高原自适应柴油机涡轮增压技术研究

1、高原自适应柴油机涡轮增压技术研究第32卷第4期2011年8月voi_32no.4august.z011文章编号:10000925(2011)04002705高原自适应柴油机涡轮增压技术研究靳嵘.张俊跃.胡力峰.诸葛伟林(柴油机高增压技术国家级重点实验室,大同037036)studyonvaryingaltitudesystemforself-adaptiveturb0chargingdieselenginejinrong,zhangjunyue,hulifeng,zhugewei-lin(nationalkeylaboratoryofscience&technologyondiesel

2、engineturbocharging,datong037036,china)32o059abstract:onthebasisofvariablenozzleturbochargingavaryingaltitudeselfadaptiveturboehargingsystemfordieselenginewasestablished.thecomparativeexperimentswereperformedonthesimulationtestbedtosimulatetheconditionsofvaryingaltitudeof040001ti,tostudyeffectsoneng

3、inechargeexchangingprocessandperformance.asaresult,enginepowerdropisrecoveredandtheproblemsofenginemisfireatlowspeedandturbochargersurgeathighaltitudearesolved.thespeedofmax.torquepointat4000maltitudereturnsto1300r/min,thesameasonplain,andthetorquedropislessthan5,meetingexpectedobjective.itcanbeconc

4、ludedthatthevariablenozzleturbocharginghasacertainpotentialitiesfordieselenginepowerrecoveryathighaltitudeandheatloadreduction.0概述摘要:针对某柴油机面临的变海拔适应性问题,基于可变截面增压器,建立了柴油机变海拔自适应增压系统,利用高原柴油机性能模拟试验台,进行了04000m高原性能模拟对比试验,研究了高原环境下增压对换气过程及柴油机性能的影响.研究结果表明:通过采用可变截面增压技术,柴油机高海拔性能下降得以改善,并解决了柴油机在高海拔低速工况下不能工作,增压器喘振等

5、问题,使柴油机在4000m海拔下最大扭矩点转速恢复到原机平原条件下的转速1300r/min,扭矩降幅小于5.通过初步研究得出可变截面增压技术在柴油机高原恢复功率,降低热负荷方面具有一定的潜力.关键词:内燃机;涡轮增压;高原;变海拔;自适应keywords:icengine;turbocharging;plateau;varyingaltitude;self-adaption中图分类号:tk421.8文献标识码:a我国高原,山地分布广阔,约占全国总面积的60%.其中,海拔1000m以上高原面积约占全国总面积的58%;2000m以上的高原占33%;3000m以上的高原占26%.青藏高原平均海拔为4

6、000m以上,占国土面积的1/4.高原大气条件与平原相比有显着差别,随着海拔的升高,大气压力下降,空气密度和含氧量降低.海拔每升高1000m,则大气压力下降约9%,年平均气温下降57.对于工作在高原地区的柴油机,会引起燃烧滞后和后燃期延长,相应带来功率下降,油耗上升,排温升高,排放恶化等现象.通过供油调整和增压匹配,可以在固定海拔实现柴油机的功率恢复并降低油耗,但当运行海收稿日期:2009-11-25作者简介:靳嵘(1973一l,女.工程师.主要研究方向为增压技术,e-mail:jinrong_1999sina.corn.g盯g卧e程咖工0机b燃mc内_亘,至e?28?内燃机工程2011年第4

7、期拔偏离原海拔时,柴油机性能会急剧下降,传统针对固定海拔的匹配技术已很难满足要求.面对西部大开发的不断推进和西部经济的迅猛发展,高原地区交通运输及基础设施建设对柴油机的需求越来越高.为了提高柴油机的变海拔工作能力,迫切需要采取有效措施提高柴油机的变海拔适应性,使柴油机在全海拔具有最佳的动力性和燃油经济性.本文着重针对某高原柴油机进行变海拔自适应增压技术研究l1,建立了基于可变截面增压的柴油机变海拔自适应增压系统,进行了柴油机高原性能模拟试验,采用gtpowrer建立并校核了基于可变截面增压的柴油机仿真模型,设计出可变截面增压器,并进行了o4000m高原性能模拟对比试验.1原柴油机的高原模拟试验

8、1.1原机存在的问题为了搞清原机(配固定截面增压器hx50)状态及存在的问题,首先进行了原机模拟高原摸底试验,并进行了o4000m海拔高度条件下的柴油机外特性试验,发现原机存在如下问题【2j:(1)柴油机随着海拔不断升高,动力性不断下降,燃油经济性不断恶化;(2)最大扭矩点转速不断提升,并且扭矩不断下降,4000in海拔发动机最大扭矩点转速由海拔为0时的1300r/min上升到1500r/rain,扭矩值下降7.3;(3)在海拔3000m以上,柴油机在1400r/min,1300r/min:-特性点增压器发生喘振,不能正常工作,如图1和表1所示.出流量/(kg.s)图1不同海拔高度条件下增压器

