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機(jī)車(chē)柴油機(jī)可變渦輪增壓技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

文檔作者：潘翼龍，王敏鴻，李友峰，薛良君文檔來(lái)源：南車(chē)集團(tuán)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2026年01月25日
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第31卷增刊
2011年10月
鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛
RAILWAY LOCOMOTIVE 8L CAR
V01．31 Suppl
0ct． 2011
帚零祭祭零祭祭秘苔心口
囊系統(tǒng)及零部件甏9譬《}黼龜s瑤；憨龜s飛5穗’
文章編號(hào)：1008—7842【2011)SO一0210—03
機(jī)車(chē)柴油機(jī)可變渦輪增壓技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
潘翼龍，王敏鴻，李友峰，薛良君
(南車(chē)集團(tuán)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司，江蘇常州213011)
摘要結(jié)合可變渦輪增壓技術(shù)的特點(diǎn)，分析了可變渦輪增壓技術(shù)對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)發(fā)展的影響，指出采用可變渦輪
增壓技術(shù)對(duì)改善機(jī)車(chē)柴油機(jī)部分負(fù)荷性能及對(duì)提高機(jī)車(chē)柴油機(jī)適應(yīng)環(huán)境條件的能力方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，最后介
紹了可變渦輪增壓技術(shù)在280系列機(jī)車(chē)柴油機(jī)上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞機(jī)車(chē)柴油機(jī)；可變渦輪；增壓技術(shù)；應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào)：TK421+．8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
內(nèi)燃機(jī)車(chē)的特點(diǎn)是空載和低載運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)、變工
況頻繁和長(zhǎng)距離運(yùn)行。當(dāng)用于牽引時(shí)，要求柴油機(jī)在結(jié)
構(gòu)配置不變的情況下盡可能適應(yīng)鐵路全域氣候條件變
化，并且在全工況范圍具備較好的性能指標(biāo)。當(dāng)用于調(diào)
車(chē)作業(yè)時(shí)，要求在達(dá)到標(biāo)定負(fù)荷性能指標(biāo)的同時(shí)，應(yīng)盡
可能提高部分負(fù)荷性能。與運(yùn)用條件影響最密切的機(jī)
車(chē)柴油機(jī)零部件莫過(guò)于廢氣渦輪增壓器，因此增壓配套
對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)的要求遠(yuǎn)比對(duì)電站、船舶用大功率柴油機(jī)
的要求高。于是，可變渦輪增壓技術(shù)在機(jī)車(chē)柴油機(jī)上的
開(kāi)發(fā)應(yīng)用就顯得意義重大。
1可變渦輪增壓技術(shù)特點(diǎn)
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[11內(nèi)燃機(jī)車(chē)應(yīng)能在一40℃～
40℃的環(huán)境條件下正常使用，而當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)30℃
或海拔超過(guò)700 m時(shí)，允許進(jìn)行功率修正。但實(shí)際上，
內(nèi)燃機(jī)車(chē)所處的運(yùn)用環(huán)境溫度經(jīng)常超過(guò)40。C、海拔高
度經(jīng)常達(dá)到1 500 m，如果溫度達(dá)到30℃或海拔高度達(dá)
到700 m時(shí)柴油機(jī)就要進(jìn)行功率修正，勢(shì)必影響到機(jī)車(chē)
牽引定數(shù)和計(jì)劃安排。因此，制造廠(chǎng)家在增壓配套時(shí)盡
可能提高機(jī)車(chē)柴油機(jī)的環(huán)境溫度修正限值和海拔修正
高度，如DF。。機(jī)車(chē)海拔不修正的高度已達(dá)2 000 m以
上嘲。但適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性是個(gè)矛盾體，內(nèi)燃機(jī)車(chē)要完全
