CN113792405A - 涡轮增压器变海拔适应能力定量对比方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内燃机技术领域的涡轮增压器变海拔适应能力定量对比方法，包括以下步骤：计算出不同增压压比和增压压力下涡轮增压器的可用能；在不同可用能下，根据原机气量恢复时的爆压线、涡轮超温线、涡轮超速线作图，得到约束域；根据不同海拔下的实际可用能在约束域图中画出柴油机运行线；改变可用能的影响参数，改变柴油机运行线，使其在满足约束条件下达到极限功率恢复海拔；针对不同的涡轮增压器，获取特定的限制线、增压压力、压比、等效涡轮面积和增压器的效率，从而预测不同型式涡轮增压柴油机的极限功率海拔恢复。本发明可以应用约束域求出增压柴油机恢复功率的极限海拔，并能够对比不同型式增压柴油机的海拔适应能力。

Description

涡轮增压器变海拔适应能力定量对比方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机技术领域的增压器对比方法，特别是一种应用约束域求出增压柴油机恢复功率极限海拔的涡轮增压器变海拔适应能力定量对比方法。
背景技术
高原大气环境与平原相比有明显区别。海拔每上升1km，大气压力平均下降9％，环境温度平均下降5至7K，空气密度平均下降约9％。柴油机作为容积式动力机械，其整机气量与进气密度成正比关系。高原环境密度下降导致进气不足，柴油机出现燃烧恶化，动力下降以及冒黑烟等一系列“高原病”。试验数据表明，海拔每上升1km自然吸气发动机功率平均下降7％至9％，油耗率上升3％至4％。高海拔、大海拔跨度下自适应功率恢复是高原发动机面临的重大挑战。在我国，素有“世界屋脊”之称的青藏高原平均海拔在4km以上，以柴油机为主要动力的重型动力装备的变海拔性能关系着我国青藏高原的领土安全。
而涡轮增压以废气能量做功，提高进气量，是柴油机高原性能恢复的关键技术。但是涡轮增压器高效稳定运行范围窄，难以适应变海拔发动机宽广变化工况的需求。因此，如何探明增压柴油机变海拔适应能力是一个亟待解决的问题。目前，针对变海拔条件对柴油机性能的影响，已有大量实验，并总结柴油机变海拔性能的变化规律，柴油机变海拔的性能得到改善。但是对柴油机的极限恢复功率海拔研究尚少，同时缺乏对不同型式涡轮增压柴油机的海拔适应能力的研究。因此，需要一种增压柴油机变海拔适应性能的评估方法，不仅能对不同型式的增压柴油机进行评估，而且能得到柴油机的极限恢复功率海拔。但是在现有技术中，还没有相关的专利。
发明内容
本发明针对上述技术的不足，提出了一种增涡轮增压器变海拔适应能力定量对比方法，通过用可用能来衡量增压参数对柴油机变海拔性能的影响，得出限制下增压柴油机变海拔功率恢复约束域，达到评估增压柴油机的变海拔适应性的目的。
为解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括以下步骤：第一，根据涡轮增压柴油机的设计要求和运行工况，获取燃烧爆压限制，增压器运行的涡轮超温限制和涡轮超速限制；第二，根据不同的海拔高度，调节油、气量，使涡轮增压器分别达到燃烧爆压限、涡轮超温限、涡轮超速限，得到某一海拔下的增压压力、压比、等效涡轮面积和增压器总效率；第三，根据公式
Figure BDA0003300026780000021
计算出不同增压压比πc和增压压力Pc下涡轮增压器的可用能
Figure BDA0003300026780000022
式中：En为可用能，单位为J，N为柴机油转速，单位为r/min，Vs为柴油机排量，单位为L，En/NVS为考虑柴油机转速N及排量Vs的可用能，En/NVS单位与压力单位相同，均为kPa，
Figure BDA0003300026780000023
为扫气系数，Pc为增压压力，单位为Pa，R表示气体常数，Tin为柴油机进气管内空气温度，单位为K，CP，a代表气体定压比热容，单位为J/(kg·K)，T0表示为海拔0km时的大气温度，单位为K，πc为增压压比，k为多变指数；第四，不同可用能下，根据原机气量恢复时的爆压线、涡轮超温线、涡轮超速线作图，得到约束域；其中，横轴为海拔，纵轴为可用能，超速边界和超温边界的交点为运行至极限功率的恢复海拔；第五，利用热力学手段得到气量恢复需求可用能与排气提供实际可用能，并根据不同海拔下的实际可用能在约束域图中画出柴油机运行线；第六，改变可用能的影响参数，提高实际可用能，改变柴油机运行线，使其在满足约束条件下达到极限功率恢复海拔；第七，针对不同的涡轮增压器，获取特定的限制线、增压压力、压比、等效涡轮面积和增压器的效率，从而预测不同型式涡轮增压柴油机的极限功率海拔恢复。
根据实验研究，等效涡轮面积和增压器总效率是影响增压发动机变海拔性能的重要因素。通过二者对柴油机在超温、超速、超压限的影响规律，可得到在各限制下的功率恢复海拔，通过恢复海拔点的连线，得出等效涡轮面积和增压器总效率对柴油机高原功率恢复约束边界。通过调节等效涡轮面积或增压器总效率及油量可在约束域内功率恢复。
进一步研究表明，等效涡轮面积和增压器总效率间接影响约束域，背后反映的是增压压比和增压压力对约束域的影响，二者是影响发动机变海拔功率恢复的关键因素，但不同增压参数，二者发生变化，约束域也跟着变化。针对该问题，提出了增压系统可用能En来涵盖增压参数对约束域的影响。通过不同可用能在不同限制下变海拔的约束域，衡量增压柴油机的海拔适应性。