9、与柴油机联合工作曲线图表1原机变海拔高度下最大扭矩下降幅度最大海拔高度最大扭矩点转速最大扭矩下降幅度/m/(r?min)/(n?m)/o13ool489o300014oo14254.z40001500l3807.31.2原因分析1.2.1高海拔对柴油机动力性能的影响随着海拔高度的升高,大气压力下降,空气密度降低,柴油机进气量减少,过量空气系数下降,这导致了燃烧过程恶化,热效率下降,热负荷增加,排温升高,排烟变黑,将直接影响柴油机的动力性能.而海拔高度对涡轮增压柴油机高,低速时动力性能的影响不同3,原因是随着海拔升高,尽管大气密度降低,导致柴油机进气量减少,但同时涡轮背压也随之降低,涡轮膨胀比增

10、大,增压器转速升高,增压比增大,空气流量增加.在高转速时,增压比随海拔高度的升高增加较快,使涡轮增压器做功能力相对提高,起到了一定的补偿作用;而在低转速时,由于柴油机排气能量不足,涡轮增压器工作能力迅速下降,增压比随海拔高度的升高而增加较小,因而柴油机动力性能下降迅速.表2为不同转速在进气温度相同,海拔高度不同下的功率相对于标准地区时的下降比例.表2功率相对标准地区下降比例转速/(r?min)海拔高度/m21oo19001700150014001300ooo0o001000o0.48一o.33o0.410.4920000.86o.570.590.57030004.o34.303.843.923

11、.7740005.885.154.720.261.2.2高海拔对柴油机经济性能的影响表3为不同转速在进气温度相同,海拔高度不同下的燃油消耗率相对于标准地区时的上升比例.由表3可见:燃油消耗率随海拔高度的升高而增加,在4000122时,燃油消耗率最大增加了8.99.表3燃油消耗率相对标准地区上升比例转速/(r?rain)海拔高度/m2100190017oo15001400i300ooo0oo010001.131.3o一2.520.651.o91.522ooo3.894.931.260.041.1430004.974.731.704.344.8640008.996.664.311.752011年第

12、4期内燃机工程海拔越高,柴油机经济工作区域越窄,经济性能恶化.随着海拔高度的升高,最低燃油消耗率所对应的转速有向高速区移动的趋势;随着海拔高度的升高,大气压力下降,空气密度降低,柴油机进气量减少,导致可燃混合气过浓;同时,由于压缩终点时缸内压力和温度下降,后燃现象严重.燃烧过程的恶化是导致柴油机动力性和经济性大幅度下降的根本原因.由此可见,面对大范围的变海拔运行工况,传统的固定截面涡轮增压的匹配技术已难以满足性能要求,发动机只能在匹配点附近较窄的海拔高度范围内高效工作,不能适应宽广范围的海拔变化,因此迫切需要采用有效措施提高柴油机的变海拔适应性,使其在全海拔具有最佳的动力性和燃油经济性.2解决

13、措施选用变截面可调增压器与原机进行匹配,目的是通过涡轮喷嘴开度调节涡轮端进气来减少因海拔变化引起的进气量变化,从而改善发动机高原性能.发动机匹配可变截面涡轮增压器,通过改变涡轮的流通截面,能极大地拓宽增压器的高效流量范围,相当于发动机匹配了一系列的固定截面增压器.经过增压器与发动机匹配计算,选用了gt3782,j95v两种方案的可调增压器与原机进行试配,并建立了可变截面增压器的通流模型和可变截面增压柴油机仿真平台,进行了柴油机变海拔模拟试验,利用试验数据对仿真平台进行了验证.2.1可变截面增压方案1(匹配gt3782可调增压器)2.1.1涡轮端的主要结构参数gt3782可调增压器涡轮端的主要结

14、构参数如图2所示.涡壳可变截面涡轮叶片喷嘴环喷嘴环叶轮叶轮进叶轮叶叶轮通叶轮出叶轮耗叶片叶叶片数直径口叶高片数道宽度口外径毂直徭局/mm/mm/mm/mm/mm/mm12.8168012.811237224图2gt3782可调增压器涡轮端主要结构参数示意图2.1.2试验结果分析本文进行了不同海拔高度(04000m)时发动机(2100r/min,168kw)外特性试验.在gt3782变截面可调增压器与该柴油机匹配试验中,在0,1000,3000m海拔高度条件下的柴油机耗气特性线穿越压气机特性线的高效区(图3),增压器与柴油机应该能够实现良好匹配,3000m以上海拔高度条件下,耗气线穿向增压器高速

