张慧龑，汤旭阳，石 磊，邓康耀

（1. 上海交通大学，动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240；2. 中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

柴油机变海拔运行时，具备一定的海拔自调节能力。同时，通过增压系统的变海拔调节，能够进一步提高增压系统的海拔适应性，不同结构和调节方式的增压系统海拔适应和调节能力存在差异。对此，国内外学者针对典型的增压系统开展了增压系统海拔适应及其调节能力研究。

变海拔运行时，电动式废气放气阀方案被应用在废气放气式增压器。昆明理工大学的申立中等的试验结果显示，废气放气式增压柴油机能在2000 m 以下海拔实现功率不降，但高负荷工况的燃油消耗率明显增加。中国北方发动机研究所李书奇等扩大废气放气式增压器在高原运行的超速裕度，提高了柴油机的海拔适应能力，试验结果表明4000 m 海拔运行时，转矩仍有较大幅度下降，转矩储备系数降幅达到12.4%。商海昆等对于匹配了废气放气式增压器的电控高压共轨柴油机调整供油策略，能够一定程度上增加柴油机的海拔适应能力。

通过可变截面式涡轮增压器（VGT）流通面积的调节，实现了增压系统进气压比和流量的调节。与废气放气式增压器相比，是一种高效的调节方式。中国北方发动机研究所靳嵘等通过变海拔试验得知，采用VGT 增压器的柴油机在4000 m 海拔运行时，最大转矩点转速维持不变，且转矩降幅小于5%。上海交通大学通过VGT 变海拔控制，能够实现增压压力和转矩在3000 m海拔以下完全恢复，4500 m 海拔的转矩比废气放气式增压柴油机有所提升，且获得了较高的进排气压差。王俊等的研究表明，在1920 m 海拔以下，通过VGT 的调节，能够实现柴油机功率完全恢复至平原水平，最大油耗率上升比例低于3%。北京交通大学的高荣刚等通过VGT 的调节使柴油机在4000 m 海拔运行时，功率下降幅度低于4%，但此时增压器转速已达最大转速限值。中南大学和湖南天雁公司通过高原试验，总结出增压柴油机海拔运行能力受制于增压器喘振与超速以及柴油机排气超温。杨名洋等进一步归纳出单级增压柴油机变海拔运行的限制边界。研究表明，单级增压器无法实现3800 m以上海拔进气量的完全恢复。

两级增压系统具备进气量完全恢复至平原值的供气能力。北京理工大学刘系暠的研究结果表明，两级增压柴油机在海拔5500 m时最大转矩和标定点功率相对单级增压柴油机分别提高15.5%和27.2%，两级增压器的压气机运行点位于高效率区且不会超速。中国北方发动机研究所和上海交通大学针对不同的重载柴油机分别进行的变海拔性能试验研究发现，不可调两级增压柴油机的海拔适应能力强于单级增压柴油机，但增压系统效率较低引起的泵气负功较大，柴油机经济性也较差。

研究表明，以平原额定工况点作为匹配点并采用低压级涡轮旁通调节方式的两级增压系统，海拔2000 m 以下柴油机功率恢复到平原水平，海拔5500 m 时功率恢复至平原的80%，2000-5500 m 区间随海拔高度升高功率近似线性递减。以最高海拔最大转矩工况为匹配点并采用高压级涡轮旁通调节方式的两级增压系统，实现了柴油机在3000 m以下运行功率不变，4500 m 运行功率下降小于15%的目标。国内其他研究单位以不同的柴油机为研究对象，匹配了可调两级增压系统，得到类似的海拔适应性结果。军事交通学院均采用高压级和低压级VGT 的两级增压系统进行变海拔调节，在5500 m 海拔运行时，功率恢复至平原时的95%以上，并且降低了1200 r/min 以下低速工况燃油消耗率。研究表明，采用三级甚至多级增压系统，能使发动机满足更高海拔的运行需求。

尽管现有的文献针对不同形式的增压系统分别进行了增压柴油机的海拔适应及其调节能力的研究，但是，这类研究大多针对某一固定型号的柴油机或增压系统开展仿真或试验研究，研究结果并不具备通用性。而且现有的研究没有针对增压系统的海拔适应或调节能力提出相应的分析和评估方法，只能依赖于大量的试验测试。故须开展增压系统的海拔适应和调节能力研究，建立增压柴油机的海拔适应性和海拔调节能力的分析方法，以满足工程应用需求。

本文中采用热力学推导的方法，建立了增压系统的海拔自适应能力与海拔调节能力分析模型，分析了增压柴油机海拔适应能力的影响因素；提出了典型的增压系统的海拔适应和调节能力分析方法，并在柴油机变海拔性能试验台架上开展试验研究，验证了该分析方法的准确性。

