增压技术对非道路柴油机影响探析

摘要：

在非道路移动机械中，柴油机凭借其低油耗、高转矩低油耗等性能优势，在市场占有主导地位。柴油机在使用增加技术后，高负荷区的经济运行范围进一步扩大，机械效率也得到了明显提高。增压技术在非道路柴油机上的运用，必须综合考虑各方面的影响来选择折衷的方案。

关键词：

增压；柴油机；油耗；排放

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）11019001

1涡轮增压器种类

涡轮增压器按增压方式分为废气涡轮增压器、组合式涡轮增压器、复合式废气涡轮增压器三种，它们的工作原理简介如下：

（1）废气涡轮增压器是通过将发动机排放的仍具有一定能量的气体循环进入到涡轮进一步膨胀做功，涡轮机同轴旋转的压气机工作叶轮的驱动是废气涡轮的作用工作，然后，将新鲜空气通过压气机压缩进一步送入气缸中，通常情况下，压气机和废气涡轮组合为一体。废气涡轮增压器最大的特点是工作稳定，结构简单。在一般的柴油机械中，如果科学合理的加装废气涡轮增压后，可以降低油耗约5%，提高输出功率30%。对发动机整体的经济性能、动力性能、排放性能等都有较好的改善，因此，得到了较好的推广应用。

（2）组合式涡轮增压器是由进气惯性增压和废气涡轮增压经过科学组合而构成的。在本增压系统中，不仅具有前述废气涡轮增压系统，还有共振室、共振管、稳压箱组成的进气惯性增压系统。通过对压力峰值的利用，对增压后的进气压力进一步提高。此增压系统对柴油机低速转矩的改善很有利，也可以提高机械的加速性能。

（3）复合式废气涡轮增压器是将废气涡轮增压器与废气动力涡轮通过串联进行增压作业。一方面废气能量在驱动废气涡轮增压器以外，还将多余的废气驱动低压废气动力涡轮，动力涡轮与发动机输出轴通过液力耦合器、齿轮变速器进行联接，从而达到增压增效。废气动力涡轮则直接作用于曲轴，废气能量转化为功率。复合式废气涡轮增压器一般适用于要求高增压度的柴油机上面，达到经济性能、动力性能大幅提高的目的。

2涡轮增压系统与柴油机的匹配

在柴油机中，当采取涡轮增压技术时，如何使增压系统和发动机之间能够在复杂的工况条件下仍能配合良好的安全运行，需要科学合理地选取正确的运行参数，这也是一个复杂的过程。在涡轮增压技术中，发动机和增压器之间只通过发动机的排气和进气系统将两者联系，也就是说二者只存在气动关系。当发动机因工况的变化，排气能量出现波动，直接影响到增压器的进气，然后因相对的气动关系，又影响到发动机排气流量、温度以及发动机的整体性能。可以说增压系统和发动机系统在工作过程中，需要根据不同的工况，不断协调平衡。针对此情况，涡轮增压系统与柴油机的匹配需要满足以下条件：

（1）发动机运行应尽可能位于压气机的高效率圈和压气机高效率区域，且无堵塞或喘振。

（2）发动机负荷特性中，排气背压与增压压力的交点，应越低越好，总之应处于低荷区域。

（3）压气机应工作于高效率区域，并具有较为宽广的流量范围，达到预设的压比。

（4）为保证达到压气机所需要的功率，涡轮应具有较好的流通能力，在柴油机运行中保持较高的效率。

（5）增压系统应根据匹配设计要求，达到相应空气流量、增压压力、燃油消耗率、功率等技术参数。在低负荷区域工作时，油耗应处于良好。

（6）为保证增压器与柴油机在复杂工况条件安全稳定的运行，增压器不允许出现排气温度过高、燃烧压力过高、超速等现象。

3增压技术对柴油机的主要影响

3.1喷油压力

为了保证较短的喷油持续期和较高的喷油率，在对柴油机增压后，喷油的压力也必须相应提高，从而达到降低燃油消耗的目的。提高喷油压力，还可以使炭烟排放量降低，达到低碳环保提高燃油效率之目的。在实验中，我们将其他参数不变，仅在实验柴油机上将喷油压力分别提升到200bar、220bar、235bar、250bar。在标定转速时，随着喷油压力的提升，我们发现整机的比油耗在较小的一个范围变化。在标定转矩转速时，随着喷油压力的增加，柴油机油耗波动幅度较大，呈先增后减的变化。无论是在标定转矩转速还是标定转速，油耗最低时，喷油压力均为200bar。