15、区,4000rn高度时增压器转速偏高,在1700r/min,153kw时增压器的转速已达到最高限速l17000r/min,涡前排温达851(已超750的要求),无法再进行高速试验.与原机试验数据进行对比(表4)后的结果表明:匹配gt3782可调增压器可以改善03000m海拔高度下柴油机的排温和油耗状况,尤其在柴油机低速状态下的效果明显,排温最大降幅达133.丑流量/(kg.s)图3不同海拔高度条件下柴油机与增压器匹配曲线2.1.3存在的问题在4000m海拔以上高速工况下,增压器超速的原因是选用的增压器压气机叶轮偏小,涡轮喷嘴环面积偏小,与柴油机不能进行合理匹配,无法满足多海拔变化要求下压气机宽

16、广流量范围和较高的转速裕度的要求.因此,采用该方案增压器只能改善部分海拔下的柴油机性能.2.2可变截面增压方案2(匹配j95v可调增压器)利用gtpower和conceptsnrec软件进行柴油机的通流匹配计算,得出选配的增压器的改进方案.2.2.1压气机主要结构参数压气机设计参数见表5.压气机叶轮子午流道如图4所示.2.2.2试验结果分析?3o?内燃机工程2011年第4期表4柴油机配不同的增压器在相同转速及功率点下对应的其他参数值对比海拔高度/m转速参数o10003000/(r?rain一)配hx50配gt3782配hx50配gt3782配hx5o配gt3782功率/kwl67.9l67.9

17、161.2161.2164.4164.42100油耗/(g?(kw.h).)208.1237.2821o241.44211250.8涡后排温/4084l0418439481526功率/kw167.1167.1163163l651651900油耗/(g?(kw?h)一)198.s217.4199.2239.2203.7230.9涡后排温/429404443412495475功率/kw159.8159.8161.4161.4l60.516o.51700油耗/(g?(kw.h)一)l95.3206.9l96.12l4199.22l8涡后排温/465447479461530482功率/kw150.6l

18、50.6140.914o.9151.3151.3l500油耗/(g?(kw?h)一)l93.5211.8200.3l99.1199.5】98.9涡后排温/495416509441559445功率/kw139.6l39.6l38138134.7134.71300油耗/(g?(kw?h)一)192.7211.3199.9192.3207201.5涡后排温/53542o57o464598465表5压气机设计主要参数项目参数叶轮出口直径/ram93出口叶片宽度/ram6.18叶轮轴向长度/ram30.95转子主叶片数6分流叶片数6无叶扩压段出口直径/ram154无叶扩压段出口宽度/ram4.75454

19、o35萋s.252o15-30252o一15-10505z/mm图4压气机子午流道图2.2.2.】高海拔对柴油机动力性能和燃油经济性的影响-o40001ti海拔高度下柴油机功率,扭矩外特性曲线如图5所示,与增压器匹配曲线如图6所示.关于匹配不同增压器柴油机功率相对标准地区下降比例和最大扭矩对比情况见表6和表7.丑l300l4001500160017001800190020002100n/(r?min-)图5o4000in海拔高度条件下柴油机功率,扭矩外特性曲线图流/(kg?s一)图60-4000m海拔高度条件下柴油机与增压器匹配曲线图冒.o/55443322l1o5o5o50505o5孙毖20

20、11年第4期内燃机工程?31?表6功率相对标准地区下降比例%海拔高度增压器转速/(r?min一1)/m型号2lo015oo13oohx5o4.033.923o0oj95v2.82.o1.9hx5o5.884.534oooj95v3.33.9表7最大扭矩点对比最大海拔选配的增最大扭矩点相对标准地区高度/m压器型号转速/(r?min-1)下降比例/hx50l5oo7.34000j95v13oo3.6在涡轮喷嘴开度调节的前提下,柴油机04000m海拔高度条件下的外特性线基本可以合理穿越j95v增压器压气机特性曲线图,实现良好匹配.并且随着海拔高度的升高,匹配j95v增压器的柴油机在动力性和燃油经济性方面均有明显改善,最大改善幅度为扭矩2.3,功率2.38,排温l0.3;4000m海拔条件下,在低速工况下也未发生喘振现象,最大扭矩点转速恢复到原机平原转速l300r/min,下降比例为3.6.2.2.2.2不同海拔高度条件下柴油机性能对比(针对168kw使用工况)针对不同海拔高度条件下,通过固定油门电压值控制油门(根据标准地区点油门外特性试验数据),测取各转速下相同耗油量时的柴油机各性能参数.表8为柴油机在400om高