渦輪增壓柴油機高原供油策略調(diào)節(jié)方法研究

商海昆張付軍李長江董長龍韓愷

（1.河北華北柴油機有限責任公司；2.北京理工大學）

渦輪增壓柴油機高原供油策略調(diào)節(jié)方法研究

商海昆1張付軍2李長江2董長龍1韓愷2

（1.河北華北柴油機有限責任公司；2.北京理工大學）

為解決某6缸渦輪增壓柴油機在海拔2 500 m及以上時最大扭矩點增壓器喘振和4 500 m時標定點增壓器超速問題，在校驗模型的基礎(chǔ)上仿真研究了中冷后溫度和供油量對壓氣機工作點的影響規(guī)律，即通過降低中冷后溫度或減少噴油量可增大喘振裕度。最后調(diào)整得到各海拔高度下的供油策略，應用該供油策略后增壓器可工作在安全可靠的工作區(qū)間內(nèi)。

1 前言

大量的試驗數(shù)據(jù)表明，海拔每升高1 000 m，自然吸氣發(fā)動機功率下降8%～10%，外特性最低比油耗增加3%～4%[1～3]。根據(jù)國內(nèi)外的研究結(jié)果，柴油機在高原地區(qū)運行的主要問題有功率下降、油耗上升、碳煙排放惡化、后燃現(xiàn)象嚴重、熱負荷增大、增壓器渦輪易超速、增壓器與柴油機匹配運行線發(fā)生變化及增壓器效率下降且熱負荷增大等[4]。柴油機在海拔4 000 m以上地區(qū)運行時，上述問題尤為突出。通過對供油量的調(diào)節(jié)能夠防止超速、喘振、渦輪入口溫度過高、冒黑煙、熱負荷過大等現(xiàn)象，進而改善發(fā)動機的性能[5]。本文主要針對高原測試時發(fā)動機出現(xiàn)的低速喘振、高速超速的問題，應用渦輪增壓柴油機高原供油策略進行研究。

2 高原模擬試驗結(jié)果分析

為了研究高原環(huán)境對渦輪增壓柴油機的影響，在高原模擬試驗臺架上對某6缸V型增壓柴油機進行高原性能測試，該柴油機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

在試驗過程中，平原和高原（海拔2 000 m以上）采用不同的供油策略，高原供油策略是在平原供油策略的基礎(chǔ)上通過調(diào)整尺桿位移來降低循環(huán)噴油量。同時，為了在試驗過程中保證發(fā)動機安全運行，限制渦輪入口最高溫度為750℃，最高燃燒壓力為16 MPa，增壓器轉(zhuǎn)速不能超過安全轉(zhuǎn)速106 000 r/min。

海拔2 500 m環(huán)境下的外特性試驗在最大扭矩點進行。可知，當中冷后溫度50℃時未出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，但匹配點已經(jīng)很接近喘振邊界（圖1）；當中冷后溫度上升至67℃時，出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象，即進氣管振顫，發(fā)動機扭矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動。另外，在3 000 m、3 500 m、4 000 m高原環(huán)境外特性試驗時，最大扭矩點處渦輪增壓器都出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。同時在4 500 m高原環(huán)境下做標定點外特性試驗時，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速為107 500 r/min，已經(jīng)超過安全轉(zhuǎn)速。因此，目前發(fā)動機的高原供油策略并不適合所有海拔高度。

3 渦輪增壓柴油機高原性能仿真模型

根據(jù)該柴油機的主要技術(shù)參數(shù)及幾何參數(shù)，在GTPower軟件中將柴油機簡化成由進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)（氣缸）、噴油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、中冷器和環(huán)境邊界及相應連接管路等模型組成的計算模型。柴油機缸內(nèi)過程選用三韋伯燃燒規(guī)律模型和Woschni傳熱計算公式來描述。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對發(fā)動機模型的進排氣環(huán)境狀態(tài)、循環(huán)供油量、中冷后溫度進行設(shè)置，同時利用試驗數(shù)據(jù)對發(fā)動機模型進行驗證。