適應(yīng)這么大范圍的環(huán)境條件，就要相對(duì)地犧牲一點(diǎn)柴油
機(jī)性能。因?yàn)椋诃h(huán)境溫度下限時(shí)，柴油機(jī)要正常運(yùn)行，
就得保證增壓器有最低限度的喘振裕量，那么到高溫環(huán)
境時(shí)，柴油機(jī)的排溫和油耗就會(huì)上升。環(huán)境條件變化越
大，柴油機(jī)性能下降就越明顯。這是廢氣渦輪增壓器的
壓氣機(jī)特性所決定的，這對(duì)傳統(tǒng)固定噴嘴結(jié)構(gòu)的渦輪增
壓器來(lái)說(shuō)是不可避免和無(wú)法解決的。
采用可變渦輪增壓技術(shù)可在一定程度上能有效改
善上述環(huán)境條件變化對(duì)柴油機(jī)性能的影響，在部分負(fù)荷
大幅提高經(jīng)濟(jì)性和降低熱負(fù)荷。
可變渦輪直接的含義就是增壓器的渦輪通流截面
可變，實(shí)際上是對(duì)噴嘴環(huán)葉片角度進(jìn)行調(diào)整，在汽車(chē)發(fā)
動(dòng)機(jī)上比較多見(jiàn)，在機(jī)車(chē)柴油機(jī)上尚屬首次。其應(yīng)用原
理一種是采用具有可變渦輪幾何形狀(即VTG)的渦輪
增壓器，通過(guò)對(duì)某些參數(shù)(根據(jù)需要可在環(huán)境溫度、大氣
壓力、增壓器轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)出口增壓空氣溫度·壓力、柴
油機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)功率／扭矩中選取)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)跟蹤，
將信號(hào)反饋給控制器，判斷各運(yùn)行工況下增壓器運(yùn)行參
數(shù)是否適當(dāng)，即噴嘴環(huán)出口面積是否適當(dāng)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)
超過(guò)設(shè)定的范圍時(shí)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)噴嘴環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)
對(duì)噴嘴環(huán)葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，改變噴嘴環(huán)出口面積。另一種
是對(duì)于機(jī)車(chē)常用的部分負(fù)荷工況，通過(guò)試驗(yàn)，預(yù)先設(shè)定
程序，人為減小每檔負(fù)荷下的噴嘴環(huán)出口面積，提高增
壓壓力，有效降低排溫和燃油消耗率。
該套裝置的關(guān)鍵部分是噴嘴環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)口j，該機(jī)構(gòu)
設(shè)計(jì)是否合理、制造是否精確，直接關(guān)系到帶VTG的
廢氣渦輪增壓器能否實(shí)際推廣應(yīng)用。因此，帶VTG的
廢氣渦輪增壓器，必須滿(mǎn)足下列條件。
(1)保證各片噴嘴葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)傾角一致，使各葉片
間的喉口尺寸誤差與固定噴嘴環(huán)的基本接近。這是對(duì)
于采用2臺(tái)渦輪增壓器的柴油機(jī)保證各氣缸工作平衡
的前提。
(2)與噴嘴環(huán)相接觸的殼體發(fā)熱變形或殼體積炭
潘翼龍(1963一)男，江蘇常熟人，教授級(jí)高級(jí)工程師(收稿日期：2011一05～23)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
增刊機(jī)車(chē)柴油機(jī)可變渦輪增壓技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
時(shí)，始終保持葉片與殼體問(wèn)的密封而不漏氣，同時(shí)又要
保證葉片轉(zhuǎn)動(dòng)靈活而不被阻滯。商業(yè)應(yīng)用前，增壓器必
須對(duì)VTG的相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)、材料的可靠性進(jìn)行驗(yàn)
證，確保可靠成熟，否則無(wú)法推廣。
(3)渦輪效率不能因采用VTG而有明顯下降，否
則增壓器采用VTG帶來(lái)的效益被渦輪效率下降而抵
消，失去應(yīng)用價(jià)值。因此，渦輪效率下降幅度應(yīng)控制在
2％以?xún)?nèi)，柴油機(jī)在配套點(diǎn)(即標(biāo)定功率點(diǎn))的性能不能
有明顯的影響。
(4)VTG機(jī)構(gòu)具有最低限度的工作可靠性。按照
目前固定噴嘴的渦輪增壓器運(yùn)行情況和對(duì)未來(lái)新增壓
器的可靠性要求，無(wú)故障運(yùn)行周期應(yīng)至少達(dá)到45萬(wàn)km
以上。
(5)配備防塵結(jié)構(gòu)，適應(yīng)風(fēng)沙環(huán)境。機(jī)車(chē)柴油機(jī)不
