高原柴油機增壓技術及應用

廖 麗

（攀鋼集團攀鋼釩公司物流中心，四川攀枝花 617023）

0 引言

中國是一個擁有高原陸地最多的國家，其中青藏高原及云貴高原的平均海拔在（2.0～4.5）km，據(jù)資料顯示，海拔高度在升高的過程中大氣壓力在不斷下降，當海拔高度達到4.0 km 時，大氣壓力只有0.061 MPa，此時空氣密度僅為0.8 kg/m3，柴油機在此種條件下工作時會由于進氣量變小而造成缸內燃燒的不充分，進而出現(xiàn)功率變低，油耗增加等問題，嚴重影響到柴油機的運行性能以及使用壽命。基于以上背景，對高原柴油機增壓技術應用進行研究具有一定的實用意義。

1 高原環(huán)境對柴油機的影響

高海拔環(huán)境下主要為大氣密度對柴油機的性能造成不良影響，其影響主要為以下幾點：柴油機動力性能下降，隨著海拔高度的提升，柴油機的工作功率逐漸下降；經(jīng)濟性能的下降，在高原運行環(huán)境下，柴油機本身的機械效率以及泵氣損失并改變，但受到空氣密度的影響，缸內燃燒效率下降，且由于高原道路的復雜使得油耗在不斷增加；排放性能下降，海拔高度較高時，柴油機的進氣量在減少，其燃燒溫度也在下降，因此NOx的排放量受到影響；啟動性能下降，高海拔工作環(huán)境下，氣溫以及大氣壓的降低使得對空氣壓縮時其溫度以及壓力都無法滿足混合氣體壓燃需求；壽命以及穩(wěn)定性能下降；在高海拔條件下，增壓器極易出現(xiàn)超速等問題，進而導致柴油機熱負荷增加，影響柴油機的其他運動部件的正常運行。

2 高原環(huán)境下增壓系統(tǒng)的改進

2.1 帶放氣閥的增壓器

帶放氣閥的增壓器主要是指把放氣閥通過并聯(lián)的方式接入渦輪入口，并借助推桿以及膜片和放氣閥連接。在高原環(huán)境中，增壓器膜片初始時處于被壓緊，但由于大氣壓力較低，則當增壓壓力較大時則壓氣機前后產生的壓力差值會大于彈簧本身所具有的預緊力，故膜片被推動，廢氣放氣閥被打開，使得渦輪前的少量廢氣被排入空氣中，進而避免增壓器出現(xiàn)超速問題，使得增壓比下降，確保柴油機工作穩(wěn)定性。

2.2 可變截面渦輪技術

可變截面渦輪技術其實質是匹配一系列的固定截面的增壓器，以此達到改變渦輪流通面積的方式來提升增壓器高效工作范圍。當柴油機在低速工作條件下可以通過降低渦輪的流通截面來提升增壓器的轉速和增壓壓力以此使得柴油機在高原環(huán)境下的工作性能得到保持，此外，還能夠增加柴油機的進氣量，進行提升增壓器的低速轉矩性能；當柴油機在高速條件下運行時，則能夠增加渦輪流通截面，使得增壓器的轉速下降，進而確保出線因增壓壓力過高而使得柴油機工作性能受到影響。

2.3 二級增壓

二級增壓是指通過兩極壓氣機將新鮮空氣進行壓縮后，借助冷卻器進行壓縮空氣的冷卻，最后經(jīng)過進氣管進入氣缸。柴油機工作產生的廢氣主要是在高壓級以及低壓級渦輪中膨脹做功，然后排入大氣。在進行二級增壓方案設計時，通常使用直徑不相同的兩個增壓器，其中，流通面積較小的增壓器當作二級增壓系統(tǒng)中的高壓級，而流通面積較大的則當作低壓級。

2.4 相繼增壓

發(fā)動機在高速運轉情況下，空燃比較高，即油耗低；反之在低轉速情況下，由于增壓壓力的下降使得缸內空燃比降低，進而導致低轉速特性差，渦輪增壓器無法確保發(fā)動機在所有工況下具有較高的運行效率，故有學者提出了相繼渦輪增壓方案。相繼渦輪增壓系統(tǒng)包括兩臺機及以上的渦輪增壓器，系統(tǒng)內部的渦輪增壓器連接方式為并聯(lián)，在實際應用中可以基于發(fā)動機運行工況確定不同的增壓器數(shù)量。發(fā)動機轉速低于設計值時則廢氣進行一臺渦輪，使得廢氣流量變大，提升增壓壓力，當發(fā)動機轉速以及負荷在逐漸增加時則，增壓器依次投入使用，進而確保增壓器運行的高效減低油耗。

