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高原功率恢复
2020-02-22 20:47:19· 来源：内燃机学报
在上个月的最后一期推送中探讨了海拔高度对发动机的影响，随着海拔高度的增加，空气密度降低，大气压降低，从而使得发动机进气量下降，最终影响发动机的动力性。
在上个月的最后一期推送中探讨了海拔高度对发动机的影响，随着海拔高度的增加，空气密度降低，大气压降低，从而使得发动机进气量下降，最终影响发动机的动力性。涡轮增压的使用可以提升柴油机的功率密度，减少油耗和排放，并在一定海拔范围内使柴油机恢复功率。但是在一定海拔高度后，受增压器转速、压比和工作点等的限制，增压器的进气补偿作用将不足以弥补因大气压力和密度的大幅下降而带来的进气量的降低，因而发动机的动力性会受到影响。为提高高海拔下发动机的功率，需要采用高增压技术，二级增压便是有效的方案之一。本次推送将讨论采用两级增压技术来实现高原功率恢复。
02、单级和二级增压发动机性能对比
图1为单级和二级增压空气质量流量、转矩和燃油消耗率对比。采用二级增压时，发动机进气量虽然仍随海拔升高而降低，但降幅减小。如图1a 所示，5.5km 海拔时，发动机进气量相对于采用单级增压时大幅提高，并且各海拔下发动机低转速时进气量提升更加显著。
二级增压在动力性方面的另一个明显作用是大幅度提升了发动机的低速转矩，主要是因为发动机低转速进气量的大幅增加。如图1b 所示，5.5km 海拔时柴油机低速转矩最高提升了 111%，0km海拔时最高提升了21%。除800r/min 外，各海拔下柴油机的低速转矩曲线都比较平缓。可见，二级增压不仅对提高柴油机高原动力性作用明显，而且可以提高平原时的低速转矩特性。当然，若只是在低海拔时保持柴油机性能而不要求提高低速转矩特性，可以屏蔽低压级增压器，转化为单级增压系统即可。
采用二级增压时燃油消耗率相对于单级增压时降低，如图 1c 所示，并且除 800r/min 外基本不随海拔变化而变化，或只有小幅上升。
在等空燃比的情况下，发动机进气量的提高可以使循环喷油量得以提高，进而提高了发动机的转矩和功率，如图 2所示。5.5km 海拔时柴油机最大转矩为1234N·m，标定点功率为226.5kW，分别为0km 海拔时的86.1%和 87.3%，相对于单级增压时分别提升了15.5%和27.2%。而 2km 海拔时柴油机动力已经可恢复至 0 km 海拔时的水平。
03、两级可调增压高原标定实验
两级可调增压主要依靠调整VGT的开度来实现，图3为不同海拔全负荷时 VGT 叶片开度对增压压力、进气流量和涡前压力的影响。图 3a 为不同海拔全负荷工况(1500r/min)，不同 VGT 叶片开度对增压压力和进气流量影响的曲线．在同一海拔时，增压压力随 VGT 叶片开度减小而逐渐升高；相同VGT 叶片开度时增压压力随海拔升高而减小。平原条件下，VGT 叶片开度从90%到60%，增压压力提高了18.9%,；海拔5.5km的VGT叶片开度从80%,到40%，增压压力提高了202.7%。其中，进气流量的变化与增压压力变化基本一致，平原条件下，VGT叶片开度从90%，到60%，柴油机进气流量提高了28.7%；海拔5.5km的VGT叶片开度从 80%，到40%，进气流量提高了258.1%。但 VGT在小开度范围（≤ 40%）时，继续减小开度会导致涡前压力迅速升高如图 3b 所示，增压压力提升幅度较小。涡前压力的升高导致柴油机充量系数减小，柴油机进气量降低。海拔3.5km时，VGT叶片开度从40%，减小到30%，增压压力提高了5kPa，但涡前压力提高了25.4,kPa，进气流量减少了1.16,kg/h。
图 4 为 VGT 叶片开度对柴油机转矩和燃油消耗率的影响。不同海拔转矩随着 VGT 叶片开度的减小而升高，海拔 5.5km 转矩提升幅度最大，VGT 叶片开度为 80%～40%，对应转矩提高了 249.0%。不同海拔燃油消耗率均随 VGT 叶片开度的减小而降低，0 海拔 VGT 叶片开度从90%减小至60%，燃油消耗率降低了 7.2%。综上，在满足发动机各限制参数不超限值前提下，0、2.5、3.5 和 5.5km的全负荷工况 1500r/min VGT 叶片最佳开度分别为60%、50%、40%和 40%。
