放氣閥增壓器在柴油機高原環境適應性改進中的應用研究

李書奇， 鄧春龍， 陳剛， 張子磊， 劉暢， 張繼忠， 胡力峰，賈曉亮

(1. 中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室， 天津 300400；2. 廣西玉柴機器股份有限公司， 廣西 玉林 537005；3. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

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放氣閥增壓器在柴油機高原環境適應性改進中的應用研究

李書奇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. 中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室， 天津 300400；2. 廣西玉柴機器股份有限公司， 廣西 玉林 537005；3. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

基于柴油機進排氣高原環境模擬試驗平臺，針對所研制放氣閥渦輪增壓器，通過配機試驗研究，獲得結論如下：基于由冷態測量獲得的放氣閥開啟特性，在考慮放氣閥幾何結構、排氣脈沖壓力波動等因素影響后得到預測特性，與高原模擬試驗結果具有較好的一致性，偏差在7%以內；放氣閥渦輪增壓器具有較高的扭矩儲備系數，可用于高原環境適應性動力改進，海拔4 000 m工況可獲得1.27扭矩儲備系數，與常規增壓器平原扭矩儲備系數相當；在高原環境發動機進氣量需要增加、壓后壓力需要提高的情況下，放氣閥與平原工作狀態近似，在最大扭矩點之后處于開啟狀態；與平原相比，高原4 000 m工況壓氣機壓后壓力降低約60 kPa。通過更換高壓比壓氣機放氣閥渦輪增壓器，在保持原有配機性能近似不變的情況下，可有效解決高原增壓器超速問題，可使增壓器轉速在平原狀態下降低10 000 r/min左右，在高原4 000 m工況，工作轉速與更換前平原工作轉速相當。

放氣閥； 渦輪增壓器； 高原環境； 適應性； 柴油機； 高壓比

渦輪增壓器是發動機高原空氣稀薄環境適應性的關鍵。隨著海拔的升高，大氣壓力降低，空氣密度下降，發動機進氣量減少，導致缸內壓力降低、燃燒惡化，柴油機動力性和經濟性降低[1-4]。近年來，針對發動機高原適應性的研究和探討層出不窮[5-8]，研究結果顯示，進氣系統改進是高原適應性的主要措施[9-11]。放氣閥渦輪增壓器具有簡單的壓力控制系統，能夠滿足發動機低速扭矩特性要求和車用駕駛性要求，能夠解決增壓器超速問題，但是在高原適應性的應用方面，公開發表的文獻較少。朱振夏等曾在柴油機增壓技術的高原環境應用研究中，對放氣閥渦輪增壓器進行了分析，指出在高原條件下應用廢氣放氣技術時，需要采用電控放氣閥或根據海拔條件對彈簧預緊力進行調節，并指出機械式放氣閥可能存在諸多缺陷和不適應。

為了摸清放氣閥渦輪增壓器在發動機高原空氣稀薄環境適應性的應用可行性和缺陷，基于進排氣高原環境模擬試驗平臺，針對研制的兩款放氣閥渦輪增壓器開展配機試驗研究，以驗證放氣閥渦輪增壓器在高原環境下的配機情況，并確定改進目標和方向。

1 試驗樣機

試驗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，增壓器與常規單級渦輪增壓器結構基本一致，由渦輪部件、壓氣機部件及軸承體三部分組成。渦輪部件主要包括渦輪轉軸、渦輪箱；壓氣機部件主要包括壓氣機葉輪、壓氣機蝸殼。整個增壓器為軸承內置集成布置結構，渦輪與壓氣機葉輪分別懸臂于軸承外側。放氣閥形式采用活塞彈簧式，安裝在渦輪箱上，通過引氣導管與壓氣機蝸殼出口相連(見圖1)。渦輪端放氣閥為最簡單的壓力控制系統，一旦達到某一增壓壓力，部分廢氣通過旁通閥繞過渦輪流出；放氣閥打開或關閉通過一個受力彈簧膜片根據所受壓力進行控制。

試驗用放氣閥渦輪增壓器有兩種，分別為高壓比增壓器TC118SX和常規增壓器TC115，其主要結構參數見表1，所配高原適應性改進柴油機主要參數見表2?；诤娇諉喂苋紵夷M的渦輪增壓器試驗臺架，獲得增壓器壓氣機特性(見圖2)。

