放氣閥增壓器在柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)中的應(yīng)用研究

李書(shū)奇， 鄧春龍， 陳剛， 張子磊， 劉暢， 張繼忠， 胡力峰，賈曉亮

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300400；2. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西 玉林 537005；3. 裝甲兵駐616廠(chǎng)軍事代表室， 山西 大同 037036)

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放氣閥增壓器在柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)中的應(yīng)用研究

李書(shū)奇1， 鄧春龍1， 陳剛2， 張子磊1， 劉暢1， 張繼忠1， 胡力峰1，賈曉亮3

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300400；2. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西 玉林 537005；3. 裝甲兵駐616廠(chǎng)軍事代表室， 山西 大同 037036)

基于柴油機(jī)進(jìn)排氣高原環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)所研制放氣閥渦輪增壓器，通過(guò)配機(jī)試驗(yàn)研究，獲得結(jié)論如下：基于由冷態(tài)測(cè)量獲得的放氣閥開(kāi)啟特性，在考慮放氣閥幾何結(jié)構(gòu)、排氣脈沖壓力波動(dòng)等因素影響后得到預(yù)測(cè)特性，與高原模擬試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，偏差在7%以?xún)?nèi)；放氣閥渦輪增壓器具有較高的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，可用于高原環(huán)境適應(yīng)性動(dòng)力改進(jìn)，海拔4 000 m工況可獲得1.27扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，與常規(guī)增壓器平原扭矩儲(chǔ)備系數(shù)相當(dāng)；在高原環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量需要增加、壓后壓力需要提高的情況下，放氣閥與平原工作狀態(tài)近似，在最大扭矩點(diǎn)之后處于開(kāi)啟狀態(tài)；與平原相比，高原4 000 m工況壓氣機(jī)壓后壓力降低約60 kPa。通過(guò)更換高壓比壓氣機(jī)放氣閥渦輪增壓器，在保持原有配機(jī)性能近似不變的情況下，可有效解決高原增壓器超速問(wèn)題，可使增壓器轉(zhuǎn)速在平原狀態(tài)下降低10 000 r/min左右，在高原4 000 m工況，工作轉(zhuǎn)速與更換前平原工作轉(zhuǎn)速相當(dāng)。

放氣閥； 渦輪增壓器； 高原環(huán)境； 適應(yīng)性； 柴油機(jī)； 高壓比

渦輪增壓器是發(fā)動(dòng)機(jī)高原空氣稀薄環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵。隨著海拔的升高，大氣壓力降低，空氣密度下降，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低、燃燒惡化，柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性降低[1-4]。近年來(lái)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高原適應(yīng)性的研究和探討層出不窮[5-8]，研究結(jié)果顯示，進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)是高原適應(yīng)性的主要措施[9-11]。放氣閥渦輪增壓器具有簡(jiǎn)單的壓力控制系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩特性要求和車(chē)用駕駛性要求，能夠解決增壓器超速問(wèn)題，但是在高原適應(yīng)性的應(yīng)用方面，公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)較少。朱振夏等曾在柴油機(jī)增壓技術(shù)的高原環(huán)境應(yīng)用研究中，對(duì)放氣閥渦輪增壓器進(jìn)行了分析，指出在高原條件下應(yīng)用廢氣放氣技術(shù)時(shí)，需要采用電控放氣閥或根據(jù)海拔條件對(duì)彈簧預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并指出機(jī)械式放氣閥可能存在諸多缺陷和不適應(yīng)。

為了摸清放氣閥渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)高原空氣稀薄環(huán)境適應(yīng)性的應(yīng)用可行性和缺陷，基于進(jìn)排氣高原環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)研制的兩款放氣閥渦輪增壓器開(kāi)展配機(jī)試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證放氣閥渦輪增壓器在高原環(huán)境下的配機(jī)情況，并確定改進(jìn)目標(biāo)和方向。

