柴油机采用二级增压性能的试验研究
张德元冀树德魏鹏程霍学敏张勃闫瑞琦
（中国北方发动机研究所（天津），天津，300400）
摘要：针对某直列6缸、增压、中冷柴油机，在标准试验条件下通过台架试验进行了一级增压和二级增压对柴油机性能影响研究，分析了二级增压对柴油机各性能指标影响。同时，在原机基础上进行了性能改善的研究。试验结果表明，二级增压提高了柴油机有效热效率，减小柴油机的燃油消耗率，减少了碳烟排放，进一步提高柴油机动力性能。通过适当调整供油提前角，在对其它性能指标影响较小的前提下，降低了减小了缸内最高燃烧压力。
关键词：柴油机，二级增压，性能，最高燃烧压力
中图分类号：TK421+.8
Improving Diesel Engine Performance with Two-stage
Turbocharging Method
Zhang Deyuan，Ji Shude, Wei Pengcheng, Huo Xueming, Zhang bo, Yan Ruiqi (China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin, 300400)
Abstract: For an inline 6-cylinder turbocharged and intercooling diesel engine, the performances of diesel engine with single-stage and two-stage turbocharger were analyzed and researched by the bench test under the standard conditions. The influence of two-stage turbocharging on each parameter was analyzed. In addition, the performance improvement was researched based on the original engine. The results show that two-stage turbocharging can improve the effective thermal efficiency and can reduce the fuel consumption and the soot emission. Changing fuel supply advance angle decreases the peak of in-cylinder maximum combustion pressure, but has little influence on other performance parameters. Keywords: diesel engine, two-stage turbocharging, performance ,maximum combustion pressure
为了应对急迫的能源危机和日益恶化的大气环境，柴油机各研究机构和制造厂商进行了大量性能改善的技术研究，作为研究的成果，高增压、高压共轨、快速混合燃烧、电子管理等技术的应用大大提高了柴油机动力性、经济性，减少了尾气排放。目前国外先进民用柴油机升功率达到60kW/L，燃油消耗率降到190g/kW?h，排放已经满足欧Ⅴ水平[1]
随着设计水平和应用市场需求的提高，传统的增压方式已不能适应形势1的需要，也不能满足未来柴油机更高的要求。近年来国外柴油机二级增压技术已经商业化，有的采用直接串联方案，有的采用串联可调方案。二者各有特点，其宗旨是进一步提高柴油机的升功率，降低比油耗；进一步提高低速大扭矩，增大柴油机的扭矩适应性系数；进一步改善柴油车的
作者简介：张德元（1965-），男，高级工程师，从事发动机试验测试技术.
通讯作者：冀树德（1979-），男，副研究员，shudianer@https://www.doczj.com/doc/468761978.html,.加速性；进一步降低柴油机的排放和噪声[2-3,6]。
本研究主要以某增压柴油机为对象，在标准试验台上对原机性能验证，将原机增压系统用二级增压简单串联系统代替，验证分析该型柴油机动力性、经济性、烟度等性能。
1柴油机及试验装置
本研究所用柴油机为一台直列6缸、四冲程、增压中冷柴油机，其主要参数见表1。供油方式采用PT供油系统，增压器采用两种增压方式：Holset一级废气涡轮增压器与Holset 二级废气涡轮增压器，二级增压方式的结构原理见图1。
