高原地區車輛柴油機使用狀況實車測試分析

何 星， 王憲成， 李若亭， 孫志新， 李 奇

(裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

高原地區特殊的氣候環境和路面狀況，對車輛柴油機的使用造成了嚴重影響，導致柴油機出現啟動困難、功率下降、燃油消耗量增加及熱負荷加劇等問題，使得車輛機動性顯著下降。目前，國內學者主要采用數值仿真與環境臺架模擬試驗相結合的方法開展柴油機高原地區環境影響分析及改進技術研究[1-4]。由于測試參數體系不全、實車不解體檢測困難，缺乏高原實車測試數據等，無法全面分析及評價高原地區車輛柴油機的實際使用狀況。因此，針對某重型車輛柴油機高原地區使用現況，筆者立足于柴油機及其輔助系統結構和實車不解體測試原則，采用模塊化思想設計出車了載監測系統，結合高原地區車輛實際訓練任務剖面，對柴油機及其輔助系統的運行狀態參數進行實車檢測，以此掌握車輛柴油機技術狀況變化規律和柴油機使用工況特點，為車輛柴油機高原環境影響分析及使用規范制定提供技術手段。

1 高原環境對柴油機影響分析

1.1 柴油機進氣量減少

高原地區大氣壓力低，空氣密度小，柴油機進氣量少，造成缸內燃氣燃燒不充分，燃燒持續時間長，后燃嚴重，經常出現“冒黑煙”現象，使得冷卻液和潤滑油溫度偏高，柴油機的動力性和經濟性降低明顯，排放惡化。

1.2 冷卻液沸點降低

隨著大氣壓力不斷降低，在膨脹水箱的蒸汽活門開啟壓力不變的情況下，大氣壓力的降低導致冷卻系壓力降低，冷卻液沸點降低，車輛在高原地區行駛過程中，冷卻系統極易出現“開鍋”的現象，導致車輛無法長時間持續工作而需及時停車降溫，車輛機動性及可靠性降低。

1.3 冷卻空氣質量流量降低

車輛在高原地區行駛，空氣的體積流量與風扇的轉速成正比，由于高原大氣密度的減小使得冷卻空氣質量流量下降，導致水散熱器與空氣間的對流換熱減少，柴油機本體及冷卻系統熱負荷加劇。

2 車載監測系統設計

2.1 測試參數體系建立

車輛柴油機技術狀況車載監測系統，主要用于在車輛行駛過程中對柴油機使用工況和輔助系統技術狀況參數進行測試。由于實車技術狀況測試參數眾多，為避免眾多傳感器與主機之間連接線的錯綜復雜，提高測試系統的抗干擾能力，在此采用模塊化的設計思想，根據測試參數性質及其相應傳感器安裝的位置[5-6]，將測試參數體系分成數個小測試單元，在每個單元內，對傳感器信號進行整理、濾波及A/D轉換后，通過通訊總線將數據傳輸至主機顯示并存儲，監測系統參數體系如圖1所示。

圖1 車載監測參數體系

2.2 車載監測系統結構

車載監測系統由主機、4個測試單元、傳感器及連接線等組成，測試單元為油品單元、駕駛艙單元和2個動力艙單元，監測中不需要人員操作并可實時記錄數據。主機是車載監測系統的核心，負責所有數據的收集、顯示、整理和存儲，由嵌入式主板、觸摸屏、固態硬盤、電源模塊、連接線及殼體組成。通過模擬實車輸出電壓信號對車載監測系統進行了標定，誤差小于1%，主要傳感器型號、測點及量程如表1所示，實車安裝位置如圖2所示。

表1 實車測試參數及傳感器

圖2 監測系統及在實車上的安裝

2.3 系統軟件設計

車載監測系統應用程序設計分為3個主要功能模塊，即系統自檢、狀態監測和數據處理模塊。系統自檢模塊主要負責在程序啟動時，檢查系統軟硬件自身狀態，并提示故障；狀態監測模塊主要負責在車輛工作時，通過數據采集卡等硬件設備實時監測動力裝置相關參數，將其狀態監測信息顯示在屏幕上；狀態數據處理模塊主要完成數據的采集、計算、存儲以及與信息平臺的信息交互。