2.5 電輔助增壓

電輔助增壓主要是通過使用電能將渦輪增壓器轉速在較短時間內得到快速的提升，進而使得發(fā)動機的加速響應性能得到改觀。發(fā)動機在啟動、低速運轉或進行加速過程中，通過使用電池輸出能量，電機驅動壓氣機來提升進氣壓，進而確保發(fā)動機運轉的高性能；而在發(fā)動機高速運轉時，因為壓氣機可以確保進氣量滿足需要，故電機關閉，并通過發(fā)電機回收廢棄能量，儲存在電池內。

2.6 復合增壓

復合增壓系統(tǒng)是指是通過設置兩種及以上的增壓形式，在實際應用中最早使用的復合增壓系統(tǒng)主要是將諧振增壓與渦輪增壓進行復合，雖說該形式的負荷增壓方式能夠提升發(fā)動機的瞬態(tài)特性，但因為該增壓系統(tǒng)的體積較大，匹配困難該負荷增壓系統(tǒng)并在大范圍內推廣使用。而現(xiàn)今使用的機械—渦輪復合增壓形式主要是機械增壓和壓氣機串聯(lián)連接，該進氣系統(tǒng)通常由空氣濾清器、機械增壓器、進氣旁通閥、渦輪增壓器、中冷器、節(jié)氣門、進氣歧管等組成。

3 實際應用試驗與性能比較

以上柴公司GK1C 型內燃機車為研究對象，進行高原增壓器性能匹配試驗。柴油機主要技術參數(shù)見表1。實驗匹配所選用的增壓器為RHC7Q35 與RHE6Q27-513（Z），試驗海拔高度環(huán)境見表2。表3 為柴油機在海拔50 m、2200 m 下配試RHC7Q35與RHE6Q27-513（Z）的性能比較。

從表3 能夠看出在海拔高度較低時（50 m） 柴油機配RHC7Q35 增壓器的高度性能要優(yōu)于RHE6Q27-513（Z）增壓器，但在低速情況下高速性能要差于RHE6Q27-513（Z）增壓器，隨著海拔高度的增加（2200 m 時），RHC7Q35與RHE6Q27-513（Z）增壓器的性能都增加了油耗與渦前排溫，但與RHE6Q27-513（Z）增 壓器相比，RHC7Q35 增壓器的增加幅度更大，尤其是渦前排溫值已超過增壓器的允許的最大排溫值（700 ℃）。故通過以上分析可以得出，RHC7Q35 增壓器不能滿足海拔高度進一步上升下的工作，而RHE6Q27-513（Z）增壓器可以適應更高海拔高度環(huán)境。因此下面將只對RHE6Q27-513（Z）增壓器在不同海拔高度下（50 m，2200 m，3000 m 和3800 m）的性能進行分析。表4 為不同海拔高度下對RHE6Q27-513（Z）增壓器的性能研究結果。

表1 試驗用柴油機主要技術參數(shù)

表2 各試驗海拔高度大氣壓以及溫度

表3 RHC7Q35 與RHE6Q27-513（Z）增壓器在50 m、2200 m 下配試數(shù)據(jù)

表4 不同海拔高度下RHE6Q27-513（Z）增壓器的性能

從表4 可以看出，隨著海報高度的增加，油耗以及渦前排溫值在不斷增加，這一說明了氧氣含量的減少對柴油機高速性能的影響較大，尤其是在海拔高度為3800 m 時，標定工況下的渦前排溫已經(jīng)達到685 ℃，＜700 ℃，表明RHE6Q27-513（Z）增壓器可以滿足海拔高度3800 m 的高原能力。

4 結論

在進行高原柴油機試配時，當其主要運行環(huán)境為低海拔時，對增壓器進行選擇時應主要以柴油機中低速性能為主要考慮點，通過對比兩種增壓器在不同海波高度下的工作性能可知，隨著海拔高度的增加，增壓器的轉速以及壓力比都在不斷增加，此時柴油機的外特性曲線在逐漸的向壓氣機柴油機外特性運行曲線向壓氣機的喘振線靠近，故在進行高原增壓器配試式應注意柴油機的外特性運行線與增壓器的最高轉速線和喘振線之間留有一定的余量。