在本发明中，约束域不仅可以探索限制参数约束下涡轮增压柴油机的极限功率恢复海拔，以及达到极限功率恢复海拔时的边界条件，而且还能够预测对比不同型式涡轮增压器的海拔适应能力，从而在柴油机的不同海拔运行条件下实现对涡轮增压器的匹配。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：本发明设计合理，方法简单有效，可以应用约束域求出增压柴油机恢复功率的极限海拔，并能够对比不同型式增压柴油机的海拔适应能力。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明具体实施例中四种单级涡轮增压系统结构示意图；
图3为本发明具体实施例中四种单级涡轮增压系统柴油机变海拔适应能力对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。凡本技术领域技术人员依据本发明的构思，在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的流程方案，均在本发明权利要求书所确定的保护范围内。
实施例
具体实施例如图1至图3所示：第一，针对某一涡轮增压柴油机的设计要求和运行工况，获取燃烧爆压限制P(单位为Pa)、增压器运行的涡轮超温限制T(单位为K)以及超速限制n(单位为r/min)；第二，根据不同的海拔高度，调节油、气量，使涡轮增压器分别达到燃烧爆压限P、超温限T、超速限n，得到某一海拔下的增压压力、压比、等效涡轮面积和增压器总效率；第三，利用公式
Figure BDA0003300026780000031
计算出不同压比πc和增压压力Pc下涡轮增压器的可用能
Figure BDA0003300026780000032
第四，不同可用能下，根据原机气量恢复时的爆压线、超温线、超速线作图，得到约束域。其中，横轴为海拔，纵轴为可用能，超速边界和超温边界的交点为运行至极限功率的恢复海拔；第五，利用热力学手段得到气量恢复需求可用能与排气提供实际可用能，并根据不同海拔下的实际可用能在约束域图中画出柴油机运行线；第六，改变可用能的影响参数，提高实际可用能，改变柴油机运行线，使其在满足约束条件下达到极限功率恢复海拔；第七，针对四种具体涡轮增压器得到柴油机在约束域中的运行线及其对比情况，如图3所示。
以图3为例，原机气量恢复时的爆压线、排温限制线及超速限制线共同围成了柴油机变海拔功率恢复约束域。随海拔上升，匹配不同增压系统的柴油机运行线均呈现先上升后下降的趋势。不同运行线随海拔的增长率存在显著差异。定几何系统及WG-2200r/min系统的等效涡轮面积无法调节，实际可用能增长缓慢且小于原机爆压线能量需求。能量不足导致柴油机变海拔运行点逐渐偏离原机爆压边界，并导致柴油机在海拔3.7km和4.5km时先后出现排温超限问题。VGT及WG-1500r/min系统通过主动减小等效涡轮面积迅速提升实际可用能，使柴油机运行线沿爆压边界线增长至超速边界。随后通过增加等效涡轮面积的方式减小实际可用能，使柴油机运行线沿超速边界运行至极限功率恢复海拔，即超速边界和超温边界的交点。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明内容，不应理解为是对本发明保护范围的限制，只要是根据本发明技术方案所作的改进，均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种涡轮增压器变海拔适应能力定量对比方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一，根据涡轮增压柴油机的设计要求和运行工况，获取燃烧爆压限制，增压器运行的涡轮超温限制和涡轮超速限制；
第二，根据不同的海拔高度，调节油、气量，使涡轮增压器分别达到燃烧爆压限、涡轮超温限、涡轮超速限，得到某一海拔下的增压压力、压比、等效涡轮面积和增压器总效率；
第三，根据公式
Figure FDA0003300026770000011
计算出不同增压压比πc和增压压力Pc下涡轮增压器的可用能
Figure FDA0003300026770000012
式中：En为可用能，单位为J，N为柴机油转速，单位为r/min，Vs为柴油机排量，单位为L，En/NVS为考虑柴油机转速N及排量Vs的可用能，En/NVS单位与压力单位相同，均为kPa，
Figure FDA0003300026770000013
为扫气系数，Pc为增压压力，单位为Pa，R表示气体常数，Tin为柴油机进气管内空气温度，单位为K，CP，a代表气体定压比热容，单位为J/(kg·K)，T0表示为海拔0km时的大气温度，单位为K，πc为增压压比，k为多变指数；
第四，不同可用能下，根据原机气量恢复时的爆压线、涡轮超温线、涡轮超速线作图，得到约束域；其中，横轴为海拔，纵轴为可用能，超速边界和超温边界的交点为运行至极限功率的恢复海拔；
第五，利用热力学手段得到气量恢复需求可用能与排气提供实际可用能，并根据不同海拔下的实际可用能在约束域图中画出柴油机运行线；
第六，改变可用能的影响参数，提高实际可用能，改变柴油机运行线，使其在满足约束条件下达到极限功率恢复海拔；
第七，针对不同的涡轮增压器，获取特定的限制线、增压压力、压比、等效涡轮面积和增压器的效率，从而预测不同型式涡轮增压柴油机的极限功率海拔恢复。
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