圖1 放氣閥渦輪增壓器剖面圖

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

表2 高原環境適應性改進柴油機主要參數

圖2 放氣閥增壓器壓氣機試驗特性

2 試驗臺架及試驗內容

2.1 高原環境模擬試驗臺

高原環境模擬試驗臺(見圖3)是驗證發動機高原環境適應性和考察性能隨海拔變化規律的重要手段，由測功器、柴油機試驗輔助系統、柴油機試驗測試及控制系統、高原環境模擬試驗系統等設備構成。其中，高原環境模擬系統是由空氣過濾器、進氣風機、除濕裝置、調溫裝置、空氣加濕裝置、水蒸發器、水加熱器、排煙冷卻器、排煙風機等組成，用來模擬高原狀態柴油機進氣情況，進氣壓力和進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不同海拔環境[12]。

圖3 高原模擬試驗臺示意

2.2 放氣閥開啟特性試驗裝置

圖4 放氣閥開啟特 性試驗裝置

本研究放氣閥開啟特性主要基于自制測量裝置，在冷態(100 kPa)情況下進行測試，該裝置主要由氣源、調節閥、位移測量裝置、臺架等構成，測量原理見圖4。利用外氣源供給壓縮空氣，經調壓閥獲得不同的進氣壓力，供給放氣閥壓縮空氣，作用于閥門膜片，測量放氣閥閥門升程，獲得放氣閥開啟壓力-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 試驗內容

高原模擬試驗臺通過控制進排氣壓力和環境溫度來模擬不同的海拔環境[13]。驗證研究試驗在海拔0～4 000 m范圍內，分別對0 m，1 000 m，2 000 m，3 000 m，4 000 m等5種海拔高度依次進行發動機外特性測試，獲得發動機機功率、扭矩、油耗等動力性和經濟性參數，以及增壓器壓力、溫度、轉速等相關參數。

本研究重點展示高原4 000 m和海拔0 m的測試分析結果，共3組試驗，分別為放氣閥開啟特性試驗(記為D-TC115)、TC118SX增壓器配機試驗(記為D-TC11SX)、TC115增壓器配機試驗(記為D-WG-OC)。

3 放氣閥開啟特性試驗結果分析

冷態下，放氣閥開啟壓力特性見圖5a。測試時，先進行正向測量，即壓力由100 kPa逐漸增加至500 kPa，之后進行反向測量，正向和反向進氣壓力值相等，以便于對比研究。由于測試是在常溫下進行，放氣閥的頂桿與板翅式冷卻體之間存在一定的間隙，部分氣體將會從間隙漏掉；同時，放氣閥閥門未受到實際工作時的脈沖壓力，因而冷態測量雖然能夠反映放氣閥的開啟特性，但開啟壓力數值與集成在發動機之后的工況存在一定的偏差。

為了將放氣閥開啟壓力特性與高原模擬試驗時壓后壓力進行關聯研究，對冷態下開啟壓力特性作如下處理：忽略冷態狀態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面積比值(4∶1)；考慮排氣脈沖壓力波動，根據排氣壓力波相關試驗結果[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圖5c；根據壓氣機蝸殼周向壓力測試結果[15]，取膜片引出壓力為壓氣機壓后壓力的0.9倍。

由圖5a可見，未考慮排氣脈沖時放氣閥膜片在260 kPa壓力下開啟。圖5b示出根據試驗結果預測所得考慮排氣脈沖時膜片開啟壓力特性，平原狀態下，膜片在200 kPa壓力下開啟。

圖5c示出預測的平原狀態下壓氣機壓后壓力開啟特性曲線。壓后壓力222 kPa時，放氣閥開啟，閥門升程與壓力提升近似成線性比例。閥門升程最高4.7 mm，此時壓力達到265 kPa。

4 000 m高原狀態時試驗室排氣系統壓力降低38.4 kPa，放氣閥膜片開啟壓力相比平原狀態時將降低11.5 kPa；再考慮高原模擬試驗測試是在大同90 kPa環境進行，膜片開啟壓力將降低10 kPa，因此4 000 m高原模擬膜片開啟壓力降為179.5 kPa。

