燃气涡轮增压系统恢复柴油机高原功率研究

燃气涡轮增压系统恢复柴油机高原功率研究

任伟

中国铁路呼和浩特局集团有限公司集宁机务段 内蒙古乌兰察布 012000

摘要：在高原地区，空气密度低和环境温度较低，导致列车发动机的运行效率很低，为了解决这一问题，当前已经开始应用涡轮增压技术提高发动机性能。基于对涡轮增压技术原理的研究，指出涡轮增压技术在高原地区的应用方式，从而让发动机能够有效解决在高原地区运行中出现的问题，提高列车发动机性能。

关键词：高原地区；涡轮增压；技术应用

0引言

高原环境的大气压力较低，空气密度低，昼夜温差大，具备较强的日辐射。高原与平原不同，其存在较大差异。如果在高原环境下利用平原地区的适合柴油机，将引发一系列问题。因此，开发高原环境下适应的柴油机十分必要。

1高原环境对柴油机的影响

高海拔环境下主要为大气密度对柴油机的性能造成不良影响，其影响主要为以下几点：柴油机动力性能下降，随着海拔高度的提升，柴油机的工作功率逐渐下降；经济性能的下降，在高原运行环境下，柴油机本身的机械效率以及泵气损失并改变，但受到空气密度的影响，缸内燃烧效率下降，且由于高原道路的复杂使得油耗在不断增加；排放性能下降，海拔高度较高时，柴油机的进气量在减少，其燃烧温度也在下降，因此NOx的排放量受到影响；启动性能下降，高海拔工作环境下，气温以及大气压的降低使得对空气压缩时其温度以及压力都无法满足混合气体压燃需求；寿命以及稳定性能下降；在高海拔条件下，增压器极易出现超速等问题，进而导致柴油机热负荷增加，影响柴油机的其他运动部件的正常运行。

2涡轮增压技术的原理

涡轮增压技术的原理可总结为应用内燃机产生的废气作为发动机中空气压缩装置的原动力，以提升内燃机的运行效率，可以发现该项技术在高原地区能够取得很好的运行效果，但是在新鲜空气被压缩的过程中，对内燃机本身的运行状态会产生一定程度上的影响，最直接的体现为在新鲜空气被压缩的过程中，会产生大量的内能，若不对这种情况进行处理，将会让内燃机的温度过高，导致内燃机的整体强度和运行寿命下滑，所以在高原地区的涡轮增压技术应用中，需要对内燃机进行有效散热。在当前的涡轮增压技术研究中，已经研发出了两种涡轮增压方式，一种为脉冲增压方法，另一种为定压增压方法，这两种技术各有优缺点，对于高原地区来说，不同类型的车辆需要合理选择涡轮增压技术，但是无论哪种涡轮增压技术，在应用中都需要对内燃机设置另一套冷却系统，该系统的作用在一定程度上与水箱相同，但是对于高原地区来说，水箱能够发挥的作用通常较为有限，所以在内燃机冷却器的设计过程中需要对该设备进行改变与优化。

3高原环境下柴油机增压技术的应用

在高原环境下，根据柴油机在期间遇到的一些问题，要在各个方面对其改进。如：利用进气预热，作为启动辅助工作，能够提升冷却液的循环压力。但是，对柴油机的高原功率进行恢复，需要对换气、供油以及燃烧过程进行思考。因此，在高压环境下，需要促进柴油机油、气之间的配合，并将其作为恢复柴油机功率的关键。比如：增压技术的利用，实现增压柴油机，将实现较高的高压功率补偿能力。对高压系统进行改进，能够使发动机具备较强的适应能力。其中，改进方式可以表现为两个方面：其一，在不改变增压方案的情况下，为发动机匹配合适的增压器。高原环境下，增压器需要对喘振、超速以及超温情况进行分析。根据高原地区的具体条件，为其增加压比高以及匹配流量大的发动机，但是，这时候的增压器无法满足平原需求。高原环境下的压气机喘振线不断执行大流量、高压比方向发展，为了对其改进，可以促进压气机流量、压比与转速范围的扩宽性，并找到适合高原环境的增压器。其二，对增压方案进行改进，促进增压系统可调性的增强。因为往复活塞式发动机与旋转叶轮式的增压器流量存在一定矛盾，无法在全工况范围内促进增压器与柴油机的稳定匹配。因此，可以将带放气阀的增压器、二级增压技术应用到高原柴油机中，以促进其功率恢复效果的实现。