同于電站和船舶用柴油機(jī)，不僅需要考慮鹽霧的影響，
還要充分考慮風(fēng)沙的影響，特別是我國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)沙
環(huán)境。從現(xiàn)有機(jī)車(chē)的運(yùn)用情況看，在沙塵暴天氣，粉末
狀的細(xì)小沙粒在機(jī)車(chē)上是無(wú)孔不入。因此，不僅噴嘴環(huán)
調(diào)整機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)也應(yīng)充分考慮沙塵的防護(hù)。
2可變渦輪增壓技術(shù)對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)發(fā)展的影響
2．1 對(duì)機(jī)車(chē)適用環(huán)境的影響
(1)嚴(yán)寒環(huán)境
嚴(yán)寒天氣防止增壓器喘振的方法有很多，但主要有
兩類(lèi)，一是在冬季預(yù)先更換大的噴嘴環(huán)或嚴(yán)寒地區(qū)采用
大噴嘴環(huán)配置；二是在喘振時(shí)設(shè)法避開(kāi)喘振點(diǎn)或緩解喘
振的強(qiáng)度與頻次，如利用放氣裝置降低增壓壓力以避開(kāi)
喘振。但是，對(duì)增壓器進(jìn)行季節(jié)改裝，會(huì)影響運(yùn)行和維
護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，增加零部件配件和工時(shí)成本；運(yùn)行時(shí)放氣，
浪費(fèi)了部分能量，對(duì)能耗的影響較大。而采用帶VTG
的增壓器，可在不采取其他措施的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)增
圖1 VTG渦輪增壓器調(diào)節(jié)噴嘴
改變環(huán)境溫度對(duì)運(yùn)行線(xiàn)的影響
壓器的喘振裕量，使圖1中運(yùn)行線(xiàn)上的運(yùn)行點(diǎn)從P’：移
到P。，一舉解決喘振問(wèn)題。
(2)高溫功率修正
同樣，當(dāng)環(huán)境溫度上升到一定值后，柴油機(jī)氣缸出
口溫度或渦輪進(jìn)口溫度會(huì)達(dá)到限值，為控制熱負(fù)荷，對(duì)
于固定噴嘴增壓器，唯一的解決辦法是降載。在采用
VTG增壓器后，調(diào)小噴嘴規(guī)格，使運(yùn)行點(diǎn)從P：移到
P，，見(jiàn)圖1，輕松解決問(wèn)題。
(3)高原功率修正
海拔高度上升后，增壓比提高，首先出現(xiàn)的問(wèn)題是
增壓器轉(zhuǎn)速超限。高原功率修正就是為了防止增壓器
轉(zhuǎn)速超限而將柴油機(jī)功率降下來(lái)，這樣海拔越高，功率
下降越多。若按圖2所示通過(guò)調(diào)節(jié)VTG放大噴嘴環(huán)，
將運(yùn)行點(diǎn)從P。降到P。，則無(wú)疑提高了海拔修正的高
度。
2．2 對(duì)機(jī)車(chē)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)柴油機(jī)性能的影響
VTG技術(shù)在機(jī)車(chē)柴油機(jī)上應(yīng)用的最大優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)
在對(duì)柴油機(jī)低負(fù)荷性能的提高上。在R12V280ZJ柴油
機(jī)上的試驗(yàn)研究表明H]：由于VTG存在漏氣損失和標(biāo)
定功率點(diǎn)爆發(fā)壓力限制，在標(biāo)定功率點(diǎn)時(shí)，VTG無(wú)法進(jìn)
行噴嘴規(guī)格優(yōu)化，油耗會(huì)略微下降。受其影響，在裝車(chē)
功率點(diǎn)，VTG進(jìn)行噴嘴規(guī)格優(yōu)化的余地也較小，無(wú)法體
現(xiàn)出VTG的優(yōu)勢(shì)。但在其他各個(gè)低負(fù)荷工況，可以通
過(guò)調(diào)整噴嘴環(huán)，充分優(yōu)化噴嘴規(guī)格，將運(yùn)行線(xiàn)移到離喘
振線(xiàn)較近的位置。與固定噴嘴環(huán)相比，在部分負(fù)荷的一
般工況點(diǎn)，通過(guò)調(diào)小噴嘴環(huán)，最高爆發(fā)壓力可提高0．5
～1．5 MPa，排溫可下降20℃～45℃，渦輪進(jìn)口溫度可
下降10℃～75℃，油耗可下降3～7 g／(kW·h)。而在
個(gè)別工況點(diǎn)，油耗下降幅度可超過(guò)10 g／(kw·h)。
y4 yl
ynD／(m3·s。1)
圖2 VTG渦輪增壓器調(diào)節(jié)噴嘴
改變海拔高度對(duì)運(yùn)行線(xiàn)的影響
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛——第十七屆全國(guó)大功率柴油機(jī)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第31卷
2．3 對(duì)排放的影響
VTG渦輪增壓器與固定噴嘴增壓器相比，對(duì)柴油