表1 柴油机主要参数
5
排气口进气口
1.高压级涡轮
2.低压级涡轮
3.进气
4.排气
5.中冷
器 6.高压级压气机 7.低压级压气机
图1 二级增压结构示意图
柴油机进气采用进气空调控制在标准环境条件（即 p 0=100kPa ，T 0=25℃,Φ0=50%RH ），冷却水和机油参数根据设计指标由智能化的油水温度控制系统进行控制。试验系统见图2，试验所用测试设备及仪器见表2。
图2 增压性能试验系统
表2 试验所用仪器
2
二级增压的设计
二级增压压气机在外特性工况的运行曲线见图3。由图知，低压级压气机运行在30000～60000r/min 的转速范围内，高压级压气机运行在30000～50000r/min ，避开了压气机的喘振区和阻塞区，高、低级压气机在外特性工况的运行效率基本在76%以上。此外，低压级压比与高压级压比随转速增加呈渐开趋势，二级增压的总压比高于单级增压压比（见图4）。
图3 高、低压级压气机外特性运行线
图4 二级增压压比与单级增压比比较 3 试验方案设计
1）在相同的试验环境条件下，保证柴油机的结构配置基本不变，将柴油机的油门调到最大时，对一级增压系统的柴油机进行试验，之后用二级增压系统代替一级增压系统再进行相同运行工况的对比试验（见图5）。
2）在柴油机达到标定工况时
（n=2100r/min ，T tq =2715±10 N.m ）调整并固定柴油机的油门，进行柴油机外特性试验。
3）调整供油提前角，进行柴油机外特性
4
试验结果和性能对比分析
4.1 相同运行工况下柴油机性能的比较 4.1.1 二级增压对柴油机经济性和碳烟排放的改善
图6表示更换二级增压器后，柴油机进气压力和进气量的整体变化趋势基本一致，较原机一级增压有不同程度的增大。与原机相比，进气压力绝对差在2100r/min 的运行工况达到
在1300r/min ～1800r/min 之间，进气量的绝
对差基本相同，在1800r/min 之后逐渐增大，同样到2100r/min 达到最大，柴油机的过量空气系数更加线性。整体运行范围内，进气压力增加5%～10%，进气量增加4%～12%。运行工况相同，燃油消耗率和碳烟排放较原机整体减小，绝对差的变化趋势与进气压力绝对差的变化趋势基本相同，燃油消耗率整体降低2.4%～5.7%，碳烟排放整体降低25.5%～27.6%。进一步分析可知，原机在1300r/min ～1800r/min 之间与增压器匹配更好一些，效率更高一点，到1800r/min 之后增压器效率下降。作为衡量柴油机经济性能的重要指标—e b （有效燃油消耗率），由于进气压力和进气量的增大使空气和燃料的混合更加均匀，柴油机在缓燃期内即活塞下行时燃料与氧气完全渗透燃烧很快完成，燃烧更彻底，同时燃料因充足氧气燃烧裂
解成碳烟的几率下降[4-5]
。总之，充足的空气使燃料在上止点附近燃烧，柴油机指示热效率it η进一步提高。柴油机的机械效率m η也随增压度的提高而有所提高。e b 与it η和m η成反比，it η和m η增大，e b 则降低。达到相同的功
4.1.2 二级增压对柴油机热负荷的改善
图7表明原机一级增压柴油机设计的最大功率点各支管排气温度较高，说明柴油机受进气压力和空气流量的制约，柴油机各缸燃烧较差。在设计的最大功率点，柴油机二级增压将进气压力提高9.7%，进气流量提高9.2%，过量空气系数由原机的1.88提高到2.18见图8。相比原机一级增压，使用二级增压器后全部歧管排气温度和涡轮后的排温都降低，对于原机，第1歧管和第6歧管的排气温度相对较高，歧管间的最大温差为35℃，使用二级增压后，第1歧管和第6歧管的排气温度仍相对较高，但歧管间的温差缩小到25℃。歧管的平均排气温度由原机的656.6℃下降为562.1℃，降幅为14.1%；柴油机涡轮后排气温度由506℃降到417.7℃，降幅为17.5%。在全转速范转内，涡轮后排气温度随转速增加而降低，在1800r/min 以后原机基本保持恒定，而使用二级增压后基本呈线性降低，与原机相比，二级增压涡轮后总管的排气温度降低8.7%～17.6%见图9。二级增压使柴油机进气压力、进气量和过量空气系数提高，缩短了燃烧时间，减少燃料后燃，燃料燃烧比较彻底，减小了缸内燃
图8 柴油机过量空气系数比较