1 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)用放氣閥渦輪增壓器分為增壓器本體和放氣閥部件兩大部分，增壓器與常規(guī)單級(jí)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)基本一致，由渦輪部件、壓氣機(jī)部件及軸承體三部分組成。渦輪部件主要包括渦輪轉(zhuǎn)軸、渦輪箱；壓氣機(jī)部件主要包括壓氣機(jī)葉輪、壓氣機(jī)蝸殼。整個(gè)增壓器為軸承內(nèi)置集成布置結(jié)構(gòu)，渦輪與壓氣機(jī)葉輪分別懸臂于軸承外側(cè)。放氣閥形式采用活塞彈簧式，安裝在渦輪箱上，通過(guò)引氣導(dǎo)管與壓氣機(jī)蝸殼出口相連(見(jiàn)圖1)。渦輪端放氣閥為最簡(jiǎn)單的壓力控制系統(tǒng)，一旦達(dá)到某一增壓壓力，部分廢氣通過(guò)旁通閥繞過(guò)渦輪流出；放氣閥打開(kāi)或關(guān)閉通過(guò)一個(gè)受力彈簧膜片根據(jù)所受壓力進(jìn)行控制。

試驗(yàn)用放氣閥渦輪增壓器有兩種，分別為高壓比增壓器TC118SX和常規(guī)增壓器TC115，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，所配高原適應(yīng)性改進(jìn)柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2?；诤娇諉喂苋紵夷M的渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)架，獲得增壓器壓氣機(jī)特性(見(jiàn)圖2)。

圖1 放氣閥渦輪增壓器剖面圖

名稱(chēng)TC118SXTC115壓氣機(jī)葉輪出口直徑/mm118115壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口直徑/mm8581.5蝸殼(A/R)值/mm1518.7渦輪葉輪進(jìn)口直徑/mm100100渦輪葉輪出口直徑/mm9090渦輪箱0-0截面面積/cm24444最高許用工作轉(zhuǎn)速/r·min-19600099000

表2 高原環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)柴油機(jī)主要參數(shù)

圖2 放氣閥增壓器壓氣機(jī)試驗(yàn)特性

2 試驗(yàn)臺(tái)架及試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)

高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖3)是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性和考察性能隨海拔變化規(guī)律的重要手段，由測(cè)功器、柴油機(jī)試驗(yàn)輔助系統(tǒng)、柴油機(jī)試驗(yàn)測(cè)試及控制系統(tǒng)、高原環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。其中，高原環(huán)境模擬系統(tǒng)是由空氣過(guò)濾器、進(jìn)氣風(fēng)機(jī)、除濕裝置、調(diào)溫裝置、空氣加濕裝置、水蒸發(fā)器、水加熱器、排煙冷卻器、排煙風(fēng)機(jī)等組成，用來(lái)模擬高原狀態(tài)柴油機(jī)進(jìn)氣情況，進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度變化范圍分別為61.6～101 kPa和-30～25 ℃，用以模擬0～4 000 m不同海拔環(huán)境[12]。

圖3 高原模擬試驗(yàn)臺(tái)示意

2.2 放氣閥開(kāi)啟特性試驗(yàn)裝置

圖4 放氣閥開(kāi)啟特 性試驗(yàn)裝置

本研究放氣閥開(kāi)啟特性主要基于自制測(cè)量裝置，在冷態(tài)(100 kPa)情況下進(jìn)行測(cè)試，該裝置主要由氣源、調(diào)節(jié)閥、位移測(cè)量裝置、臺(tái)架等構(gòu)成，測(cè)量原理見(jiàn)圖4。利用外氣源供給壓縮空氣，經(jīng)調(diào)壓閥獲得不同的進(jìn)氣壓力，供給放氣閥壓縮空氣，作用于閥門(mén)膜片，測(cè)量放氣閥閥門(mén)升程，獲得放氣閥開(kāi)啟壓力-位移特性。氣源增壓壓力p1變化范圍為0.15～0.5 MPa，排氣壓力p2保持不變。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

高原模擬試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)控制進(jìn)排氣壓力和環(huán)境溫度來(lái)模擬不同的海拔環(huán)境[13]。驗(yàn)證研究試驗(yàn)在海拔0～4 000 m范圍內(nèi)，分別對(duì)0 m，1 000 m，2 000 m，3 000 m，4 000 m等5種海拔高度依次進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)試，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)功率、扭矩、油耗等動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，以及增壓器壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)。