图 5 为不同海拔二级可调增压柴油机全负荷速度特性增压压力和进气流量曲线，增压压力和进气量随海拔的升高而降低，但与原机相比已经有大幅度提高。海拔5.5km最大转矩转速区域提升最为明显，增压压力和进气流量的最大提高幅度分别达到120.4%，和144.9%。增压压力和进气流量的提升直接影响了柴油机的高海拔性能，如图 6所示，海拔5.5km中、低转速空燃比较原机提高 41%～67%，缸内燃烧得到了极大的改善，与原机相比最大转矩和标定功率分别提高了11.0%和11.8%；低速转矩平均提高了31.1%．最低燃油消耗率和低速时燃油消耗率分别降低了4.8%和15.3%。
图 7 为二级可调增压器与柴油机联合运行线。各海拔最大转矩转速和标定转速工况均能工作在低压级压气机高效率区，压比和流量随着柴油机转速的升高而增加，在高转速(2,000～2,100,r/min)由于最高燃烧压力的限制，VGT叶片开度增加，使得高压级涡轮排气膨胀比降低，低压级涡轮排气膨胀比增加，但由于低压级涡轮流通面积较大，排气能量转换为涡轮功的比例小于 VGT 叶片小开度时候的转化比例，同时考虑到排气在管路中的流动损失，导致系统总增压压力和进气量下降，所以低压级压比无法继续升高，而是基本持平或略微下降．高压级压气机与柴油机在中等转速匹配较好，高转速 VGT 叶片开度较大，高压级压比下降，导致运行点偏离了增压器运行的最高效率区，不过仍在较高效率区范围内，且各海拔均未出现喘振、阻塞和超速情况，运行状况较好。
1.相对于单级增压，二级增压不仅可提高柴油机的高原动力性，还可以提高平原时的低速转矩特性。并且在柴油机强度允许的条件下，可以进一步提高平原动力性。
2.与单级增压柴油机相比，海拔5.5km 二级可调增压柴油机的增压压力和进气流量最大提高幅度分别达到120.4%和144.9%；最大转矩和标定功率分别提高了11.0%和11.8%，低速转矩平均提高了31.1%，最低燃油消耗率和低速时燃油消耗率分别降低了4.8%和15.3%；柴油机与高、低压级增压器的联合运行线均位于压气机较高效率区。
文献来源
02、单级和二级增压发动机性能对比
图1为单级和二级增压空气质量流量、转矩和燃油消耗率对比。采用二级增压时，发动机进气量虽然仍随海拔升高而降低，但降幅减小。如图1a 所示，5.5km 海拔时，发动机进气量相对于采用单级增压时大幅提高，并且各海拔下发动机低转速时进气量提升更加显著。
二级增压在动力性方面的另一个明显作用是大幅度提升了发动机的低速转矩，主要是因为发动机低转速进气量的大幅增加。如图1b 所示，5.5km 海拔时柴油机低速转矩最高提升了 111%，0km海拔时最高提升了21%。除800r/min 外，各海拔下柴油机的低速转矩曲线都比较平缓。可见，二级增压不仅对提高柴油机高原动力性作用明显，而且可以提高平原时的低速转矩特性。当然，若只是在低海拔时保持柴油机性能而不要求提高低速转矩特性，可以屏蔽低压级增压器，转化为单级增压系统即可。
采用二级增压时燃油消耗率相对于单级增压时降低，如图 1c 所示，并且除 800r/min 外基本不随海拔变化而变化，或只有小幅上升。
图1 单级和二级增压空气质量流量、转矩和燃油消耗率对比
在等空燃比的情况下，发动机进气量的提高可以使循环喷油量得以提高，进而提高了发动机的转矩和功率，如图 2所示。5.5km 海拔时柴油机最大转矩为1234N·m，标定点功率为226.5kW，分别为0km 海拔时的86.1%和 87.3%，相对于单级增压时分别提升了15.5%和27.2%。而 2km 海拔时柴油机动力已经可恢复至 0 km 海拔时的水平。
图2单级和二级增压最大转矩和标定点功率随海拔变化
03、两级可调增压高原标定实验
