車用柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)及性能提升策略

許 翔 劉瑞林 董素榮 劉 剛

軍事交通學(xué)院，天津，300161

0 引言

高原環(huán)境適應(yīng)性是制約高原地區(qū)車輛、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、柴油發(fā)電機(jī)組等以柴油機(jī)作為動(dòng)力源的動(dòng)力機(jī)械及設(shè)備性能發(fā)揮的重要因素之一［1］。由于受內(nèi)燃機(jī)工業(yè)技術(shù)的制約及缺乏相關(guān)的高原環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)，大多數(shù)柴油機(jī)在論證、設(shè)計(jì)、研制和定型時(shí)未充分考慮高原環(huán)境適應(yīng)性，導(dǎo)致其不能滿足高原地區(qū)的使用要求，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染等問題［2－4］。因此，研究高原環(huán)境對柴油機(jī)性能的影響規(guī)律，對研究和提高柴油機(jī)的高原環(huán)境適應(yīng)性具有非常重要的意義。本文針對車用柴油機(jī)在高原使用中存在的問題，通過理論分析及高原環(huán)境模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)分析和研究了高原低氣壓、低溫環(huán)境條件對柴油機(jī)各主要性能的影響規(guī)律和機(jī)理，提出了提高柴油機(jī)高原適應(yīng)能力的技術(shù)措施。

1 柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)裝置

柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)是柴油機(jī)研制、定型、選型、使用等過程中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作，也是驗(yàn)證柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性的重要手段。為了考察柴油機(jī)性能隨海拔高度的變化規(guī)律，在軍事交通學(xué)院軍用動(dòng)力機(jī)械高原環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，對4種不同排量、不同類型的柴油機(jī)進(jìn)行了高原模擬試驗(yàn)研究。

圖1為柴油機(jī)高海拔（低氣壓）模擬試驗(yàn)臺示意圖。試驗(yàn)臺主要由柴油機(jī)高海拔（低氣壓）模擬系統(tǒng)、環(huán)境溫度控制系統(tǒng)、CW260電渦流測功機(jī)、油耗儀、進(jìn)排氣壓力傳感器、溫度傳感器、空氣和冷卻水流量計(jì)等儀器設(shè)備組成。

圖1 柴油機(jī)高海拔（低氣壓）模擬試驗(yàn)臺示意圖

試驗(yàn)臺利用進(jìn)氣節(jié)流和排氣抽真空的方法模擬柴油機(jī)在低氣壓下的工作狀態(tài)，模擬海拔范圍為0～6000m；環(huán)境溫度范圍為－41～30℃。模擬試驗(yàn)中氣壓和空氣密度與海拔高度的關(guān)系見表1。

表1 氣壓和空氣密度與海拔高度的對應(yīng)關(guān)系

2 高原環(huán)境對柴油機(jī)性能的影響

2.1 高原環(huán)境對柴油機(jī)動(dòng)力性能的影響

在不同模擬海拔高度下對4種不同排量及類型的柴油機(jī)進(jìn)行了外特性試驗(yàn)，圖2所示為柴油機(jī)的額定功率及最大扭矩隨海拔高度的變化關(guān)系。試驗(yàn)表明，盡管不同類型柴油機(jī)在不同海拔高度（氣壓）下的動(dòng)力性隨海拔變化規(guī)律存在一定差異，但它們之間的變化規(guī)律基本是一致的。

隨著海拔的升高，氣壓和空氣密度降低，進(jìn)氣量減少、燃燒惡化等導(dǎo)致柴油機(jī)的功率和扭矩下降。海拔高度每升高1000m，非增壓柴油機(jī)的額定功率約下降3.2%～17.7%，增壓柴油機(jī)的額定功率約下降0.16%～10.8%；當(dāng)海拔達(dá)到5000m時(shí)，相對于平原而言，柴油機(jī)的額定功率下降了3.6%～38.9%，最大扭矩下降了5.5%～37.8%。由此可見，非增壓型柴油機(jī)的動(dòng)力性隨海拔高度增加呈明顯下降的趨勢；渦輪增壓器通過壓縮空氣來增加柴油機(jī)進(jìn)氣量，具有自動(dòng)補(bǔ)償柴油機(jī)高原功率下降的能力。因此，增壓型柴油機(jī)的高原適應(yīng)性明顯優(yōu)于非增壓型柴油機(jī)，其動(dòng)力性隨海拔高度增加下降較為緩慢。