本研究重點(diǎn)展示高原4 000 m和海拔0 m的測(cè)試分析結(jié)果，共3組試驗(yàn)，分別為放氣閥開(kāi)啟特性試驗(yàn)(記為D-TC115)、TC118SX增壓器配機(jī)試驗(yàn)(記為D-TC11SX)、TC115增壓器配機(jī)試驗(yàn)(記為D-WG-OC)。

3 放氣閥開(kāi)啟特性試驗(yàn)結(jié)果分析

冷態(tài)下，放氣閥開(kāi)啟壓力特性見(jiàn)圖5a。測(cè)試時(shí)，先進(jìn)行正向測(cè)量，即壓力由100 kPa逐漸增加至500 kPa，之后進(jìn)行反向測(cè)量，正向和反向進(jìn)氣壓力值相等，以便于對(duì)比研究。由于測(cè)試是在常溫下進(jìn)行，放氣閥的頂桿與板翅式冷卻體之間存在一定的間隙，部分氣體將會(huì)從間隙漏掉；同時(shí)，放氣閥閥門(mén)未受到實(shí)際工作時(shí)的脈沖壓力，因而冷態(tài)測(cè)量雖然能夠反映放氣閥的開(kāi)啟特性，但開(kāi)啟壓力數(shù)值與集成在發(fā)動(dòng)機(jī)之后的工況存在一定的偏差。

為了將放氣閥開(kāi)啟壓力特性與高原模擬試驗(yàn)時(shí)壓后壓力進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，對(duì)冷態(tài)下開(kāi)啟壓力特性作如下處理：忽略冷態(tài)狀態(tài)放氣閥頂桿與板翅間隙漏氣的影響；考慮放氣閥膜片受力有效面積與閥門(mén)面積比值(4∶1)；考慮排氣脈沖壓力波動(dòng)，根據(jù)排氣壓力波相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果[14]取脈沖壓力最高幅值為平均壓力的1.2倍；考慮壓氣機(jī)壓后壓力與放氣閥膜片壓力引出位置存在的差異，膜片壓力引出位置見(jiàn)圖5c；根據(jù)壓氣機(jī)蝸殼周向壓力測(cè)試結(jié)果[15]，取膜片引出壓力為壓氣機(jī)壓后壓力的0.9倍。

由圖5a可見(jiàn)，未考慮排氣脈沖時(shí)放氣閥膜片在260 kPa壓力下開(kāi)啟。圖5b示出根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)所得考慮排氣脈沖時(shí)膜片開(kāi)啟壓力特性，平原狀態(tài)下，膜片在200 kPa壓力下開(kāi)啟。

圖5c示出預(yù)測(cè)的平原狀態(tài)下壓氣機(jī)壓后壓力開(kāi)啟特性曲線(xiàn)。壓后壓力222 kPa時(shí)，放氣閥開(kāi)啟，閥門(mén)升程與壓力提升近似成線(xiàn)性比例。閥門(mén)升程最高4.7 mm，此時(shí)壓力達(dá)到265 kPa。

4 000 m高原狀態(tài)時(shí)試驗(yàn)室排氣系統(tǒng)壓力降低38.4 kPa，放氣閥膜片開(kāi)啟壓力相比平原狀態(tài)時(shí)將降低11.5 kPa；再考慮高原模擬試驗(yàn)測(cè)試是在大同90 kPa環(huán)境進(jìn)行，膜片開(kāi)啟壓力將降低10 kPa，因此4 000 m高原模擬膜片開(kāi)啟壓力降為179.5 kPa。

在真實(shí)的高原環(huán)境中，膜片背面連接大氣，4 000 m高原環(huán)境壓力降低至61.6 kPa，與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣模擬系統(tǒng)相比膜片開(kāi)啟壓力將進(jìn)一步降低28.4 kPa，降至151 kPa。