1 柴油机变海拔性能测试试验台架

本文中选用了上海柴油机股份有限公司生产的SC7H245Q5型柴油机，并匹配了两级增压系统，如图1所示。海拔环境采用进排气模拟的方式实现，低压级压气机入口和高压级涡轮出口与环境模拟系统相连。高原环境模拟系统的主要设备和技术指标见表1。

表1 环境模拟设备主要技术指标

图1 增压柴油机性能测试试验台

2 增压柴油机的海拔自适应与调节能力

2.1 增压系统海拔自适应能力模型

海拔自适应能力是指不经过增压系统的主动调节，只由柴油机的自补偿作用实现一定的海拔适应能力，此时柴油机的输出功率与平原相同。对于增压柴油机，海拔自调节能力包括燃烧自适应调节能力和增压系统自适应能力两部分。在柴油机变海拔运行时，燃烧自适应能力是通过降低燃烧过程的进气量和增加燃油消耗率，实现柴油机的功率不变。

海拔高度与环境压力的对应关系为

式中：为海拔高度与环境压力变化的比例系数；和分别为高原和平原的环境压力。

自然吸气柴油机的进气压力与环境压力相同，燃烧过程的海拔自适应能力与过量空气系数下降裕度Δ的关系为

过量空气系数的裕度决定了自然吸气柴油机的海拔自适应能力。同时，环境温度变化范围较小，对燃烧调节能力的影响较小。1400 r/min 转速40%低负荷（384 N·m）和外特性（965 N·m）工况的燃烧过程海拔调节能力如图2 所示。由于平原运行时低负荷工况过量空气系数较大，燃烧过程自调节裕度也相对较大。因此，部分负荷工况具备实现较高海拔的自调节能力。

图2 柴油机燃烧裕度与海拔自调节能力的关系

根据文献［26］中的研究成果，适用于高原运行大膨胀比的涡轮流通特性可以表示为

式中：为增压系统的等效面积；为排气比热容比；为涡轮入口温度；为涡轮总膨胀比。

增压系统稳定运行时，压气机总耗功与涡轮总膨胀功平衡，故涡轮的压比可表示为

式中：和分别为空气和废气的定压比热容；为增压系统效率；为空气比热容比；为压气机的总压比。

将式（3）～式（5）联立，获得增压系统变海拔运行的压比需求：

考虑到增压柴油机大多带有进气中冷器，且中冷能力能够满足柴油机的运行需求，因此，k可以视为常数。根据式（1），增压柴油机海拔自调节能力可以表示为

式中为高原运行柴油机的进气压力。可以看出，增压柴油机的海拔自调节能力主要与环境参数、过量空气系数及其裕度、增压系统等效涡轮面积与系统效率和柴油机工况有关。

根据式（7），考查不同负荷下柴油机海拔自调节能力的影响。1400 r/min 转速40%负荷和外特性工况，其自调节海拔高度如图3（a）所示。与图2 的结果相比，固定截面增压柴油机的海拔自调节高度超过了自然吸气柴油机，说明增压柴油机具有更强的海拔自调节能力。进一步探究增压系统参数对固定截面柴油机海拔自调节能力的影响。在分析中，避免了高海拔运行时增压系统运行边界的限制，如增压器最高转速等。由图3（a）可以看出，增压系统等效面积越小，柴油机的海拔自调节能力越强。增压系统等效面积=7.8 cm时，不同增压系统效率下自调节海拔高度，如图3（b）所示。在相同过量空气系数裕度时，增压系统效率越高，柴油机的海拔自调节能力越强。通过以上分析，增压系统的等效面积与效率均对增压柴油机的海拔自调节能力产生影响，为了实现高海拔自调节能力，增压系统需采用较小的等效面积且维持较高的系统效率。

图3 柴油机负荷、增压系统参数对柴油机海拔自调节能力的影响

下面探讨不同转速下增压柴油机的海拔自调节能力，此时增压系统的等效面积维持不变，其结果如图4 所示。可以看出，柴油机转速越高，相同过量空气系数裕度下海拔自调节能力越强。1000 r/min 转速工况的海拔自调节高度为1250 m，2300 r/min 转速工况的海拔自调节高度为3230 m。若柴油机的海拔自调节能力不满足海拔适应高度需求，需对增压系统进行调节，即减小增压系统等效面积或增大系统效率。

