輕型柴油車不同海拔增壓器保護試驗研究

陳靜，楊闖，張亮，夏凱，胡智超

(1.江西五十鈴發動機有限公司，江西南昌 330200;2.博世汽車柴油系統有限公司，江蘇無錫 214028)

0 引言

2016年12月23日，國務院總理李克強召開會議，審議通過《西部大開發“十三五”規劃》，規劃中深刻分析了我國西部大開發戰略在當今形勢下面臨的新機遇與挑戰。輕重型車在明確的未來幾年的鐵路、公路、機場等方面的重點工程項目中將發揮重要的作用[1]。柴油機因具有良好的可靠性、經濟性及動力性的特點而廣泛應用于輕重型車上。

西部較典型的青藏高原平均海拔在4 000 m以上，高原的氣候條件與平原地區差別很大。研究表明，不同海拔的環境參數是影響柴油機性能的主要原因[2-5]。高海拔地區的空氣稀薄，發動機的進氣量減少，致使燃燒及排放惡化，如此柴油車到高原地區常出現排動力性不足、經濟性下降的問題，嚴重時還會出現冒黑煙、渦輪前排氣溫度超溫、增壓器轉速超速等問題。所以，在高海拔地區開展增壓器保護試驗很有必要。為適應高原環境，需對平原標定的柴油車進行相應的參數優化。周廣猛等[6]指出：目前研究的重點是做好增壓器和燃油系統的匹配，而后通過實地試驗對比分析柴油機高海拔的性能表現。李環等人[7]指出，高原環境中動力性、排氣煙度、增壓器保護試驗為ECU電控數據開發的三大主要影響因素。

目前國內學者對發動機在高原地區的適應性試驗的研究方式主要有試驗室臺架試驗和可移動式座臺試驗，很少有發動機整車試驗的介紹。文中通過對某款輕型國五柴油車在不同海拔地區實際的增壓器表現，加以噴油量的修正及驗證，以達到整車滿足不同海拔地區增壓器保護及動力性要求。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗車輛及發動機

試驗車輛為某公司生產的某自主品牌匹卡，匹配某6速手動變動箱和搭載該公司自主研發的某型發動機。該發動機的基本參數如表1所示。

表1 發動機基本參數

1.2 數據采集設備

數據采集設備由轉速傳感器、排氣溫度傳感器、轉速顯示儀、信號線、電源線、ETAS通信測試設備、電腦組成。轉速顯示儀將從增壓器的壓氣機端采集到的轉速頻率信號轉換成模擬信號；ETAS設備直接讀取該模擬信號通過公式轉換成轉速信號；電腦通過INCA軟件讀取此轉速信號。同理，排氣溫度傳感器的信號也是通過ETAS設備轉換并傳輸至電腦。數據采集系統示意圖如圖1所示。

圖1 數據采集系統示意圖

1.3 數據刷寫設備

數據刷寫設備由INCA軟件環境、ETAS通信設備和ECU硬件平臺組成，外特性噴油量的數據由電腦控制ECU進行調整。

1.4 試驗方法

在做增壓器保護時，基于基礎外特性噴油量，對6個不同海拔地區的外特性噴油量進行不等的噴油限制，使增壓器轉速不超過23×104r/min，發動機渦前排氣溫度不超過780 ℃(以下簡稱排溫)，以及在保證零部件可靠性的前提下滿足整車客戶的動力性要求。

2 試驗結果及分析

試驗地點及其對應的海拔高度如下：敦煌(1 110 m)、阿克塞(1 800 m)、格爾木(2 800 m)、納赤臺(3 500 m)、西大灘(4 100 m)、昆侖山(4 500 m)。

2.1 不同海拔增壓器轉速在壓氣機性能中表現

圖2為試驗車在不同海拔地區增壓器轉速在壓氣機性能圖中表現的試驗結果。可看出:隨海拔高度的提高，增壓器轉速提高。這主要是因為隨著海拔的提高，盡管大氣密度降低導致柴油機進氣量減少，但渦輪的排氣背壓也隨之降低，膨脹比增加，從而使渦輪獲得更多的能量，提高了渦輪的做功能力。有研究表明：在穩定1 700 r/min時表現出進氣密度隨海拔的升高而降低，發動機進氣質量流量減少，空燃比下降，渦輪入口溫度升高[4]。但實際上從表2可看出:在發動機轉速同為3 000 r/min時，隨增壓器轉速的提高，進氣流量和增壓比也隨之增加。這可歸因于在高海拔地區，雖然空氣稀薄使得進氣流量降低，但渦輪的排氣背壓隨海拔升高而降低的幅度更大，從而使得最終的空氣流量隨海拔升高而增大。