相比原机一级增压，二级增压应用前后最高燃烧压力的变化趋势未发生变化，在全转速范围内二级增压应用后，随着进气压力的提高，燃烧速度减缓，压力升高率有所降低，最高燃烧压力也稍有下降，其降幅最大为1.6%，见图10。无论哪种情况，都有一半左右运行工况点的最高燃烧压力超出了柴油机16.0MPa 的设计指标。此外，考虑最高燃烧压力设计指标，2000r/min 和2100r/min 运行工况的最高燃烧压力还有较大的提升空间。由于试验设计没有采用外特性试验规范，是柴油机能力摸底试验，柴油机小时油耗量曲线线性差（见图11），
在2000r/min和2100r/min还可提高，使之符合柴油机的供油特性，柴油机还可进一步提高功率。
4.2 原机性能的改善研究
4.2.1 原机一级增压动力性能的提高
根据转速、扭矩设定的相同运行工况对比试验（见图12），柴油机在1900r/min～2100 r/min区间功率减小，到标定转速所达到的功率563kW，小于全转速范围内的最大功率（565kW）。此外，柴油机功率从1900r/min 到2000r/min的过渡不平滑，变化较大，由于受空气压力和流量的限制，柴油机热负荷较高。柴油机采用二级增压后，随着进气压力和流量的进一步提高，柴油机动力性也进一步提高，其它性能指标得到优化。设计柴油机的标定工况Pe=597kW（n=2100r/min，T tq=2715±10 N.m）此时固定柴油机油门进行外特性试验，采用二级增压，在1300r/min～1900r/min转速范围内，消耗更少的燃油见图13，柴油机达到了设计的动力指标。在2000r/min和2100r/min，保持原有供油量不变，柴油机动力指标提高，并延续了1300r/min～1900r/min的动力曲线，实现二者间的平稳过渡（见图12）。按照平均有效压力
me
p与其他参数的关系可知，平均有效压力与充量系数、有效热效率、燃料低热值、进气压力成正比关系，与过量空气系数、柴油的理论空燃比、进气温度成反比关系[5-6]。柴油机采用二级增压后，标定工况下较原机有效热效率提高5.7%；进气压力提高14.7%；中冷后进气温度提高1%；过量空气系数提高15.9%；其他参数不发变化，实际平均有效压
4.2.2 原机最高燃烧压力的改善研究
二级增压整机标定功率的提高使得最高燃烧压力在整个转速范围内过渡更加平滑，未解决最高燃烧压力过高的问题，由于功率提高反而增加了更多过高燃烧压力的工况点，但外特性大部分都超出了柴油机16.0MPa的设计指标。为了满足整机设计性能指标，获得较好动力性和经济性，同时改善最高燃烧压力峰值。为此，适当减小柴油机的喷油提前角2o CA，其结果见图15，整个转速范围内的最高燃烧压力平均降低0.5MPa左右。减小喷油提前角根本是缩短燃烧的滞燃期，使缸内最高燃烧压力和温度下降，对其他性能指标的影响较小[7]，排气温度变化很小见图16，燃油消耗率在1300r/min～1600 r/min区间发生了减少，在1600r/min～2100 r/min区间增加，增加发生在标定工况点，增长幅度为1.2%见图17，柴
190196202208214220
2100
1900170015001300
转速(r/min)
比油耗(g /k W ·
5 结论
a) 利用二级增压后，柴油机进气压力和进气流量显著提高，燃油消耗率和碳烟降低，燃油经济性和碳烟排放得到改善。
b) 利用二级增压后，柴油机进气压力增加了燃油与空气的结合的几率，燃烧更加完善，柴油机热损失减小，热利用率提高。
c) 二级增压应用进一步提高了柴油机功率。
d) 供油角度的改变改善了缸内最高燃烧压力的峰值，同时未引起柴油机其它性能指标大幅度变化。
参考文献
[1] 李建设.高速大功率柴油机技术发展与创新 [会议论文].第十六届全国大功率柴油机学术年会会议论文,2009. [2] 魏名山，季凯.车用柴油机的二级增压［J ］.汽车技术，2005（1）25-28.
Wei M S, Ji K, Ma C C. Two-Phase Supercharging of Automotive Diesel
Engine[J]. Automobile Technology, 2005,（1）:25-28.
[3] 郑尊清，赵令猛.两级涡轮增压对轻型柴油机性能影响的试验研究［J ］.小型内燃机与摩托车，2011,（6）:17-22.
Zheng Z Q, Zhao L M. Experimental Investigation for the Impact of Two-stage Turbocharging system on Light-duty Diesel 2011,（6）:17-22.