為了驗證高原環(huán)境下發(fā)動機性能的仿真能力，選取4 500 m海拔高度的外特性進行仿真，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖2和圖3所示?？芍?，在高原環(huán)境下功率、扭矩、空氣流量和渦輪入口溫度誤差小于5%，說明搭建的發(fā)動機模型對于模擬高原（4 500 m）環(huán)境下發(fā)動機性能具有較高的精度，能夠滿足對發(fā)動機高原性能研究的需要。

4 仿真計算與結(jié)果分析

4.1 中冷后溫度及供油量對壓氣機工作點的影響

針對原機在高原環(huán)境下喘振現(xiàn)象進行喘振邊界的仿真研究。以最大扭矩點為研究對象，在4 500 m高原環(huán)境下，中冷后溫度設(shè)為試驗值56℃，初始油量采用原高原控制策略外特性油量，分別通過降低循環(huán)噴油量和降低中冷后溫度使得增壓器工作在10%喘振邊界（喘振邊界上工況點的空氣流量為相同增壓比下喘振邊界點上流量的110%）附近。4 500 m最大扭矩點壓氣機聯(lián)合工況點如圖4所示。

在圖4中A點（試驗工況點）有喘振傾向；B點即中冷后溫度由56℃降為36℃，最大扭矩工況點工作在10%喘振邊界附近，避免喘振的傾向；C點是保持進氣溫度56℃不變的情況下，通過降低循環(huán)供油量使發(fā)動機低速工況點遠離喘振邊界而工作在10%喘振邊界附近。但相對于減油前工況點的壓比和空氣流量都有大幅降低，此時C點的發(fā)動機扭矩只有平原環(huán)境下最大扭矩的62.14%?？芍?，通過降低循環(huán)供油量可以使壓氣機安全工作，但是對發(fā)動機的輸出功率影響較大。

為了進一步研究不同海拔高度下中冷后溫度及供油策略對壓氣機工作點的影響，通過仿真得到不同海拔高度下最大扭矩工況點增壓器工作在安全邊界內(nèi)所對應的中冷后溫度和循環(huán)供油量，如圖5所示。圖5中虛線所圍成的區(qū)域是平原狀態(tài)下壓氣機能夠安全工作的區(qū)域，每條曲線左下方的區(qū)域為相應海拔高度下壓氣機能夠安全工作的區(qū)域。由圖5可知，隨著海拔高度的增加，壓氣機安全工作的區(qū)域逐漸減少。這是由于隨著海拔高度的增加，渦輪的膨脹比增加，導致渦輪獲得的能量增加，增壓器轉(zhuǎn)速提高，壓氣機壓比隨之上升，使得壓氣機的聯(lián)合工作點移向喘振邊界，喘振傾向增大。隨著中冷后進氣溫度的降低，最大許可供油量增加，其主要是由于通過降低中冷后溫度可以增加進氣管內(nèi)的空氣密度，進而增加發(fā)動機的進氣量。在壓氣機匹配圖上體現(xiàn)為匹配點向右移動，遠離喘振邊界，使得循環(huán)供油量適當加大。

因此，通過調(diào)整循環(huán)供油量和控制中冷后溫度都可以改變壓氣機的工作點，抑制喘振。但由于中冷后溫度受中冷器的限制不能無限降低，所以控制中冷后溫度對喘振現(xiàn)象的控制有限。特別是在特種車輛上，由于空間尺寸的限制，中冷器散熱能力有限，中冷后的溫度較高，一般能夠控制在80℃。所以，此時要避免壓氣機喘振應主要通過調(diào)整供油策略來實現(xiàn)。

4.2 高原供油策略的調(diào)整

根據(jù)以上分析提出以下供油策略調(diào)整原則：不同海拔高度環(huán)境下，以壓氣機10%喘振邊界、壓氣機最高安全轉(zhuǎn)速、最高燃燒壓力和渦輪入口溫度為邊界條件，在原高原供油策略的基礎(chǔ)上調(diào)整循環(huán)供油量，直到4個邊界條件參數(shù)的任意一個接近限值。

