不同海拔地區(qū)下增壓中冷柴油機(jī)的性能研究

1、2005164不同海拔地區(qū)下增壓中冷柴油機(jī)的性能研究3申立中 1, 楊永忠 2, 雷基林 1, 畢玉華 1, 顏文勝 1, 張 韋 1(11昆明理工大學(xué) , 昆明 650224; 21云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司 , 昆明 650224 摘要 采用微機(jī)化大氣模擬測(cè)控系統(tǒng)對(duì)增壓中冷柴油機(jī)運(yùn)行在不同海拔地區(qū)下的性能進(jìn)行了大量的專(zhuān)題 試驗(yàn)研究 , 分析比較了不同海拔下的增壓中冷柴油機(jī)負(fù)荷特性 、 速度特性 、 萬(wàn)有特性及排放特性的關(guān)系 。試驗(yàn)結(jié)果 表明 :隨著海拔高度的升高 , 大氣壓力減小 , , , 從而 使得增壓中冷柴油機(jī)的動(dòng)力性 、 經(jīng)濟(jì)性下降 , 關(guān)鍵詞 :柴油機(jī) , 增壓 , 中冷 , 性能 ,

2、 海拔A of Turbocharged and Intercooled DieselWorking in the Different Altitude RegionsShen Lizhong 1, Yang Yongzhong 2,Lei Jilin 1, Bi Yuhua 1, Yan Wensheng 1&Zhang Wei 11. Kunmi ng U niversity of Science and Technology , Kunmi ng 650224; 2. Kunmi ng Y unnei Power Co. L TD , Kunmi ng 650224 Abstra

3、ct Using a microcomputer 2controlled atmosphere simulation system , a large number of special experiments have been carried out to study the relationships among constant speed characteristics , speed charac 2teristics , mapping characteristics and emission performance of turbocharged intercooled die

4、sel engine in different altitude regions. The test result indicates that with the rising of the altitude , the atmospheric pressure reduces , which causes the reduction of intake air mass in cylinder and the fall of air temperature and pressure in cylinder at the end of induction stroke. As a result

5、 , the power performance and fuel economy of the turbocharged inter 2cooled diesel engine decline.K eyw ords :Dieselengine , Turbocharging , Intercooling , Performance , Altitude3國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (50166002 和教育部骨干教師項(xiàng)目資助 。 原稿收到日期為 2004年 9月 20日 , 修改稿收到日期為 2004年 12月 31日 。1 前言柴油機(jī)因其具有比汽油機(jī)更好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì) 性 , 以及優(yōu)越的排放性能

6、而受到了人們的青睞 。但 柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時(shí) , 由于大氣壓力低 , 空氣密 度小 , 進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量相應(yīng)減少 , 進(jìn)氣壓力降 低 , 其動(dòng)力性 、 經(jīng)濟(jì)性 、 可靠性和排放特性都會(huì)大幅 度下降 , 難以保證其正常運(yùn)行 。采用廢氣渦輪增壓 加中冷技術(shù)后 , 在一定程度上補(bǔ)償了柴油機(jī)進(jìn)氣壓 力的降低 , 減少了柴油機(jī)高原功率的損失 , 同時(shí)也使 經(jīng)濟(jì)性和排放特性得到一定程度的改善 。 而在平原 地區(qū)采用廢氣渦輪增壓加中冷技術(shù) , 可以強(qiáng)化功率 ,提高產(chǎn)品功率覆蓋范圍 , 降低油耗 , 改善排放 。因 此 , 越來(lái)越多的載重汽車(chē)甚至轎車(chē)把增壓中冷柴油 機(jī)作為其動(dòng)力 。增壓中冷柴油機(jī)工作在高

7、原和平原地區(qū) , 其動(dòng) 力性 、 經(jīng)濟(jì)性和排放特性等有所差異 。 到目前為止 , 運(yùn)行在不同海拔地區(qū)的增壓中冷柴油機(jī)性能與大氣 壓力的關(guān)系還不十分清楚 , 主要原因之一是缺乏能 用來(lái)研究柴油機(jī)運(yùn)行在不同海拔地區(qū)的試驗(yàn)研究裝 置 。 為此 , 采用自制的微機(jī)化內(nèi)燃機(jī)大氣模擬綜合 測(cè)控系統(tǒng) , 對(duì)增壓中冷柴油機(jī)運(yùn)行在不同海拔下的 動(dòng)力性 、 經(jīng)濟(jì)性 、 排放特性及等過(guò)量空氣系數(shù)下的動(dòng) 力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了專(zhuān)題試驗(yàn)研究 , 以探索增壓中 冷柴油機(jī)運(yùn)行在不同海拔地區(qū)的性能之間的差異 ,2005年 (第 27卷 第 6期 汽 車(chē) 工 程Automotive Engineering 2005(Vol. 27

