VGT葉片開度對二級增壓柴油機高海拔低速匹配特性的影響

董素榮， 劉卓學， 劉瑞林， 那曉亮， 周廣猛

(1. 軍事交通學院軍用車輛系, 天津 300161； 2. 軍事交通學院研究生管理大隊， 天津 300161)

·性能研究·

VGT葉片開度對二級增壓柴油機高海拔低速匹配特性的影響

董素榮1， 劉卓學2， 劉瑞林1， 那曉亮2， 周廣猛1

(1. 軍事交通學院軍用車輛系, 天津 300161； 2. 軍事交通學院研究生管理大隊， 天津 300161)

基于二級可調增壓柴油機高海拔性能模擬試驗平臺，研究了不同海拔條件下VGT葉片開度對高壓共軌柴油機二級可調增壓系統低速匹配特性的影響。研究結果表明：不同海拔下，隨著VGT葉片開度的減小，高壓級渦輪的渦輪膨脹比和壓氣機壓比、絕熱效率逐漸提高，而低壓級渦輪膨脹比及壓氣機效率變化則趨于平緩，因此兩級壓氣機總壓比、總效率和總功率的變化趨勢與高壓級壓氣機一致；柴油機進氣流量及空燃比隨著VGT葉片開度的減小而增大，動力性及經濟性也隨之升高；海拔0～4 500 m，高壓級壓氣機匹配狀況良好，聯合運行線均位于高效率區內。

高海拔； 共軌柴油機； 可變幾何增壓系統； 二級增壓系統； 匹配特性

我國高原具有海拔高和面積廣的特點，海拔超過1 000 m的高原約占國土面積的37%。高原地區氣壓低，空氣密度小，柴油機進氣流量減小，燃燒惡化，導致柴油機在高原環境運行過程中動力性和經濟性下降[1-3]，進而使得以柴油機為動力的機械裝備的性能在高原地區難以正常發揮。隨著西部大開發戰略的深入推進，以柴油機為動力的機械裝備需求量急劇增加，因此開展柴油機高原環境適應性研究具有重要意義。

研究表明，普通渦輪增壓柴油機在低速工況運行時，容易出現扭矩不足、經濟性差、起動及加速性能差、瞬態響應遲緩等問題[4-5]，而基于VGT的可調二級渦輪增壓系統集成了二級增壓和可調增壓技術的優點，既能夠通過兩級增壓提高柴油機高海拔條件下的動力性，又能通過調整VGT葉片開度來提高低速工況下柴油機瞬態響應能力[6-10]。因此，為探究不同海拔下VGT葉片開度的調節能力，開展了VGT葉片開度對柴油機二級可調增壓系統高海拔低速匹配特性影響的試驗研究。

1 試驗系統及試驗方案

1.1 試驗系統

利用二級可調增壓柴油機高海拔模擬試驗平臺(見圖1)，開展了不同海拔條件下共軌柴油機與二級可調增壓系統匹配特性試驗。

圖1 二級可調增壓柴油機高海拔模擬試驗系統

試驗采用CA6DL2電控高壓共軌柴油機，其排量為8.6 L，標定功率258 kW，標定功率轉速2 100 r/min，最大扭矩1 500 N·m，最大扭矩轉速1 300～1 500 r/min。兩級增壓系統中冷裝置采用ToCeil-ZL3000恒溫控制系統，試驗儀器設備型號見表1。

表1 試驗儀器設備型號

二級可調增壓系統由高壓級(VGT可變截面渦輪增壓器JK70S)和低壓級(固定截面渦輪增壓器JP100S)串聯構成，VGT葉片開度由電動執行器控制，增壓器結構參數見表2和表3。