在海拔3000m以下，柴油機(jī)的額定功率隨海拔升高緩慢下降；當(dāng)海拔超過3000m時(shí)，額定功率隨海拔升高下降明顯。當(dāng)海拔超過2000m時(shí)，柴油機(jī)的最大扭矩隨海拔升高下降明顯；海拔3000m以上時(shí)，最大扭矩隨海拔升高急劇下降。對于各種不同類型的柴油機(jī)而言，海拔3000m是柴油機(jī)動(dòng)力性能發(fā)生突變的“拐點(diǎn)”。因此，對柴油機(jī)進(jìn)行海拔3000m性能試驗(yàn)可以評價(jià)柴油機(jī)的高原適應(yīng)性，通過其動(dòng)力性能指標(biāo)的變化驗(yàn)證柴油機(jī)是否滿足高原使用要求。

2.2 高原環(huán)境對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的影響

圖3所示為柴油機(jī)最低燃油消耗率隨海拔高度的變化關(guān)系。隨著海拔的升高，氣壓減小，空氣密度下降，進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量減少，導(dǎo)致燃燒過程變差，柴油機(jī)有效熱效率減小，從而使柴油機(jī)燃油消耗率隨著海拔的升高而增加［5］。相對于平原而言，當(dāng)海拔達(dá)到5000m時(shí)，柴油機(jī)的油耗增加了4.3%～49.4%。海拔為0～3000m時(shí)，柴油機(jī)的油耗隨海拔變化不明顯；當(dāng)海拔超過3000m時(shí)，非增壓柴油機(jī)的油耗量明顯增大；電控柴油機(jī)由于沒有進(jìn)行高原標(biāo)定，油耗量明顯增大；較大排量柴油機(jī)的供油系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整，油耗量隨海拔升高緩慢增大。

圖3 最低燃油消耗率隨海拔高度的變化關(guān)系

2.3 高原環(huán)境對柴油機(jī)起動(dòng)性能的影響

高原地區(qū)海拔高、空氣含氧量少、晝夜溫差大、寒冷季節(jié)長，柴油機(jī)機(jī)體、冷卻液、機(jī)油、燃油和蓄電池電解液等都處于低溫狀態(tài)，導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)阻力和摩擦阻力增大。柴油機(jī)的進(jìn)氣溫度和流量同時(shí)下降，造成柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮終了的溫度和壓力下降，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣及燃燒條件達(dá)不到柴油機(jī)點(diǎn)燃和續(xù)燃要求［6］。此外，蓄電池的電量由于低溫驟減［7］（－40℃時(shí)，電量約下降50%），導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)功率下降，使柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速低于起動(dòng)必需的最低轉(zhuǎn)速。

以上因素的共同作用造成柴油機(jī)在高原低溫條件下冷機(jī)起動(dòng)十分困難。通過高原地區(qū)車輛裝備的低溫起動(dòng)試驗(yàn)得知，即使采用傳統(tǒng)冷起動(dòng)措施，約75%的柴油機(jī)在海拔3000m以上、氣溫低于－15℃的環(huán)境條件下不能順利起動(dòng)，給高原地區(qū)車輛裝備的使用造成許多不便。

2.4 高原環(huán)境對柴油機(jī)熱平衡性能的影響

柴油機(jī)的熱平衡性能與環(huán)境氣壓和溫度條件密切相關(guān)。在高原地區(qū)，氣壓、空氣密度和進(jìn)氣氧含量降低，這使得柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)下降，導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒不充分，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，使柴油機(jī)熱負(fù)荷增大。另外，水的沸點(diǎn)及冷卻系統(tǒng)空氣質(zhì)量流量隨著海拔的升高逐漸下降，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的散熱能力變差［8］。這些因素共同作用導(dǎo)致柴油機(jī)排溫升高，冷卻水和潤滑油溫度偏高，柴油機(jī)熱負(fù)荷過大。圖4所示為不同海拔高度下柴油機(jī)排氣溫度隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢。海拔每升高1000m，柴油機(jī)的排氣溫度約平均升高8～25℃。