3.1带放气阀的增压器

带放气阀增压器，是将放气阀并联在涡轮入口，并基于推杆与膜片，将其与放气阀相连。在高原环境下，对废气放气技术进行应用期间，可以基于电控放气阀，依据海拔条件，对弹簧预紧力进行调节。因为其中的机械式放气是对压气机前后的压差、弹簧预紧力进行分析，尽管在海拔高的地区压比升高，但压气前后的绝对压差将不断减小，从而影响机械式放气阀，也无法达到增压器的保护目的。所以，在高压环境下，对带放气阀增压器进行合理匹配，能促进低速扭矩特性的提升。

3.2可变截面涡轮技术

可变截面涡轮技术主要是改变涡轮的流动面积，促进增压器工作效率以及工作范围的扩展。当柴油机低速情况下，能够减小流通截面，促进增压器转速、增压压力的提升。当柴油机进气量增大的时候，能够保证低速扭矩特性的提升，并在期间对增压压力的高情况进行分析，减少泵气损失。如：对VGT柴油机的高原性能进行分析，发现VGT技术能够减少压气机喘振、超速等问题，也能降低柴油机的功率，同时，在对喷嘴环直径进行调节期间，也能促进动力性与经济性的优化性。

3.3二级增压

二级增压方案，在两级压气机，对新鲜空气进行压缩，并实现冷器冷却。柴油机的废气，是在高压级与低压级涡轮中膨胀做功，后期会排放到环境中。一般情况下，会选择两个不同直径的增压器，并实现二级增压系统，随着流通面积的不断降低和增大，确定出高压级与低压级。为了使增压系统高效运行，基于二级涡轮增压系统，能够实现两级压比的分配。当前，二级增压系统在恢复高原柴油机功率基础上，获得良好效果。例如：对二级增压系统的匹配方法进行研究，能够在不同形式下对调节阀的集成度、调节范围进行对比分析。当处于5500米海拔条件下，利用二级增压系统，不仅能规避增压器喘振、超速现象，也能恢复柴油机的功率性能。

3.4相继增压

发动机在高速下，涡轮增压器具备充足能量，能够保证空燃比与燃油经济性。当发动机在低速下，增压压力降低，缸内的空燃比、低速性能都会比较差。涡轮增压器在发动机全范围匹配中，是无法促使其高效运行，为了对相互之间的矛盾进行分析，可以基于涡轮增压方案进行分析。相继增压系统应用到高原柴油机环境下是比较少的，因为增压系统随着发动机运作范围的不断增大，还需要切换阀门，从而在进气条件下改变切换点，增加其复杂程度。所以说，增压方案与其他方案不同，应用到高原环境下，实现的功率恢复效果不明显。

4结语

近年来，随着我国西部大开发以及“一带一路”国家级战略的实施，西部地区经济发展迅猛，高原用增压柴油机越来越受到关注，市场前景看好。然而，由于我国西部高原地域面积广阔，地形相对复杂，大部分地域海拔高度为2000-4500m，少数地区海拔高度达5000m以上，如青藏高原，它是我国也是世界上最具代表性的高原，对内燃机环境技术应用的影响具有一定的代表性。因而，高原用增压柴油机的性能也成为中国柴油机市场上各厂家函待解决的问题。为了使柴油机能够适合高原环境，需要针对单一工况进行匹配。如：增压技术的应用，能够达到高原功率的恢复目的。

参考文献：

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