機(jī)排放的影響不大，主要是因改變?cè)鰤簤毫Α飧走M(jìn)氣
溫度引起的間接影響。
但如果改變氣門(mén)定時(shí)，使柴油機(jī)在米勒循環(huán)下工
作，則利用VTG可使柴油機(jī)在改善油耗的同時(shí)可進(jìn)一
步降低NOX排放。因此，在米勒循環(huán)下，VTG增壓器
比高壓比固定噴嘴增壓器更好。不過(guò)帶米勒定時(shí)的柴
油機(jī)必須將增壓壓力提得更高，配套需要的增壓器應(yīng)具
有4．0～5．0的工作壓比L5J。
3可變渦輪增壓技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用
可變渦輪增壓技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，若結(jié)合米勒定
時(shí)、共軌供油系統(tǒng)，不僅可明顯改善柴油機(jī)部分負(fù)荷性
能，而且對(duì)排放和標(biāo)定負(fù)荷性能都能得到明顯改善。因
此，南車(chē)集團(tuán)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司與ABB公司合作，利
用可變渦輪增壓器，對(duì)280系列柴油機(jī)進(jìn)行了重新開(kāi)發(fā)
和技術(shù)改進(jìn)。
3．1 帶可變渦輪增壓器的R12V280ZJ柴油機(jī)
該柴油機(jī)采用VTG增壓器后，已證明部分負(fù)荷時(shí)
的性能得到明顯改善。
3．2 16V280ZJA型柴油機(jī)的技術(shù)改造
16V280ZJA型柴油機(jī)是南車(chē)集團(tuán)戚墅堰機(jī)車(chē)有限
公司20世紀(jì)80年代推出的干線(xiàn)牽引用內(nèi)燃機(jī)車(chē)的主
力機(jī)型，迄今為止已生產(chǎn)超過(guò)1 100臺(tái)。該機(jī)標(biāo)定功率
3 860 kW，裝車(chē)功率3 680 kW，油耗207 g／kW·h。改
用VTG增壓器后，將使柴油機(jī)熱負(fù)荷、燃油消耗明顯
降低。
4結(jié)束語(yǔ)
可變渦輪增壓技術(shù)對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)改善部分負(fù)荷性
能、提高環(huán)境條件的適應(yīng)能力具有很大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)與
米勒定時(shí)凸輪配套，不僅可降低油耗而且可顯著降低排
放。因此，可變渦輪增壓技術(shù)對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)性能配套將
會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。如何利用這一技術(shù)，提高國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)
柴油機(jī)的性能，將是我們今后工作的重點(diǎn)之一。
參考文獻(xiàn)
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ing Conference，Dresden，23—24 September 2004．
Development and Application of VTG Turbochaging
Technology of Diesel Locomotive Engine
PAN Yi—long，WANG Min—hong，L了You—feng，XUE Liang—jun
(CSR Qishuyan Co．，I，td．，Changzhou 213011 Jiangsu，China)
Abstract：With the characteristic and feature of VTG turbocharging technology，it were analyzed that VTG turbocharging technology
affected the development of locomotive diesel engines．It was also shown that the advantages of the VTG turbocharging technology im—
proved the part—load performance of locomotive diesel engine and enhanced the environment adapt ability of locomotive diesel engine．
The article will introduce the development process and application status of VTG turbocharging technology for 280 series locomotive
diesel engine．
Key words：locomotive diesel engines；VTG；turbocharging technology；application

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