表2 高、低壓級壓氣機結構參數

表3 高、低壓級渦輪結構參數

1.2 試驗方案

1) 試驗條件：通過進氣節流、排氣抽真空的方式模擬海拔2 500 m，3 500 m，4 500 m時柴油機進、排氣環境。

2) 試驗方法：首先將VGT開度定為100%，確保各參數在限定值之內后，以10%的步長逐漸減小VGT開度，直至試驗工況達到限定值附近時停止調整VGT葉片開度。

3) 試驗限制條件：排溫小于720 ℃；最高燃燒壓力小于16 MPa；高壓級增壓器轉速小于1.2×105r/min；低壓級增壓器轉速小于8×104r/min；機油溫度小于95 ℃。

2 試驗結果與分析

2.1 不同海拔下VGT葉片開度對兩級增壓器性能的影響

通過調整VGT葉片開度，能夠改變廢氣能量在高、低壓級渦輪之間的分配，進而影響高、低壓級壓氣機做功能力。兩級渦輪增壓器主要性能參數計算公式如下。

低壓級壓氣機絕熱壓縮功及絕熱效率：

(1)

(2)

高壓級壓氣機絕熱功率及絕熱效率：

(3)

(4)

壓氣機總絕熱壓縮功：

(5)

(6)

壓氣機總絕熱效率：

(7)

式中：k為空氣絕熱指數，k=1.4；R為氣體常數；T0為低壓級壓氣機進口總溫；T1為低壓級壓氣機出口總溫；T2為高壓級壓氣機進口總溫；T3為高壓級壓氣機出口總溫；πL為低壓級壓比；πH為高壓級壓比；πtotal為總壓比。

圖2示出柴油機1 200 r/min全負荷工況下，不同海拔下高、低壓級渦輪膨脹比隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，高、低壓級渦輪膨脹比均隨海拔的升高而降低，相同海拔下，隨著VGT葉片開度的減小，渦輪膨脹比增大。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，高壓級渦輪膨脹比升高了6.81%，低壓級渦輪膨脹比升高了2.32%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，高壓級渦輪膨脹比升高了5.68%，低壓級渦輪膨脹比升高了1.10%。其主要原因是，隨著VGT葉片開度的減小，高壓級渦輪流通面積變小，對廢氣的節流能力增強，渦前壓力升高，高壓級膨脹比升高；同時，高壓級膨脹比的上升使得缸內進氣量增加，燃燒充分，因此排氣能量增加，高壓級渦后壓力上升，導致低壓級膨脹比也隨之變大。

圖2 不同海拔下渦輪膨脹比隨VGT葉片開度的變化

圖3示出不同海拔下高、低壓級壓氣機絕熱效率隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，VGT葉片開度減小時，高壓級壓氣機絕熱效率增大，而低壓級壓氣機絕熱效率變化比較平緩。因此，如圖4所示，二級壓氣機總絕熱效率隨VGT葉片開度的減小而升高，其中平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，兩級壓氣機總絕熱效率升高了1.38%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，兩級壓氣機總絕熱效率升高了20.14%。

圖3 不同海拔下壓氣機效率隨VGT葉片開度的變化

圖4 不同海拔下二級壓氣機總效率隨VGT葉片開度的變化

圖5、圖6示出不同海拔下高、低壓級壓氣機絕熱功率及二級壓氣機總絕熱功率隨VGT葉片開度的變化。當VGT葉片開度減小時，發動機排氣能量上升，膨脹比增加，使得渦輪機做功能力變強，因而壓氣機功率隨之上升。其中，平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，兩級壓氣機總絕熱功率升高了13.29%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，兩級壓氣機總絕熱功率升高了16.44%。

圖5 不同海拔下壓氣機功率隨VGT葉片開度的變化

圖6 不同海拔下壓氣機總功率隨VGT葉片開度的變化

圖7示出不同海拔下高、低壓級壓比及二級增壓總壓比隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，不同海拔下，高壓級壓比隨VGT葉片開度的減小而增大，這是因為當VGT葉片開度減小時，高壓級渦輪膨脹比變大，渦輪做功能力增強，相應的高壓級壓氣機功率增大，效率增加，故高壓級壓比隨之增加；相對而言，低壓級壓比未呈現明顯增加趨勢，其主要原因是VGT葉片開度減小對低壓級渦輪的膨脹比和效率影響較小，導致低壓級壓氣機功率和效率變化不大，因此低壓級壓比變化平緩。所以二級增壓系統總壓比隨VGT葉片開度的變化趨勢與高壓級壓比變化趨勢相同，隨VGT葉片開度減小而增大。