圖2 不同海拔壓氣機性能表現

海拔高度/m外特性油量/(mg·沖程-1)增壓器轉速/(104r·min-1)增壓比空氣流量/(kg·s-1)排溫/℃111059．518．62．490．127742180054192．630．13975228005119．92．860．14576635004820．53．060．1668041004421．43．130．15766045003621．13．060．16582

圖3和圖4為試驗車在不同海拔地區的排溫和增壓器轉速試驗結果。可看出:各海拔下的增壓器轉速和排氣溫度均處于設計允許范圍內。此外，海拔2 800 m以下，增壓器保護在各發動機轉速下主要受排溫限制，排溫維持在730～760 ℃之間，增壓器轉速在22×104r/min以下;海拔3 500 m以上，增壓器保護受發動機運行的工況影響。發動機轉速在3 000 r/min以下，增壓器保護主要受排溫限制，排溫維持在660～750 ℃內，增壓器轉速在21.4×104r/min以下；發動機轉速在3 000 r/min以上，增壓器保護主要受增壓器轉速限制，增壓器轉速在(22～22.7)×104r/min之間，排溫在430～680 ℃內。

圖3 不同海拔不同發動機轉速下排溫表現

圖4 不同海拔不同發動機轉速下增壓器轉速表現

2.2 不同海拔地區增壓器轉速掃點圖

經過以上數據驗證，不同海拔標定的外特性噴油量下各增壓器轉速、發動機排溫均處于設計要求范圍內。除此之外，整車實際道路行駛過程中，這兩個參數也是被要求不準超過設計限值。

柴油車在變工況的全部運行范圍內，增壓器的壓氣機需滿足不發生喘振的要求[8]。實驗過程中通過INCA軟件讀出測量的壓氣機進口壓力、壓氣機進口溫度、壓氣機出口壓力和進氣質量流量，通過公式(1)算出實際增壓比，通過公式(2)算出折合的進氣質量流量，而后將點繪制在壓氣機的性能圖中。圖5為不同海拔地區實際車輛道路行駛的掃點圖。可看出，所有點均運行在喘振線以內。

(1)

式中：πc為增壓比；p1為壓氣機進口壓力；p2為壓氣機出口壓力。

(2)

式中：Gacon為折合質量流量；Ga為質量流量；p1為壓氣機進口壓力；T1為壓氣機進口溫度。

圖5 不同海拔道路增壓器轉速掃點圖

2.3 噴油量修正前后的動力性、增壓器轉速和發動機排溫對比

為了保護增壓器轉速不超速和排溫不超溫，噴油量較外特性油量相對減少，對發動機的功率會有所影響。修正前的噴油量為基礎標定數據的噴油量，修正后的噴油量為在基礎標定數據上放寬限制后的外特性噴油量。圖6為不同海拔下修正噴油量前的柴油車動力性的對比圖。由圖6(a)得出：海拔4 500 m相對于海拔3 500 m的百公里加速時間延長了55.1%。由圖6(b)得出：海拔4 500 m相對于海拔3 500 m的五擋最高車速下降了13.4%。

圖6 不同海拔下修正噴油量前的柴油車動力性的對比

海拔高度對柴油車動力性有影響主要是因為：由表2可看出，海拔高度增高后，排氣背壓降低，膨脹比增加，使得增壓器的做功能力提高，有效補償了高海拔稀薄空氣帶來的負影響，使得海拔3 500 m以上的進氣流量幾近相同。但由圖2可看出，增壓器轉速隨海拔高度的提高而增加，而為了保證增壓器轉速不超速，對不同海拔的外特性噴油量進行不等的限制，即限制量隨海拔高度的增加而增多，因而柴油車的動力性能隨海拔高度的增加而下降。

對于客戶來說，希望發動機零部件在滿足安全可靠的前提下，提升整車的動力性能。為此，作者在基本標定的數據之上放寬不同海拔地區的外特性噴油量，對比調整噴油量前后整車的百公里加速時間和五擋最高車速時的動力性表現、增壓器轉速和發動機排溫。