根據(jù)以上調(diào)整原則在4 500 m高原環(huán)境下，對供油策略進行調(diào)整，如表2所列。

調(diào)整后的供油策略在標定點附近為避免壓氣機超速而降低循環(huán)供油量。1 500 r/min和1 700 r/min兩個工況點調(diào)整后的循環(huán)供油量有大幅提升。而在1 400 r/min以下的工況點循環(huán)供油量相對于原高原供油策略大幅降低，其主要是為避免壓氣機發(fā)生喘振。

表2 4 500 m供油策略對比

調(diào)整前、后的壓氣機匹配圖如圖6所示?？芍c原供油策略相比，壓氣機工作點未超出喘振邊界，最高轉(zhuǎn)速在106 000 r/min以下。即調(diào)整后的供油策略可以避免柴油機在高原發(fā)生壓氣機喘振和超速現(xiàn)象，同時通過調(diào)整供油策略改善了中速區(qū)間外特性，使發(fā)動機在高原環(huán)境下輸出更大的功率（圖7）。

5 結(jié)束語

為解決原發(fā)動機在海拔2 500 m及以上時在最大扭矩點出現(xiàn)壓氣機喘振現(xiàn)象，且在海拔4 500 m標定點出現(xiàn)增壓器超速現(xiàn)象的問題，利用GT-Power軟件建立了發(fā)動機模型，并對原機的高原供油策略進行調(diào)整，得出如下結(jié)論：

a.在低轉(zhuǎn)速時，降低中冷后溫度或減少循環(huán)供油量均能增大喘振裕度。通過仿真分析得到了不同海拔高度下中冷后溫度為80℃時，可保證發(fā)動機安全運行的最大外特性循環(huán)供油量，為柴油機高原供油控制策略的制定提供依據(jù)。

b.調(diào)整后的供油策略可以避免柴油機在高原發(fā)生壓氣機喘振和超速現(xiàn)象，同時通過調(diào)整供油策略改善了中速區(qū)間外特性，使發(fā)動機在高原環(huán)境下能夠輸出更大的功率。

1 劉瑞林,劉宏威,秦德.渦輪增壓柴油機高海拔(低氣壓)性能試驗研究.內(nèi)燃機學報,2003（3）:213～216.

2 靳嶸，張俊躍，胡力峰，等.高原自適應柴油機渦輪增壓技術(shù)研究.內(nèi)燃機工程.2011（4）:27～31.

3 葉林保,楊林,高治宏.汽車用渦輪增壓柴油機高原性能的研究.現(xiàn)代車用動力,2006（1）:39～43.

4 張建村,潘利群.高原柴油機的增壓器匹配性能研究.柴油機設(shè)計與制造,2005（3）:10～12.

5 李文祥,高巍,原志遠,等.CA6110/125Z1A2增壓柴油機對青藏高原適應性的研究.汽車技術(shù),2001（7）:5～12.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年8月1日。

Research on Adjusting Method of Fuel Supply Strategy of Turbocharged Diesel Engine at Plateau

Shang Haikun1,Zhang Fujun2,Li Changjiang2,Dong Changlong2,Han Kai2
（1.Hebei Huabei Diesel Engine Co.,Ltd;2.Beijing Institute of Technology）

Turbocharger surges at the maximum torque point at altitude of over 2 500 m and overspeeds at the calibration point at altitude of 4 500 m for a 6-cylinder turbocharged diesel engine.To solve these problems,the influence rule of intercooled temperature and fuel supply on compressor operating point are simulated and investigated on the basis of verifying model,i.e.increase surge margin by reducing intercooled temperature or reducing fuel injection amount.Finally the fuel supply strategy at different altitudes are obtained,which enables the turbocharger to work in a safety and reliable working region.

Turbocharged diesel engine，Plateau，F(xiàn)uel supply strategy

渦輪增壓柴油機 高原環(huán)境 供油策略

U464

A

1000-3703（2015）09-0023-03