周龙保.内燃机学［Ｍ］.北京：机械工业2006.
魏相宜，内燃机燃烧学.［Ｍ］.大连：大1992.
王银燕，何清林，王贺春，等.柴油机采4台增压器相继增压性能的试验研究[J].内2012，33（1）：6-10
Y Y, He Q L, Wang H C, et al. Sequential Diesel Engine[J]. Chinese ，33（1）：6-10
[7] 邹强，李旭聪.喷油提前角对非道路移动机械用柴油机性能的影响［J ］. 柴油机，2012,（3）:14-17.
Zhou Q, Li X C. Effect of Fuel Injection Timing on the Performance of Diesel Engines Used by Off-Road Mobile Machinery[J]. Diesel Engine, 2012,（3）:14-17.
作者信息： 张德元
出生年月：1965年08月 籍贯：山西原平 职称：高级工程师
研究方向：发动机试验测试技术 联系方式：
天津市北辰区永进道96号 300400 电话：022-********/136********
通讯作者： 冀树德
副研究员邮箱：shudianer@https://www.doczj.com/doc/468761978.html,
文章修改说明：
以下为专家意见
1）二级增压系统增压器的匹配需补充，这是与一级增压对比的前提。
已补充，见第2部分。
2）油耗和平均有效压力公式去掉。
已修改，见4.1.1第1段和4.2.1第1段。
3）燃烧分析因没有试验数据去掉。如“滞燃期缩短，缓燃期燃烧速度，……”等。
已做调整，见4.1.3开头部分。
4）原机一级增压大于1900r/min时平均有效压力急降原因是什么，需说明。
未调整，进行说明。
原机是一级增压，柴油机受进气流量的限制，柴油机在标定点附近燃烧较差，涡前温度接近700℃，所以原机试验在接近标定工况时，采取减油控制涡前温度的试验，由于我的疏忽，没有交代清楚，给贵刊编辑审稿带来疑虑，感谢编辑老师的指出。
5）线条颜色需统一。如一级增压采用一种线型。
颜色不统一主要在后面几幅图，已做调整，见图12-图17。
6）图12与图13不能互相解释，平均有效压力与最高燃烧压力是成正比的，相互有矛盾。
未调整，进行说明。
平均有效压力与最高燃烧压力成正比在同一转速下体现更明显，其原因是同一转速的最高燃烧压力配置是相同的，这种关系受影响较小；对于不同转速，这种关系由于受一些因素影响，只能满足大体成正比关系。如：机械式喷油泵柴油机的喷油提前角不能随转速变化而变化，而实际上柴油机各转速最佳工作的喷油提前角又有差别，以至各转速下达到最佳燃烧情况不一样，最终二者只能大致成正比关系。因此，不存在图14（原图12）与图15（原图13）不能互相解释的问题。
以下为编辑部的意见
7）作者最高限于六位，请调整
已调整，见标题部分，已标蓝。
8）补充中图分类号，内容为TK4**，具体可参考https://www.doczj.com/doc/468761978.html,的作者中心中图类分类号内容。已补充，见中文摘要部分。
9）图3中横坐标的数值与刻度线未对齐，请核查确认。
已修改，见图5（原图3）
10）图4－图15补充上边和右边框线，同时取消没有数据的刻度线。
已做修改，见图6-图17（原图4－图15）。
11）图14中横坐标下的比油耗可删除。
已删除，见图14。
12）补充参考文献[7－8]在文章中引用的位置，并按出现先后顺序排列。
第7参考文献与第6参考文献已互换，见文中第2段和图13前面一段标注。
13）由于评比要求，请在参考文献部分补充一篇《内燃机工程》的相关论文。
已填加，见参考文献部分。
14）参考文献[2－3，6]要求为中、英文；参考原出版资料，如有英文的则要求摘录，反之不用。此外，作者栏中如超过3位以上作者，需写出3位后再等。
已修改，见参考文献部分。
15）请再次核对确认各公式的排列内容、各表及各图中的数值及其单位。
公式已按专家意见删除，图中的单位已做修改，具体修改：°C改为℃，g/kW.h改为g/kW·h，N.m改为N·m