高原柴油机增压技术及应用

廖 丽

（攀钢集团攀钢钒公司物流中心，四川攀枝花 617023）

0 引言

中国是一个拥有高原陆地最多的国家，其中青藏高原及云贵高原的平均海拔在（2.0～4.5）km，据资料显示，海拔高度在升高的过程中大气压力在不断下降，当海拔高度达到4.0 km 时，大气压力只有0.061 MPa，此时空气密度仅为0.8 kg/m3，柴油机在此种条件下工作时会由于进气量变小而造成缸内燃烧的不充分，进而出现功率变低，油耗增加等问题，严重影响到柴油机的运行性能以及使用寿命。基于以上背景，对高原柴油机增压技术应用进行研究具有一定的实用意义。

1 高原环境对柴油机的影响

高海拔环境下主要为大气密度对柴油机的性能造成不良影响，其影响主要为以下几点：柴油机动力性能下降，随着海拔高度的提升，柴油机的工作功率逐渐下降；经济性能的下降，在高原运行环境下，柴油机本身的机械效率以及泵气损失并改变，但受到空气密度的影响，缸内燃烧效率下降，且由于高原道路的复杂使得油耗在不断增加；排放性能下降，海拔高度较高时，柴油机的进气量在减少，其燃烧温度也在下降，因此NOx的排放量受到影响；启动性能下降，高海拔工作环境下，气温以及大气压的降低使得对空气压缩时其温度以及压力都无法满足混合气体压燃需求；寿命以及稳定性能下降；在高海拔条件下，增压器极易出现超速等问题，进而导致柴油机热负荷增加，影响柴油机的其他运动部件的正常运行。

2 高原环境下增压系统的改进

2.1 带放气阀的增压器

带放气阀的增压器主要是指把放气阀通过并联的方式接入涡轮入口，并借助推杆以及膜片和放气阀连接。在高原环境中，增压器膜片初始时处于被压紧，但由于大气压力较低，则当增压压力较大时则压气机前后产生的压力差值会大于弹簧本身所具有的预紧力，故膜片被推动，废气放气阀被打开，使得涡轮前的少量废气被排入空气中，进而避免增压器出现超速问题，使得增压比下降，确保柴油机工作稳定性。

2.2 可变截面涡轮技术

可变截面涡轮技术其实质是匹配一系列的固定截面的增压器，以此达到改变涡轮流通面积的方式来提升增压器高效工作范围。当柴油机在低速工作条件下可以通过降低涡轮的流通截面来提升增压器的转速和增压压力以此使得柴油机在高原环境下的工作性能得到保持，此外，还能够增加柴油机的进气量，进行提升增压器的低速转矩性能；当柴油机在高速条件下运行时，则能够增加涡轮流通截面，使得增压器的转速下降，进而确保出线因增压压力过高而使得柴油机工作性能受到影响。

2.3 二级增压

二级增压是指通过两极压气机将新鲜空气进行压缩后，借助冷却器进行压缩空气的冷却，最后经过进气管进入气缸。柴油机工作产生的废气主要是在高压级以及低压级涡轮中膨胀做功，然后排入大气。在进行二级增压方案设计时，通常使用直径不相同的两个增压器，其中，流通面积较小的增压器当作二级增压系统中的高压级，而流通面积较大的则当作低压级。

2.4 相继增压

发动机在高速运转情况下，空燃比较高，即油耗低；反之在低转速情况下，由于增压压力的下降使得缸内空燃比降低，进而导致低转速特性差，涡轮增压器无法确保发动机在所有工况下具有较高的运行效率，故有学者提出了相继涡轮增压方案。相继涡轮增压系统包括两台机及以上的涡轮增压器，系统内部的涡轮增压器连接方式为并联，在实际应用中可以基于发动机运行工况确定不同的增压器数量。发动机转速低于设计值时则废气进行一台涡轮，使得废气流量变大，提升增压压力，当发动机转速以及负荷在逐渐增加时则，增压器依次投入使用，进而确保增压器运行的高效减低油耗。

2.5 电辅助增压

电辅助增压主要是通过使用电能将涡轮增压器转速在较短时间内得到快速的提升，进而使得发动机的加速响应性能得到改观。发动机在启动、低速运转或进行加速过程中，通过使用电池输出能量，电机驱动压气机来提升进气压，进而确保发动机运转的高性能；而在发动机高速运转时，因为压气机可以确保进气量满足需要，故电机关闭，并通过发电机回收废弃能量，储存在电池内。

2.6 复合增压

复合增压系统是指是通过设置两种及以上的增压形式，在实际应用中最早使用的复合增压系统主要是将谐振增压与涡轮增压进行复合，虽说该形式的负荷增压方式能够提升发动机的瞬态特性，但因为该增压系统的体积较大，匹配困难该负荷增压系统并在大范围内推广使用。而现今使用的机械—涡轮复合增压形式主要是机械增压和压气机串联连接，该进气系统通常由空气滤清器、机械增压器、进气旁通阀、涡轮增压器、中冷器、节气门、进气歧管等组成。

3 实际应用试验与性能比较

以上柴公司GK1C 型内燃机车为研究对象，进行高原增压器性能匹配试验。柴油机主要技术参数见表1。实验匹配所选用的增压器为RHC7Q35 与RHE6Q27-513（Z），试验海拔高度环境见表2。表3 为柴油机在海拔50 m、2200 m 下配试RHC7Q35与RHE6Q27-513（Z）的性能比较。

从表3 能够看出在海拔高度较低时（50 m） 柴油机配RHC7Q35 增压器的高度性能要优于RHE6Q27-513（Z）增压器，但在低速情况下高速性能要差于RHE6Q27-513（Z）增压器，随着海拔高度的增加（2200 m 时），RHC7Q35与RHE6Q27-513（Z）增压器的性能都增加了油耗与涡前排温，但与RHE6Q27-513（Z）增 压器相比，RHC7Q35 增压器的增加幅度更大，尤其是涡前排温值已超过增压器的允许的最大排温值（700 ℃）。故通过以上分析可以得出，RHC7Q35 增压器不能满足海拔高度进一步上升下的工作，而RHE6Q27-513（Z）增压器可以适应更高海拔高度环境。因此下面将只对RHE6Q27-513（Z）增压器在不同海拔高度下（50 m，2200 m，3000 m 和3800 m）的性能进行分析。表4 为不同海拔高度下对RHE6Q27-513（Z）增压器的性能研究结果。

表1 试验用柴油机主要技术参数

表2 各试验海拔高度大气压以及温度

表3 RHC7Q35 与RHE6Q27-513（Z）增压器在50 m、2200 m 下配试数据

表4 不同海拔高度下RHE6Q27-513（Z）增压器的性能

从表4 可以看出，随着海报高度的增加，油耗以及涡前排温值在不断增加，这一说明了氧气含量的减少对柴油机高速性能的影响较大，尤其是在海拔高度为3800 m 时，标定工况下的涡前排温已经达到685 ℃，＜700 ℃，表明RHE6Q27-513（Z）增压器可以满足海拔高度3800 m 的高原能力。

4 结论

在进行高原柴油机试配时，当其主要运行环境为低海拔时，对增压器进行选择时应主要以柴油机中低速性能为主要考虑点，通过对比两种增压器在不同海波高度下的工作性能可知，随着海拔高度的增加，增压器的转速以及压力比都在不断增加，此时柴油机的外特性曲线在逐渐的向压气机柴油机外特性运行曲线向压气机的喘振线靠近，故在进行高原增压器配试式应注意柴油机的外特性运行线与增压器的最高转速线和喘振线之间留有一定的余量。