图4 柴油机转速对海拔自调节能力的影响

2.2 增压系统的海拔调节能力

通过增压系统的调节能够实现更大的海拔适应和调节能力。对于可调增压柴油机，增压系统等效调节引起的柴油机海拔调节能力变化可以用下式表示：

式中上角标“′”表示增压系统调节后的参数。

以1400 r/min、100%负荷工况为例分析，单级旁通调节、两级高压级旁通调节和低压级旁通调节增压系统的海拔调节能力，如图5（a）所示。可以看出，在相同过量空气系数裕度下，单级增压系统的海拔调节能力最强，两级增压系统低压级调节方式的海拔调节能力最弱。同时，由图5（b）不同调节方式在海拔调节时的过量空气系数变化可知，单级增压柴油机的供气能力不足，增压系统调节仍不能改变过量空气系数随着运行海拔的升高而快速降低的趋势，其海拔调节能力通过降低过量空气系数实现。高原匹配的两级增压系统低压级调节方式的供气调节能力不足，在海拔降低后过量空气系数快速升高，甚至导致平原运行时最大爆发压力超限。只有高原匹配的两级增压系统高压级调节方式能够在实现4500 m 海拔大跨度调节的同时维持平原的过量空气系数。

图5 不同增压系统调节方式的海拔高度调节能力

增压系统调节过程中，等效面积的改变伴随着系统效率的变化，其结果如图6 所示。海拔调节高度需求低于2000 m时，若可以接受的增压系统效率下降裕度较大，则可以选用两级增压系统高压级调节、两级增压系统低压级调节和单级增压系统调节3 种调节方式；海拔调节高度需求达到4500 m 时，即使增压系统效率调节裕度继续增大，两级增压系统低压级调节方式仍无法满足大海拔跨度的调节需求。若过量空气系数和增压系统效率下降裕度较小，则只能选择两级增压系统高压级调节方式。

图6 不同增压系统调节方式的海拔调节范围

3 试验验证

首先，通过台架试验，获得了增压柴油机典型工况在0、2000、3000 和4500 m 海拔运行时不同高压级旁通阀开度下的过量空气系数和200 N·m 与外特性工况下的试验结果，见表2和表3。通过式（7），可以计算出不同工况柴油机的海拔自适应能力，计算结果与试验结果的比较如图7 和图8 所示。相同等效面积时，低负荷工况的海拔自适应能力更强，能够实现更高海拔的运行高度。由变海拔台架试验结果与预测结果的对比可知，固定增压系统的海拔自调节能力分析方法所得到的预测值可以用来分析或评估不同等效面积的增压系统的海拔自适应高度。

图7 200 N·m低负荷工况增压系统等效面积海拔自调节能力计算值与试验结果对比

图8 外特性工况增压系统等效面积海拔自调节能力计算值与试验结果对比

表2 200 N·m工况变海拔过量空气系数

表3 外特性工况变海拔过量空气系数

对于高压级旁通调节，基于平原运行时两级增压柴油机的性能试验数据，可以通过式（8）获得增压系统的等效面积海拔调节能力，对比预测结果与试验结果，其误差值如图9 所示。可以看出，在2000、3000 和4500 m 3 个典型海拔运行时，不同的增压系统等效面积调节量对应的海拔调节能力与试验结果基本吻合。在不同海拔运行范围内，海拔预测误差均小于5%的相对误差值。这表示增压系统等效的海拔调节高度的计算结果具有较高的精度，可以作为增压系统变海拔调节范围的评判依据。

图9 不同工况增压系统等效面积的海拔调节能力预测值与试验结果对比

通过上述试验结果与模型计算结果的对比可知，其固定等效面积的海拔自调节能力和等效面积变化量的海拔调节能力分析结果均与变海拔台架试验结果一致，且误差值小于5%，能够满足工程应用需求。因此，固定等效面积的海拔自调节能力与增压系统的海拔调节能力分析方法具有足够的精度，可以用以分析和预测不同柴油机和增压系统的海拔自适应与调节能力。

4 结论

本文中采用热力学建模的方法，研究了增压系统的海拔高度自适应与调节能力，并在变海拔柴油机性能测试试验台上开展了相关的试验研究。本文的主要结论如下。

（1）推导了增压柴油机海拔自适应能力分析模型。低负荷工况的燃烧自适应能力较强，而高转速工况的增压系统自适应能力较强。对于增压柴油机，为了实现更高海拔自调节能力，增压系统需采用较小的等效面积且维持较高的系统效率。

（2）建立了增压系统的海拔调节能力分析模型。相同调节量下，单级增压旁通调节方式以过量空气系数降幅最大为代价获得了较强的海拔调节能力，两级增压系统低压级调节方式的海拔调节能力最弱。两级增压系统高压级调节方式能够实现4500 m 海拔范围内过量空气系数不降，且效率降幅最小。为了实现海拔高度的大跨度高效调节，须采用两级增压系统高压级调节方式。

（3）完成了变海拔增压系统海拔自适应与调节能力试验验证。试验结果显示，在不同转速的低负荷和外特性工况，海拔自适应能力计算结果与试验结果吻合；在不同海拔运行范围内，海拔调节能力计算结果误差均小于5%。本文中推导的模型具备足够的精度，可以评价不同等效面积增压系统的海拔自调节能力以及计算增压系统的海拔调节能力。