8、 No. 6為運(yùn)行在不同海拔地區(qū)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供相 應(yīng)的理論依據(jù) 1,2。2 試驗(yàn)裝置大氣壓力 、 大氣溫度和大氣濕度等 3 個(gè)對(duì)柴油機(jī)性能具有影響的大氣環(huán)境因素中 , 大氣壓力因素 的影響隨海拔的變化最為迅速 , 大大影響著柴油機(jī) 的運(yùn)行性能 。 圖 1是內(nèi)燃機(jī)大氣模擬裝置框圖 , 它 主要由測(cè)功機(jī) 、 進(jìn)排氣模擬裝置 、 孔板流量計(jì) 、 控制 器及壓力 、 溫度傳感器等組成 3,4。圖 1 內(nèi)燃機(jī)大氣模擬綜合測(cè)控系統(tǒng)框圖 不同海拔地區(qū)的增壓中冷柴油機(jī)性能分析與研究就是在這個(gè)大氣模擬裝置系統(tǒng)中進(jìn)行的 。 試驗(yàn)研 究用機(jī)型的主要參數(shù)見(jiàn)表 1。試驗(yàn)用燃油為 0#柴 油 , 潤(rùn)滑油為 CD4

9、0#機(jī)油 。 在試驗(yàn)過(guò)程中為了獲得 相對(duì)一致的比較基準(zhǔn) , 選取大氣溫度范圍為 2025 , 大氣濕度范圍為 45%65%。3 試驗(yàn)結(jié)果及分析311 不同大氣壓力下增壓中冷柴油機(jī)性能分析負(fù)荷特性能夠反映柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性隨負(fù)荷的變化 情況 。 在負(fù)荷特性試驗(yàn)過(guò)程中 , 對(duì)增壓中冷柴油機(jī) 轉(zhuǎn)速以每隔 200r/min 在不同大氣壓力下測(cè)取了負(fù) 荷特性 , 并進(jìn)行了分析 。 與此同時(shí) , 還測(cè)取了增壓中 冷柴油機(jī)排放特性 、 充氣效率 、 過(guò)量空氣系數(shù) 、 中冷 前后壓力 、 中冷前后溫度及排氣溫度等參數(shù) 。大量 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明 , 盡管在不同轉(zhuǎn)速 、 不同大氣壓 力下增壓中冷柴油機(jī)負(fù)荷特性之間存在

10、差異 , 但它 們之間的變化規(guī)律基本一致 4?，F(xiàn)以該增壓中冷 柴油機(jī) 2200r/min 時(shí)的負(fù)荷特性加以分析 。表 1 試驗(yàn)研究用機(jī)型的主要參數(shù)型式 直列 4缸 4沖程 缸徑 ×行程 100mm ×105mm 排量31298L 氣缸套型式 濕式燃燒室型式 直噴 型燃燒室 進(jìn)氣方式 廢氣渦輪增壓加中冷 壓縮比 1715 1供油提前角 12°CA 噴油嘴<0129×5最低燃油消耗率 212g/(kW h 標(biāo)定功率 /轉(zhuǎn)速 81kW/3200r min -1最大轉(zhuǎn)矩 /轉(zhuǎn)速285N m/2200r min -12200r/min。從圖中可以看出 , 在

11、同一負(fù)荷 下增壓中冷柴油機(jī)的有效燃油消耗率和燃油消耗量 都隨著海拔的升高而升高 , 增加的比例取決于不同 大氣壓力下的負(fù)荷 。在同一功率點(diǎn) , 不同大氣壓力 下的過(guò)量空氣系數(shù)和排氣溫度也是不一樣的 , 增壓 中冷柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)隨海拔的升高而減小 , 排氣溫度隨海拔的升高而升高 。作者認(rèn)為 , 這種差 異是由于大氣壓力的不同導(dǎo)致了過(guò)量空氣系數(shù)的不 同 , 進(jìn)而導(dǎo)致了燃燒過(guò)程的差異所致 。隨著海拔的 升高 , 大氣壓力下降 , 空氣密度減小 , 導(dǎo)致進(jìn)入氣缸 內(nèi)的空氣量減小 , 吸入終了時(shí)氣缸內(nèi)壓力減小 。另 一方面 , 隨著大氣壓力的減小 , 增壓中冷柴油機(jī)的機(jī) 械效率 、 有效熱效率減小