两级可调增压主要依靠调整VGT的开度来实现，图3为不同海拔全负荷时 VGT 叶片开度对增压压力、进气流量和涡前压力的影响。图 3a 为不同海拔全负荷工况(1500r/min)，不同 VGT 叶片开度对增压压力和进气流量影响的曲线．在同一海拔时，增压压力随 VGT 叶片开度减小而逐渐升高；相同VGT 叶片开度时增压压力随海拔升高而减小。平原条件下，VGT 叶片开度从90%到60%，增压压力提高了18.9%,；海拔5.5km的VGT叶片开度从80%,到40%，增压压力提高了202.7%。其中，进气流量的变化与增压压力变化基本一致，平原条件下，VGT叶片开度从90%，到60%，柴油机进气流量提高了28.7%；海拔5.5km的VGT叶片开度从 80%，到40%，进气流量提高了258.1%。但 VGT在小开度范围（≤ 40%）时，继续减小开度会导致涡前压力迅速升高如图 3b 所示，增压压力提升幅度较小。涡前压力的升高导致柴油机充量系数减小，柴油机进气量降低。海拔3.5km时，VGT叶片开度从40%，减小到30%，增压压力提高了5kPa，但涡前压力提高了25.4,kPa，进气流量减少了1.16,kg/h。
图3 不同海拔全负荷时 VGT 叶片开度对增压压力、进气流量和涡前压力的影响
图 4 为 VGT 叶片开度对柴油机转矩和燃油消耗率的影响。不同海拔转矩随着 VGT 叶片开度的减小而升高，海拔 5.5km 转矩提升幅度最大，VGT 叶片开度为 80%～40%，对应转矩提高了 249.0%。不同海拔燃油消耗率均随 VGT 叶片开度的减小而降低，0 海拔 VGT 叶片开度从90%减小至60%，燃油消耗率降低了 7.2%。综上，在满足发动机各限制参数不超限值前提下，0、2.5、3.5 和 5.5km的全负荷工况 1500r/min VGT 叶片最佳开度分别为60%、50%、40%和 40%。
图4 不同海拔全负荷时 VGT 叶片开度对转矩、燃油消耗率的影响
图 5 为不同海拔二级可调增压柴油机全负荷速度特性增压压力和进气流量曲线，增压压力和进气量随海拔的升高而降低，但与原机相比已经有大幅度提高。海拔5.5km最大转矩转速区域提升最为明显，增压压力和进气流量的最大提高幅度分别达到120.4%，和144.9%。增压压力和进气流量的提升直接影响了柴油机的高海拔性能，如图 6所示，海拔5.5km中、低转速空燃比较原机提高 41%～67%，缸内燃烧得到了极大的改善，与原机相比最大转矩和标定功率分别提高了11.0%和11.8%；低速转矩平均提高了31.1%．最低燃油消耗率和低速时燃油消耗率分别降低了4.8%和15.3%。
图5 不同海拔全负荷进气流量、空燃比和增压压力曲线
图6不同海拔全负荷速度特性曲线
图 7 为二级可调增压器与柴油机联合运行线。各海拔最大转矩转速和标定转速工况均能工作在低压级压气机高效率区，压比和流量随着柴油机转速的升高而增加，在高转速(2,000～2,100,r/min)由于最高燃烧压力的限制，VGT叶片开度增加，使得高压级涡轮排气膨胀比降低，低压级涡轮排气膨胀比增加，但由于低压级涡轮流通面积较大，排气能量转换为涡轮功的比例小于 VGT 叶片小开度时候的转化比例，同时考虑到排气在管路中的流动损失，导致系统总增压压力和进气量下降，所以低压级压比无法继续升高，而是基本持平或略微下降．高压级压气机与柴油机在中等转速匹配较好，高转速 VGT 叶片开度较大，高压级压比下降，导致运行点偏离了增压器运行的最高效率区，不过仍在较高效率区范围内，且各海拔均未出现喘振、阻塞和超速情况，运行状况较好。
图7不同海拔全负荷工况 RTST与柴油机联合运行线
04、总结
1.相对于单级增压，二级增压不仅可提高柴油机的高原动力性，还可以提高平原时的低速转矩特性。并且在柴油机强度允许的条件下，可以进一步提高平原动力性。
2.与单级增压柴油机相比，海拔5.5km 二级可调增压柴油机的增压压力和进气流量最大提高幅度分别达到120.4%和144.9%；最大转矩和标定功率分别提高了11.0%和11.8%，低速转矩平均提高了31.1%，最低燃油消耗率和低速时燃油消耗率分别降低了4.8%和15.3%；柴油机与高、低压级增压器的联合运行线均位于压气机较高效率区。
文献来源
[1]刘瑞林,林春城,董素荣,张众杰,许翔,周广猛.柴油机二级可调增压系统高海拔标定试验[J].内燃机学报,2016,34(06):543-548.
[2]董长龙. 增压柴油机高原性能恢复研究[D].北京理工大学,2016.
[3]刘系暠,魏名山,马朝臣,施新.不同海拔下单级和二级增压柴油机的仿真[J].内燃机学报,2010,28(05):447-452.
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