圖4 不同海拔高度柴油機(jī)排氣溫度曲線

在平原地區(qū)運(yùn)行良好的柴油機(jī)，在高原地區(qū)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一系列熱平衡問題，如車輛在高海拔地區(qū)行駛或爬長坡時(shí)，柴油機(jī)熱負(fù)荷加劇，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致“開鍋”、汽缸墊和排氣管燒損、拉缸等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致柴油機(jī)不能正常工作。出現(xiàn)這些問題的根本原因是設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)未充分考慮高原環(huán)境對柴油機(jī)熱平衡性能的影響，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的高原環(huán)境適應(yīng)性差，柴油機(jī)的熱平衡性能不能滿足高原地區(qū)的使用要求。

3 柴油機(jī)高原性能提升技術(shù)措施

為了全面提升柴油機(jī)的高原性能，恢復(fù)柴油機(jī)的功率，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、起動(dòng)性能和熱平衡性能，降低柴油機(jī)的排放，可以采用高原增壓技術(shù)、供油系統(tǒng)調(diào)整及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、低氣壓低溫起動(dòng)技術(shù)、熱平衡控制技術(shù)和電控柴油機(jī)高原標(biāo)定技術(shù)。

3.1 高原增壓技術(shù)

增壓技術(shù)是柴油機(jī)在高原地區(qū)進(jìn)行功率恢復(fù)、性能提升最有效的技術(shù)措施［9］。柴油機(jī)匹配渦輪增壓器后，可以提高柴油機(jī)的進(jìn)氣密度、增大進(jìn)氣量，改善燃燒過程，提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。但是，目前柴油機(jī)大多針對固定的海拔高度進(jìn)行增壓匹配，當(dāng)柴油機(jī)工作海拔發(fā)生變化時(shí)，柴油機(jī)與增壓器的匹配性能發(fā)生變化，性能會(huì)發(fā)生急劇下降［10］。同時(shí)，渦輪增壓器在高原運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)超溫和超速現(xiàn)象，影響了渦輪增壓器的正常使用。

目前，國際上最先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)主要有可變截面渦輪增壓技術(shù)、二級增壓技術(shù)和高增壓技術(shù)［11］。這3種增壓技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，將可變截面渦輪增壓技術(shù)與二級增壓技術(shù)結(jié)合在一起使用，即采用可調(diào)二級增壓技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)增壓比的可調(diào)，具有瞬態(tài)響應(yīng)特性好的特點(diǎn)，滿足柴油機(jī)在不同海拔高原地區(qū)及運(yùn)行工況下的增壓需求。因此，從增壓技術(shù)先進(jìn)性和變海拔適應(yīng)性來看，可調(diào)二級增壓技術(shù)是未來高原車輛柴油機(jī)首選的增壓技術(shù)。

3.2 供油系統(tǒng)調(diào)整及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

調(diào)整柴油機(jī)供油系統(tǒng)參數(shù)，如供油提前角、循環(huán)噴油量、噴油壓力等，可以解決柴油機(jī)高原功率恢復(fù)問題。但是這種方法會(huì)增大燃油消耗量，降低柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，供油系統(tǒng)調(diào)整一般僅作為一種輔助手段使用。

柴油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括：①排氣管優(yōu)化，對排氣管的長度、截面積等進(jìn)行優(yōu)化，提高廢氣能量的利用，進(jìn)而提高增壓器效率；②燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高壓縮比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高原燃燒優(yōu)化；③燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對高壓油泵和噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化噴油參數(shù)、提高燃油霧化質(zhì)量，改善燃燒過程［9］。

3.3 低氣壓低溫起動(dòng)技術(shù)

目前，我國高原地區(qū)使用的柴油機(jī)幾乎都裝備有冷起動(dòng)輔助措施（加注啟動(dòng)液、電熱塞、進(jìn)氣預(yù)熱裝置等），但行之有效的柴油機(jī)低氣壓低溫起動(dòng)措施還很少。傳統(tǒng)的柴油機(jī)冷起動(dòng)輔助措施均不能使柴油機(jī)在高原極端環(huán)境條件（5500m、－41℃）下順利起動(dòng)。