经分析，当喷油压力增加，但油耗没有明显降低的主要原因为：在提高喷油压力的过程中，一般采用提高柱塞运动速率和增大喷油柱塞直径来实现。这样，就不可避免地在喷油压力增大的同时增加了驱动系统的负荷，造成油泵传动功率上升，油泵传动功率上升，抵消了提高喷油压力所带来的好处。因此，提高喷油压力并非完全有利于降低油耗。另一方面，在实验也发现提高喷油压力，对NOx比排放有升高的趋势，但变化的范围很小，对HC、CO的排放影响也很小。在转矩转速下，随着喷油压力的增加，烟度出现了较大的上升幅度。而在标定转速时，烟度变化范围很小。分析后认为，在提高喷油压力，可以将油雾细化，从而对炭烟排放有所改善。但在不变动柴油机燃烧室结构，喷油压力的增加，也会增加喷注贯穿距离，增加落壁油量，进而恶化混合气，升高排温，使烟度增加。在进气量相对较少的转矩转速，这种现象更为明显。在对柴油机多次实验后，综合考虑排放和油耗等因素，将喷油压力选定为200bar较为科学。

3.2压缩比

在对柴油机进行增压的过程中，发现随着增压空气温度上升，循环平均温度也在升高，从而提高了柴油机的热负荷。为了降低燃烧压力，可以采取降低压缩比来实现。在保证其他相关技术参数不变的前提下，在实验中分别选取压缩比为16、16.5、17.5，来比较不同压缩比下，比油耗、比排放、比烟度的变化。在转矩转速下，随着压缩比的增加，比油耗不断下降，变化较为明显。而在标定转速时，随着压缩比的增加，比油耗变化很小。可以看出，压缩比的增加，对转矩转速下燃油的经济性有很明显的影响，较好的提高了燃烧效率。另一方面，压缩比增加后，实验柴油机标定转速处烟度变化不大，但在转矩转速区烟度明显降低。在压缩比增加以后，可以加快自燃前中间化学反应速度和可燃混合气体的形成，缸内温度增加，滞燃期缩短，提高了燃烧效率，Soot排放也减小了。但，实验中也发现，在压缩比增加后，燃烧室单位容积的含氧量也随之增加，NOX排放增加。针对柴油机的排放受压缩比的影响，合理的压缩比应根据Soot排放和NOX排放情况进行科学选择，一般选取压缩比为17.5时，Soot排放和NOX排放较为合理，也满足柴油机在大部分工况条件的工作需要。

3.3气门重叠角

在对自然吸气式柴油机进行增压时，考虑到排温和发动机热负荷的影响，会加强气门重叠间的扫气作用，这一般采用增加气门重叠角来实现。但是针对ω型燃烧室，因大活塞隙难以满足，对气门重叠角加大范围有所限制。否则，活塞会在上止点附近与气门发生干涉，致使燃烧恶化。在实验中，当气门重叠角调整到20°CA时，扫气效率较好，排气所消耗的泵气功减少，柴油机油耗明显降低。同时，增加气门重叠角可以降低燃烧始点温度，NOX排放降低。也发现，增加气门重叠角在标定转速片排温升高，但在转矩转速处，排温几乎没受到影响。在对气门重叠角调整时，需要综合考虑排放、排温、油耗三方面的相互影响，经多次试验，科学分析后，气门重叠角在20°CA时，NOX排放和油耗都得到较好的改善，但柴油机的HC、CO、排温略有增加，但影响不大。

4结束语

通过增压技术在非道柴油机上的运用，可以进一步降低整机的油耗、排温和排放，但必须综合考虑各方面的影响来选择折衷的方案。可以通过不断试验，对柴油机的压缩比、进排气门正时及喷油压力等参数的调整，使得柴油机的经济性和动力性得到进一步提高。

参考文献

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