圖5 放氣閥開(kāi)啟壓力特性試驗(yàn)及預(yù)測(cè)結(jié)果

4 高原模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 放氣閥增壓器與固定幾何常規(guī)增壓器配機(jī)結(jié)果對(duì)比

圖6示出放氣閥渦輪增壓器TC115與某常規(guī)固定幾何增壓器TC93配機(jī)試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比分析可以看出放氣閥渦輪增壓器的特點(diǎn)：1)具有較高的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，常規(guī)增壓器平原狀態(tài)下扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為1.2，放氣閥渦輪增壓器為1.45，增大20%。2)具有非線(xiàn)性壓比-流量耗氣特性曲線(xiàn)，在燃油消耗量近似線(xiàn)性增長(zhǎng)的情況下，常規(guī)增壓器匹配發(fā)動(dòng)機(jī)，外特性所需壓比隨流量近似線(xiàn)性增長(zhǎng)，而放氣閥增壓器在閥門(mén)開(kāi)啟之前與常規(guī)增壓器相同，閥門(mén)打開(kāi)之后趨于非線(xiàn)性變化，斜率逐漸降低至0，壓氣機(jī)壓后壓力基本保持不變。

圖6 放氣閥增壓器與固定幾何常規(guī)增壓器配機(jī)結(jié)果對(duì)比

4.2 高原模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7示出D-TC115，D-TC118SX高原模擬試驗(yàn)結(jié)果。綜合分析可得出放氣閥渦輪增壓器高原工況下工作特性：平原狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性壓比-流量耗氣曲線(xiàn)隨轉(zhuǎn)速升高由線(xiàn)性變化逐漸變?yōu)楸３趾愣▔罕龋艢忾y在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 300～1 400 r/min外特性工況開(kāi)啟，開(kāi)啟時(shí)壓氣機(jī)壓后壓力在207～226 kPa之間，與放氣閥開(kāi)啟特性試驗(yàn)所預(yù)測(cè)開(kāi)啟壓力222 kPa基本吻合，偏差在7%以?xún)?nèi)。放氣閥開(kāi)啟之后，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高壓力基本保持在235 kPa(見(jiàn)圖7)，閥門(mén)升高1 mm左右。高原4 000 m工況，壓氣機(jī)壓后壓力降低約60 kPa，壓比-流量耗氣特性曲線(xiàn)與平原相似，呈非線(xiàn)性。在高原環(huán)境下大氣壓力降低，空氣密度下降，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量急需增加，壓后壓力急需提高，放氣閥在最大扭矩點(diǎn)之后處于開(kāi)啟狀態(tài)。放氣閥在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 300～1 400 r/min外特性工況開(kāi)啟，開(kāi)啟時(shí)壓氣機(jī)壓后壓力在160～172 kPa之間；由于排氣脈沖作用，放氣閥在1 200～1 400 r/min存在瞬時(shí)開(kāi)啟可能。與放氣閥開(kāi)啟特性試驗(yàn)所預(yù)測(cè)開(kāi)啟壓力179.5 kPa近似吻合。放氣閥開(kāi)啟之后，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高壓力保持178 kPa，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速附近降至160 kPa。

圖7 放氣閥增壓器D-TC115，D-TC118SX 高原模擬試驗(yàn)結(jié)果

與平原相比，配置放氣閥渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)在高原工況下表現(xiàn)出如下性能特點(diǎn)：供油量有所降低，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min以上有明顯減少，最大減少8%；扭矩儲(chǔ)備系數(shù)降低，海拔4 000 m工況，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)由1.45降至1.27，降低12.4%；增壓器轉(zhuǎn)速升高較多，高于常規(guī)固定幾何增壓器轉(zhuǎn)速升高量，最高達(dá)20 000 r/min以上(常規(guī)增壓器12 000 r/min，見(jiàn)圖8)。