圖7 高低壓級壓比以及總壓比隨VGT葉片開度的變化

2.2 不同海拔下VGT葉片開度對柴油機性能的影響

二級可調增壓系統通過調整VGT葉片開度改變柴油機的進氣壓力，影響了柴油機的進氣流量，改變空燃比，進而影響氣缸內燃燒過程，對柴油機整體的動力性和經濟性產生影響。

圖8、圖9示出不同海拔下柴油機進氣流量及空燃比隨VGT葉片開度的變化。由圖可知，進氣流量和空燃比均隨海拔的增高而降低。相同海拔時，柴油機的進氣流量和空燃比均隨VGT葉片開度的減小而增加，這是因為在噴油參數不變的情況下，當VGT葉片開度減小時，渦輪截面積減小，尤其是高壓級膨脹比增大，做功能力增強，增壓比增大，使柴油機進氣流量和空燃比逐漸增加。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，進氣流量增加27.3%，空燃比增加29.4%；海拔4 500 m時VGT葉片開度從60%減小到40%，進氣流量增加7.82%，空燃比增加了7.04%。因此，二級可調增壓系統通過調整VGT葉片開度能夠提高柴油機的進氣流量以及空燃比，改善柴油機的燃燒過程以及柴油機低速響應性能。

圖8 不同海拔下柴油機進氣流量隨VGT葉片開度的變化

圖9 不同海拔下柴油機空燃比隨VGT葉片開度的變化

圖10示出柴油機進氣壓力和排氣壓力隨VGT葉片開度的變化。相同海拔下進氣壓力與排氣壓力隨VGT葉片開度變化趨勢相同，當VGT葉片開度逐漸減小時，渦輪流通截面積也相應減小，導致渦前壓力增加。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，進氣壓力增加24.0%，排氣壓力增加28.8%；海拔4 500 m時VGT葉片開度從60%減小到40%，進氣壓力增加6.75%，排氣壓力增加了4.73%。

圖10 不同海拔下柴油機進排氣壓力隨VGT葉片開度的變化

由于高原地區大氣壓低，空氣稀薄，柴油機進氣流量減小，過量空氣系數減小，導致燃燒不充分，柴油機低速動力性和經濟性下降嚴重。通過調整VGT葉片開度，可以有效控制進氣壓力，調整燃燒過程，進而改善柴油機動力性和經濟性。圖11示出不同海拔下柴油機動力性和經濟性隨VGT葉片開度的變化。隨著VGT葉片開度的減小，柴油機進氣流量以及空燃比增大，改善了缸內的燃燒過程，使得柴油機動力性和經濟性均得到改善；且隨著海拔的升高，VGT葉片最佳開度呈減小趨勢。平原條件下，VGT葉片開度從80%減小至50%時，扭矩相應增加10.8%，燃油消耗率降低了10.2%；海拔4 500 m條件下，VGT葉片開度從60%減小至40%時，扭矩增加7.6%，燃油消耗率降低了6.0%。

圖11 不同海拔下柴油機扭矩和燃油消耗率 隨VGT葉片開度的變化

2.3 不同海拔下VGT葉片開度對增壓器匹配特性的影響

圖12示出不同海拔、不同VGT葉片開度下柴油機與二級可調增壓器聯合運行線。由圖可知，隨VGT葉片開度的減小，進氣流量和壓比隨之增加，聯合運行線向高效率區方向偏移。不同海拔條件下，高壓級壓氣機與柴油機的聯合運行線均在高效率區，但低壓級壓氣機與柴油機的聯合運行線則偏離高效率區，落在較小流量和壓比的范圍內，這主要是由于柴油機在低轉速工況下，排氣能量偏低，高壓級做功能力遠高于低壓級，導致低壓級壓氣機效率降低。