近幾年，液體循環(huán)加熱裝置（如燃油加熱器）、蓄電池保溫裝置、膠體蓄電池、蓄電池并聯(lián)超級電容等柴油機(jī)冷起動(dòng)輔助裝置及新型起動(dòng)電源得到了廣泛應(yīng)用［7－8］。將燃油加熱器作為柴油機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)，通過加熱循環(huán)冷卻液來提高柴油機(jī)機(jī)體、機(jī)油、燃油或蓄電池的溫度，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在熱機(jī)狀態(tài)下的起動(dòng)。同時(shí)，將蓄電池保溫裝置、膠體蓄電池或蓄電池并聯(lián)超級電容作為起動(dòng)電源，可以徹底解決普通蓄電池的高原適應(yīng)性問題。采用燃油加熱器與新型起動(dòng)電源相結(jié)合的組合式柴油機(jī)冷起動(dòng)輔助措施，既提高了柴油機(jī)的起動(dòng)能力，又不降低柴油機(jī)的可靠性和耐久性，能夠徹底解決高原寒區(qū)柴油機(jī)的冷起動(dòng)問題。

3.4 熱平衡控制技術(shù)

傳統(tǒng)的柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)采用蠟式節(jié)溫器、機(jī)械驅(qū)動(dòng)冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇，無法按柴油機(jī)的冷卻需求調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流速和流量，難以使柴油機(jī)在最佳的溫度下工作，甚至導(dǎo)致柴油機(jī)出現(xiàn)熱平衡問題。

柴油機(jī)熱平衡控制技術(shù)也稱為柴油機(jī)熱管理技術(shù)，是解決柴油機(jī)高原熱平衡問題的有效措施［12］。柴油機(jī)熱平衡控制技術(shù)通過采用電控節(jié)溫器、電控風(fēng)扇、電控水泵，可以根據(jù)環(huán)境條件（氣壓和環(huán)境溫度）、運(yùn)行工況及冷卻液的溫度來動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水泵流量、節(jié)溫器的開啟等，進(jìn)而控制柴油機(jī)的冷卻量，最終實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的電控化和智能化，解決柴油機(jī)在高原地區(qū)的熱平衡問題，保證柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)不過熱、不“開鍋”，提高柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的高原環(huán)境適應(yīng)能力。

3.5 優(yōu)化標(biāo)定技術(shù)

隨著能源危機(jī)及排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，電子控制技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。為了最大限度地滿足柴油機(jī)在高原運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、起動(dòng)性能和排放性能等要求，必須對電控柴油機(jī)進(jìn)行精確的匹配標(biāo)定，以確定各控制參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)（噴油量、噴油定時(shí)、噴油壓力、噴油速率等）的最優(yōu)值。電控柴油機(jī)的標(biāo)定已經(jīng)成為柴油機(jī)開發(fā)和整車匹配中不可缺少的重要環(huán)節(jié)［13］。

通過電控柴油機(jī)高原優(yōu)化標(biāo)定，可以大大地改善柴油機(jī)的高原使用性能，提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，改善柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能和排放性能，使柴油機(jī)獲得很寬的海拔高度使用范圍，提升柴油機(jī)的高原適應(yīng)能力。

4 結(jié)語

通過不同排量及類型的車用柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)，研究分析了海拔高度對柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和冷起動(dòng)等性能的影響。試驗(yàn)表明：低氣壓和低溫是影響柴油機(jī)高原性能的主要環(huán)境因素；當(dāng)海拔高度超過3000m時(shí)，柴油機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均明顯下降；柴油機(jī)高原性能的下降是導(dǎo)致車輛裝備性能下降的主要原因。在提升車用柴油機(jī)高原性能的關(guān)鍵技術(shù)中，高原增壓技術(shù)、供油系統(tǒng)調(diào)整及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、低氣壓低溫起動(dòng)技術(shù)、熱平衡控制技術(shù)、電控柴油機(jī)高原標(biāo)定技術(shù)是車用柴油機(jī)高原動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、起動(dòng)性、熱平衡等綜合性能提升的關(guān)鍵技術(shù)。

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