12、 。這些綜合因素導(dǎo)致增壓 中冷柴油機(jī)有效熱效率減小 , 從而使增壓中冷柴油 機(jī)燃油消耗率隨著大氣壓力的減小而增加 。 -100kPa -90kPa -81kPa 。圖 2 增壓中冷柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線 在增壓中冷柴油機(jī)外特性的試驗(yàn)過(guò)程中 , 以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下確定的高壓油泵供油特性在不同大氣 壓力下進(jìn)行了外特性試驗(yàn) 。576 2005年 (第 27卷 第 6期 汽 車(chē) 工 程圖 3是 3種大氣壓力下的增壓中冷柴油機(jī)的外特性曲線圖 。 從圖可以看出 , 最大轉(zhuǎn)矩為 302N m , 標(biāo)定工況點(diǎn)轉(zhuǎn)矩 242N m , 轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)為 2418%。 在相同轉(zhuǎn)速下 , 增壓中冷柴油機(jī)的燃油消耗率和煙 度

13、排放特性都隨大氣壓力的降低而升高 , 且在低轉(zhuǎn) 速區(qū) , 差異較大 , 在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速區(qū) , 差異減小 。 其主要原因是在低轉(zhuǎn)速區(qū) , 柴油機(jī)廢氣能量不足 , 渦 輪增壓器工作能力迅速下降 , 增壓比隨海拔的升高 增加較小 。 -100kPa -90kPa -81kPa 。圖 3 3種大氣壓力下增壓中冷柴油機(jī)的外特性曲線 柴油機(jī)萬(wàn)有特性曲線能夠綜合評(píng)價(jià)柴油機(jī)的運(yùn)行性能指標(biāo) , 它也是調(diào)整柴油機(jī)性能和匹配相關(guān)動(dòng) 力機(jī)械的重要依據(jù) 。因此 , 文中在負(fù)荷特性試驗(yàn)研 究的基礎(chǔ)上繪制了 2種大氣壓力下的增壓中冷柴油 機(jī)萬(wàn)有特性曲線 , 如圖 4、 圖 5所示 。從圖中可以看 出 , 在高海拔地區(qū)

14、, 增壓中冷柴油機(jī)的最經(jīng)濟(jì)有效燃 油消耗區(qū)以及相適應(yīng)的經(jīng)濟(jì)功率區(qū)明顯向下偏移 , 等有效燃油消耗區(qū)明顯變窄 。 大氣壓力為 81kPa 時(shí) 的萬(wàn)有特性的封閉區(qū)域的經(jīng)濟(jì)燃油消耗率比大氣壓 力為 100kPa 時(shí)高 。 隨著海拔高度的不同 , 增壓器放 氣閥開(kāi)啟時(shí)間也不同 。大氣壓力為 100kPa 時(shí) , 在 1800r/min 以上 , 增壓器放氣閥打開(kāi) ; 而大氣壓力為 81kPa 時(shí) , 在 2200r/min 以上 , 增壓器放氣閥打開(kāi) 。從圖中還可以看出 , 增壓中冷柴油機(jī)的最經(jīng)濟(jì)有效燃油消耗區(qū)隨大氣壓力的升高 , 逐漸向低轉(zhuǎn)速偏移 。 在中小負(fù)荷轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) , 低的大氣壓力下達(dá)到的有

15、 效燃油消耗率的功率范圍減小 。因此 , 增壓中冷柴 油機(jī)運(yùn)行在高原地區(qū) , 與其相匹配的綜合性能指標(biāo) 有所下降 。圖 4 增壓中冷柴油機(jī) 81kPa 下的萬(wàn)有特性曲線圖 5 增壓中冷柴油機(jī) 100kPa 下的萬(wàn)有特性曲線312 等過(guò)量空氣系數(shù)下增壓中冷柴油機(jī)性能分析 圖 6是增壓中冷柴油機(jī)在兩個(gè)等過(guò)量空氣系數(shù) 時(shí)不同大氣壓力下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的比較 。 從圖 中可以看出 , 在每個(gè)等過(guò)量空氣系數(shù) 下 , 增壓中冷 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨大氣壓力的升高而增加 , 動(dòng)力性變 好 。 而 且 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 表 明 , 大 氣 壓 力 平 均 每 升 高 10kPa 動(dòng)力性增加約 30%。 在每個(gè)等過(guò)量空