圖12 不同海拔、不同VGT葉片開度下二級可調 增壓器與柴油機聯合運行線

3 結論

a) 隨著VGT葉片開度的減小，不同海拔下高、低壓級渦輪膨脹比均增加，但高壓級渦輪膨脹比增加幅度明顯大于低壓級；

b) 不同海拔下，隨VGT葉片開度的減小，高壓級壓氣機壓比、效率和功率有所提高，但低壓級壓氣機性能變化趨勢平緩，因此兩級壓氣機總壓比、總效率和總功率的變化同高壓級壓氣機變化趨勢一致；

c) 不同海拔下，隨VGT葉片開度的減小，柴油機進氣流量和空燃比逐漸增加，動力性和經濟性提高；

d) 海拔0～4 500 m條件下，高壓級壓氣機與柴油機的匹配狀況良好，但低壓級聯合運行線偏離最高效率區。

[1] 劉瑞林．柴油機高原環境適應性研究[M]．北京：北京理工大學出版社，2013．

[2] 董素榮,許翔,周廣猛，等.車用柴油機高原性能提升技術研究現狀與發展[J].裝備環境工程,2013(2):67-70.

[3] 周廣猛,劉瑞林,董素榮,等.柴油機高原環境適應性研究綜述[J].車用發動機,2013(4):1-5.

[4] 董素榮,熊春友,劉瑞林,等.高原環境下柴油機增壓技術研究與應用[J].軍事交通學院學報,2015(5):44-48.

[5] 胡志林. 柴油機匹配二級增壓系統性能試驗與模擬研究[D].天津：天津大學,2010.

[6] 張眾杰.二級可調增壓系統設計及其與總歸柴油機高海拔匹配仿真研究[D].天津:軍事交通學院,2011:60-61.

[7] Hualei Li.Research on the power recovery of diesel engines with regulated Two-stage turbocharging system at different altitudes[J].International Journal of Rotating Machinery,2014(3):1-10.

[8] 魏名山,張志,方金莉，等.帶有放氣閥的二級增壓系統的設計與試驗[J].內燃機學報,2009,27(2):166-170.

[9] Flardh O,Martensson J.Nonlinear exhaust pressure co-ntrol of an SI engine with VGT using partial model inversion[C]//49th IEEE Conference.[S.l.]：IEEE,2010.

[10] 郭林福,馬朝臣,施新，等.VGT對柴油機經濟性和動力性影響的試驗研究[J].北京理工大學學報，2003,21(2):155-160.

[編輯： 潘麗麗]

Effects of VGT Blade Opening on Low Speed Matching Characteristics of Two-stage Turbocharging Diesel Engine at High Altitude

DONG Surong1, LIU Zhuoxue2, LIU Ruilin1， NA Xiaoliang2， ZHOU Guangmeng1

(1. Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2. Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Based on the high altitude performance simulation test system, the effects of VGT blade opening on low speed matching characteristics of two-stage turbocharging diesel engine at different altitudes were researched. The results showed that the expansion ratio of high pressure stage turbine and the compression ratio and adiabatic efficiency of compressor increased and that of low pressure stage turbine and the efficiency of compressor changed gently with the decrease of VGT blade opening at different altitudes. Therefore, the total compression ratio, efficiency and power of two-stage compressor were equivalent to those of high-pressure stage compressor. In addition, the intake mass flow and air-fuel radio also increased so that the power and economy performance improved. The high pressure stage compressor had good matching performance at 0-4 500 m and the joint operating curve was located in a high efficiency area.

high altitude; common rail diesel engine； variable geometric turbocharging system; two-stage turbocharging system； matching characteristics

2016-06-24；

2016-10-14

董素榮(1967—)，女，教授，博士，主要從事柴油機高原環境適應性研究工作；dongsr@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.006

TK421.8

B

1001-2222(2016)06-0030-06