圖8 常規(guī)固定幾何增壓器發(fā)動(dòng)機(jī) 配機(jī)增壓器轉(zhuǎn)速特性

高壓比增壓器TC118SX在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性性能需求的情況下，可降低高原環(huán)境增壓器工作轉(zhuǎn)速，提高可靠性和耐久性。 與TC115增壓器相比，平原狀態(tài)下高壓比增壓器TC118SX工作轉(zhuǎn)速降低10 000 r/min左右，高原4 000 m工作轉(zhuǎn)速與TC115平原工作轉(zhuǎn)速相當(dāng)。

5 結(jié)論

a) 由冷態(tài)測(cè)量所獲得的放氣閥壓力開(kāi)啟特性，在忽略冷態(tài)下放氣閥頂桿與板翅間隙漏氣的影響，考慮放氣閥膜片受力有效面積與閥門(mén)面積比值，考慮排氣脈沖壓力波動(dòng)，考慮壓氣機(jī)壓后壓力與放氣閥膜片壓力引出位置存在的差異等一系列因素后，經(jīng)過(guò)推算獲得了預(yù)測(cè)特性，與高原模擬試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性；

b) 放氣閥渦輪增壓器具有較高的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，可用于高原環(huán)境適應(yīng)性動(dòng)力改進(jìn)，海拔4 000 m工況可獲得1.27扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，與常規(guī)增壓器平原扭矩儲(chǔ)備系數(shù)相當(dāng)；

c) 放氣閥渦輪增壓器在高原環(huán)境與平原工作狀態(tài)近似，在最大扭矩點(diǎn)之后處于開(kāi)啟狀態(tài)；與平原相比，高原4 000 m工況，壓氣機(jī)壓后壓力降低約60 kPa，壓比-流量耗氣特性曲線(xiàn)與平原相似，呈非線(xiàn)性；

d) 通過(guò)更換高壓比壓氣機(jī)放氣閥渦輪增壓器，在保持原有配機(jī)性能近似不變的情況下，可有效解決高原增壓器超速問(wèn)題，可使增壓器轉(zhuǎn)速在平原狀態(tài)下降低10 000 r/min左右，在高原4 000 m工況，工作轉(zhuǎn)速與更換前平原工作轉(zhuǎn)速相當(dāng)。

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[編輯： 袁曉燕]

Application of Waste-gate Turbocharger in Plateau Environment Adaptability Improvement of Diesel Engine

LI Shuqi1, DENG Chunlong1, CHEN Gang2, ZHANG Zilei1,LIU Chang1, ZHANG Jizhong1, HU Lifeng1, JIA Xiaoliang3

(1. Science and Technology on Diesel Engine Turbocharging Laboratory,China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China;2. Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd., Yulin 537005, China;3. Military Representative Office of Armored Forces in No. 616 Factory, Datong 037036, China)

In the plateau environment simulation test rig for intake and exhaust system of diesel engine, the adaptability experimental investigation of newly developed waste-gate turbocharger was conducted. The results show that the predicted waste gate open characteristics based on measured data in standard state and considered factors including valve geometry and exhaust pressure wave have good consistency with the test results of engine plateau environment simulation with less than 7% deviation. Waste-gate turbocharger has a higher torque reserve coefficient and even in plateau environment. The coefficient is up to 1.27 at an altitude of 4 000 m and equivalent to that of general turbocharger at sea level, which is helpful to improve the engine power at plateau. The waste gate at plateau has the similar work state with that of sea level to provide more intake air and higher turbocharging pressure and remains open after the maximum torque points. The pressure at the exit of compressor decreases by 60 kPa at an altitude of 4 000 m. Through replacing the waste-gate turbocharger with a high pressure ratio compressor, turbocharger speed decreases by about 10 000 r/min and the overspeed problem in high altitude environment is solved effectively. The turbocharger operation speed at 4 000 m is the same as that at sea level before replacing.

waste gate; turbocharger; plateau environment; adaptability; diesel engine; high pressure ratio

2015-07-18；

2016-06-23

國(guó)家“973”項(xiàng)目(6132520303)，柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C330109150C33001)

李書(shū)奇(1981—)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向渦輪增壓器設(shè)計(jì)與應(yīng)用；lishuqi_0202101@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.010

TK423.5

B

1001-2222(2016)03-0052-06