16、氣系數(shù) 下 , 燃油消耗率隨大氣壓力的升高明顯降低 。其主 要原因是隨大氣壓力的升高 , 空氣密度增大 , 空氣中 含氧量增大 , 進(jìn)入氣缸的空氣量增加 , 壓縮終點(diǎn)時(shí)的 缸內(nèi)壓力和溫度升高 , 燃燒比較充分 , 從而動(dòng)力性 、 經(jīng)濟(jì)性較好 。 313 排放特性分析試驗(yàn)中采用 AVL 公司的 CEB E 型 NO x 、 CO 、 676 汽 車(chē) 工 程 2005年 (第 27卷 第 6 期HC 排放分析儀和 AVL 公司的 SPC472微粒采集分析裝置 , 依據(jù) 13工況 , 對(duì)增壓中冷柴油機(jī)在等功率 不同大氣壓力下進(jìn)行了排放測(cè)試和分析 。圖 6 兩個(gè)等過(guò)量空氣系數(shù)下增壓中冷柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)

17、濟(jì)性的比較圖 7 總排放量與大氣壓力的變化曲線 圖 7是增壓中冷柴油機(jī)的總排放量與大氣壓力的關(guān)系 。從圖中可以看出 , 增壓中冷柴油機(jī) CO 、 NO x 、 HC 、 PT 的排放量都是隨海拔的升高而增加 , 不同排放物增長(zhǎng)趨勢(shì)不同 。 雖然廢氣渦輪增壓中冷 柴油機(jī)在不同海拔地區(qū)運(yùn)行時(shí) , 其著火延遲期和燃燒過(guò)程差異不是很大 , 但與低海拔地區(qū)相比 , 高海拔 地區(qū)由于空氣密度和壓力減小 , 進(jìn)氣壓力降低 , 增壓 壓力下降 , 柴油機(jī)小時(shí)空氣流量率下降 , 進(jìn)氣量減 少 , 過(guò)量空氣系數(shù)減小 , 導(dǎo)致整個(gè)壓縮過(guò)程中缸內(nèi)壓 力下降 , 缸內(nèi)溫度降低 , 指示熱效率下降 , 燃油消耗 率增加

18、, 從而 CO 、 NO x 、 HC 、 PT 排放量增加 。這種 差異對(duì)不同排放物的影響也不同 。4 結(jié)論(1 。 而且不 負(fù)荷的變化存在著差異 , 在小負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)其差 異較小 ; 隨著負(fù)荷的增加 , 其差異增大 。(2 不同海拔地區(qū)下增壓中冷柴油機(jī)萬(wàn)有特性 曲線差異較大 。 低的大氣壓力下的增壓中冷柴油機(jī) 萬(wàn)有特性曲線的最經(jīng)濟(jì)燃油消耗區(qū)以及與此相應(yīng)的 有效功率區(qū)明顯向下偏移 , 等有效燃油消耗區(qū)明顯 變窄 , 所適應(yīng)的中小功率的經(jīng)濟(jì)有效燃油消耗區(qū)的 有效功率減小 。而且隨大氣壓力的升高 , 增壓中冷 柴油機(jī)的最經(jīng)濟(jì)有效燃油消耗區(qū)逐漸向低轉(zhuǎn)速偏 移 。(3 等過(guò)量空氣系數(shù)下 , 不同大氣壓力下增壓中 冷柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性存在著差異 , 隨大氣壓 力的升高增壓中冷柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變好 。(4 增壓中冷柴油機(jī)的 CO 、 NO x 、 HC 、 PT 的排 放隨海拔的升高而升高 , 而且不同排放物隨海拔高 度的變化趨勢(shì)不同 。參考文獻(xiàn)1 申立中 , 沈穎剛 , 畢玉華 等 1不同海拔地區(qū)下的自然吸氣柴油 機(jī)性能研究 1汽車(chē)技術(shù) ,2001 (22 申立中 , 沈穎剛 , 畢玉華 等 1不同海拔高度下自然吸氣和增壓 柴油機(jī)的燃燒過(guò)程 1內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào) ,2002(1 3 Shen Lizhong