在真實的高原環境中，膜片背面連接大氣，4 000 m高原環境壓力降低至61.6 kPa，與發動機進排氣模擬系統相比膜片開啟壓力將進一步降低28.4 kPa，降至151 kPa。

圖5 放氣閥開啟壓力特性試驗及預測結果

4 高原模擬試驗結果分析

4.1 放氣閥增壓器與固定幾何常規增壓器配機結果對比

圖6示出放氣閥渦輪增壓器TC115與某常規固定幾何增壓器TC93配機試驗結果。對比分析可以看出放氣閥渦輪增壓器的特點：1)具有較高的扭矩儲備系數，常規增壓器平原狀態下扭矩儲備系數為1.2，放氣閥渦輪增壓器為1.45，增大20%。2)具有非線性壓比-流量耗氣特性曲線，在燃油消耗量近似線性增長的情況下，常規增壓器匹配發動機，外特性所需壓比隨流量近似線性增長，而放氣閥增壓器在閥門開啟之前與常規增壓器相同，閥門打開之后趨于非線性變化，斜率逐漸降低至0，壓氣機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增壓器配機結果對比

4.2 高原模擬試驗結果分析

圖7示出D-TC115，D-TC118SX高原模擬試驗結果。綜合分析可得出放氣閥渦輪增壓器高原工況下工作特性：平原狀態下，發動機外特性壓比-流量耗氣曲線隨轉速升高由線性變化逐漸變為保持恒定壓比，放氣閥在發動機轉速1 300～1 400 r/min外特性工況開啟，開啟時壓氣機壓后壓力在207～226 kPa之間，與放氣閥開啟特性試驗所預測開啟壓力222 kPa基本吻合，偏差在7%以內。放氣閥開啟之后，隨發動機轉速升高壓力基本保持在235 kPa(見圖7)，閥門升高1 mm左右。高原4 000 m工況，壓氣機壓后壓力降低約60 kPa，壓比-流量耗氣特性曲線與平原相似，呈非線性。在高原環境下大氣壓力降低，空氣密度下降，發動機進氣量急需增加，壓后壓力急需提高，放氣閥在最大扭矩點之后處于開啟狀態。放氣閥在發動機轉速1 300～1 400 r/min外特性工況開啟，開啟時壓氣機壓后壓力在160～172 kPa之間；由于排氣脈沖作用，放氣閥在1 200～1 400 r/min存在瞬時開啟可能。與放氣閥開啟特性試驗所預測開啟壓力179.5 kPa近似吻合。放氣閥開啟之后，隨發動機轉速升高壓力保持178 kPa，在標定轉速附近降至160 kPa。

圖7 放氣閥增壓器D-TC115，D-TC118SX 高原模擬試驗結果

與平原相比，配置放氣閥渦輪增壓器的發動機在高原工況下表現出如下性能特點：供油量有所降低，在發動機轉速1 400 r/min以上有明顯減少，最大減少8%；扭矩儲備系數降低，海拔4 000 m工況，扭矩儲備系數由1.45降至1.27，降低12.4%；增壓器轉速升高較多，高于常規固定幾何增壓器轉速升高量，最高達20 000 r/min以上(常規增壓器12 000 r/min，見圖8)。

圖8 常規固定幾何增壓器發動機 配機增壓器轉速特性

高壓比增壓器TC118SX在滿足發動機高原環境適應性性能需求的情況下，可降低高原環境增壓器工作轉速，提高可靠性和耐久性。 與TC115增壓器相比，平原狀態下高壓比增壓器TC118SX工作轉速降低10 000 r/min左右，高原4 000 m工作轉速與TC115平原工作轉速相當。

5 結論

a) 由冷態測量所獲得的放氣閥壓力開啟特性，在忽略冷態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面積比值，考慮排氣脈沖壓力波動，考慮壓氣機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，經過推算獲得了預測特性，與高原模擬試驗結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備系數，可用于高原環境適應性動力改進，海拔4 000 m工況可獲得1.27扭矩儲備系數，與常規增壓器平原扭矩儲備系數相當；

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

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

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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

國家“973”項目(6132520303)，柴油機增壓技術重點實驗室基金項目(9140C330109150C33001)

李書奇(1981—)，男，高級工程師，碩士，主要研究方向渦輪增壓器設計與應用；lishuqi_0202101@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.010

TK423.5

B

1001-2222(2016)03-0052-06