油量后的功率损失在54%以下。

(3)对比放宽不同海拔外特性喷油量限制前后的动力性、增压器转速和排温：百公里加速时间方面，修正喷油量前百公里加速时间随海拔的提高而明显延长，修正喷油量后百公里加速时间有明显的改善，海拔4 100 m时百公里加速时间提升近33.5%；修正喷油量前、后排温均未超最高限值；修正喷油量前增压器转速未超速，4 100 m以上在修正喷油量后增压器转速出现超速情况。五挡最高车速方面，4 100 m以上在修正喷油量前后的五挡最高车速提速明显，最高提速近13.2%；修正喷油量前、后排温均未超最高限值；4 500 m时增压器转速最高达24.7×104r/min，超出安全设计值，因此放宽外特性油量限制是不可取的。

参考文献:

[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会.国家发展改革委关于印发西部大开发“十三五”规划的通知[EB/OL].[2017-01-11].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201701/t20170123_836067.html.

[2]WANG X,GE Y S,LU L X.Combustion and Emission Characteristics of a Heavy-Duty Diesel Engine at Idle at Various Altitudes[R].SAE Paper,No.2013-01-1516.

[3]PENHALBEL L T B,MOREIRA F B,ARAUJO J P D.Altitude and Winter Tests for Best Vehicle Operations[R].SAE Paper,No.2007-01-2522.

[4]朱振夏.增压柴油机高原环境下的供油与进气调节研究[D].北京：北京理工大学，2015.

[5]郭猛超，王宪成，孙志新.特种车辆柴油机在不同海拔高度的性能预测与分析[C]//中国汽车工程学会年会.北京，2011.

[6]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.

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[7]李环，郭世永.基于INCA的发动机电控ECU数据的开发[J].山东理工大学学报(自然科学版)，2010,24(4):65-68.

LI H,GUO S Y.INCA-based Exploitation of ECU Data of Electronic Control Engine[J].Journal of Shandong University of Technology (Natural Science Edition),2010,24(4):65-68.

[8]吕林.车用发动机与涡轮增压器匹配研究[D].长沙：湖南大学，2011.