客戶對海拔2 800 m以下的動力性表現滿意，希望對海拔3 500 m以上的動力性進行優化，因此針對海拔3 500 m以上地區的噴油量進行調整，其對比如圖7所示，圖7(a)、(b)、(c)分別為海拔3 500、4 100和4 500 m的油量調整對比圖。可看出:不同海拔噴油量在發動機轉速3 000 r/min以下均未有所調整，其調整空間很小，主要受外特性油量的限制。由圖7(a)可得：修正噴油量前的功率損失在37%以下，修正噴油量后的功率損失在33%以下；由圖7(b)可得：修正噴油量前的功率損失在48%以下，修正噴油量后的功率損失在39%以下；由圖7(c)可得：修正噴油量前的功率損失在59%以下，修正噴油量后的功率損失在54%以下。由此可對比出，隨海拔高度的提高，限制噴油量數值更大。

圖7 不同海拔地區噴油量調整

為提高整車在高原地區的動力性，在這3個高原地區進行百公里加速和五擋最高車速測試，對應的試驗結果分別如圖8和圖9所示。由圖8(a)看出：修正噴油量前百公里加速時間隨海拔的提高而明顯延長，修正噴油量后百公里加速時間有明顯的改善，4 100 m海拔時百公里加速時間提升近33.5%；由圖8(b)看出：修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；由圖8(c)看出：修正噴油量前增壓器轉速未超速，4 100 m以上在修正噴油量后增壓器轉速出現超速情況。由圖9(a)看出：4 100 m以上在修正噴油量前、后的五擋最高車速提速明顯，最高提速近13.2%；由圖9(b)看出：修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；由圖9(c)看出：4 500 m時增壓器轉速最高達24.7×104r/min，超出安全設計值，因此放寬外特性油量限制是不可取的。

圖8 不同海拔地區百公里加速時間

圖9 不同海拔地區五擋最高車速

3 結論

(1)在滿足增壓器轉速不超速、渦前排氣溫度不超溫的前提下，對不同海拔高度的外特性噴油量進行相應的限制，得出海拔高度2 800 m以下，增壓器保護在各發動機轉速下主要受排溫限制，排溫維持在730～760 ℃內，增壓器轉速在22×104r/min以下。海拔高度3 500 m以上，增壓器保護受發動機運行的工況影響。發動機轉速在3 000 r/min以下，增壓器保護主要受排溫限制，排溫維持在660～750 ℃內，增壓器轉速在21.4×104r/min以下；發動機轉速在3 000 r/min以上，增壓器保護主要受增壓器轉速限制，增壓器轉速在(22～22.7)×104r/min之間，排溫在430～680 ℃內。

(2)為提高整車在高原地區的動力性，對比放寬不同海拔外特性噴油量的限制前、后的功率損失，不同海拔高度噴油量在發動機轉速3 000 r/min以下均未有所調整，其調整空間很小，主要受外特性油量的限制。在海拔3 500 m時，修正噴油量前的功率損失在37%以下，修正噴油量后的功率損失在33%以下；在海拔4 100 m時，修正噴油量前的功率損失在48%以下，修正噴油量后的功率損失在39%以下；在海拔4 500 m時，修正噴油量前的功率損失在59%以下，修正噴油量后的功率損失在54%以下。

(3)對比放寬不同海拔外特性噴油量限制前后的動力性、增壓器轉速和排溫：百公里加速時間方面，修正噴油量前百公里加速時間隨海拔的提高而明顯延長，修正噴油量后百公里加速時間有明顯的改善，海拔4 100 m時百公里加速時間提升近33.5%；修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；修正噴油量前增壓器轉速未超速，4 100 m以上在修正噴油量后增壓器轉速出現超速情況。五擋最高車速方面，4 100 m以上在修正噴油量前后的五擋最高車速提速明顯，最高提速近13.2%；修正噴油量前、后排溫均未超最高限值；4 500 m時增壓器轉速最高達24.7×104r/min，超出安全設計值，因此放寬外特性油量限制是不可取的。

參考文獻:

[1]中華人民共和國國家發展和改革委員會.國家發展改革委關于印發西部大開發“十三五”規劃的通知[EB/OL].[2017-01-11].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201701/t20170123_836067.html.

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