主機首先對系統進行初始化，然后進行自檢，主要判斷各模塊單元中傳感器的安裝是否正確，并標記出現錯誤的通道及其相對應的檢測項目，再判斷轉速是否大于500 r/min，若條件成立，則進入狀態監測階段，主機循環與各單元模塊進行通訊，讀取各模塊采集到的數據，并顯示、存儲。

3 高原實車測試結果與分析

3.1 試驗條件及要求

采用車載監測系統開展高原地區車輛柴油機原地空轉試驗和車輛行駛試驗，試驗場地大氣壓力為58.92 kPa，大氣溫度為25.3 ℃，選取的車輛、場地及駕駛員具體情況如下：

1) 參試車輛技術狀況良好，各儀表指示正常，柴油、潤滑油及冷卻液等符合要求，試驗場地為西藏某地區，平均海拔高度為4 500 m，路面均為土路，坡度變化緩慢，利于車輛通行；

2) 車輛行駛跑道為橢圓形，全長約3 km，跑道內有土嶺、連續彎道、限制路、上下坡以及平直路段；

3) 由5名駕駛員開展車輛行駛試驗，通過車載監測系統對柴油機技術狀況參數進行實車采集，采樣頻率為5 Hz；

4)要求駕駛員在行駛過程中合理使用擋位，確保柴油機水溫、油溫在70～90 ℃之間，油壓不能達到報警值，否則應停車檢查調整。

3.2 測試數據分析

3.2.1 原地空轉測試數據分析

按要求啟動柴油機后(水溫≥50 ℃，油溫≥50 ℃)，穩定柴油機轉速為600 r/min，保持變速箱擋位為空擋，每增加200 r/min進行一組測試，每組測試時間為1 min，直到額定轉速2 000 r/min，測試結果如圖3所示。

圖3 柴油機原地空轉測試數據

由圖3可知：柴油機轉速從600 r/min增加到2 000 r/min的過程中，燃油消耗量不斷升高，最大值為34.19 kg/h，相比平原地區增加了45.6%，柴油機經濟性差；水溫和油溫變化不大，分別穩定在57 ℃和66 ℃左右；油壓呈現出先增加后減少的變化規律，最大值為0.69 MPa，相比平原地區下降了30%，最小值為0.47 MPa，相比平原地區下降了20%，柴油機油壓偏低；渦前溫度不斷增加，最高為199.33 ℃；壓氣機前壓力則不斷降低，最小值為56.33 kPa；壓氣機后壓力和增壓壓比不斷增加，最大值分別為61.89 kPa和1.10，當轉速低于1 400 r/min時，由于低轉速負荷小及高原進氣量少的原因，導致壓比小于1，渦輪增壓器的增壓效果差。

3.2.2 行駛過程測試數據分析

根據道路駕駛要求，駕駛員依地形、車況合理駕駛車輛并應在一定時間限制內完成，確保車輛良好機動性能的發揮。其測試結果如圖4所示。

在圖4(a)中，車輛行駛過程中平均速度為12.06 km/h，行駛時間為14.91 min。前6 min主要行駛緩上坡路面，部分路面具有大小不同的坑洼，車速、轉速和燃油消耗量變化劇烈，轉速主要位于1 000～2 000 r/min，車速分布在10～20 km/h之間，燃油消耗量為10～70 kg/h；在第6～10 min，車輛行駛在下坡路面，車速、轉速和燃油消耗量相對較高，最高車速為38.6 km/h，燃油消耗為87.6 kg/h，轉速為1 900 r/min；第10 min之后車輛主要行駛在土嶺、連續彎道、限制路等路段，車速、轉速和燃油消耗量較小，車速分布于0～6 km/h，轉速保持在1 000 r/min，燃油消耗量為10～25 kg/h。

圖4 行駛過程測試數據

在圖4(b)中，水溫、油溫隨著時間呈現出先增加后減小的趨勢，水溫保持在70～93 ℃，油溫分布于78～92 ℃，符合車輛使用要求。油壓隨發動機轉速的變化而不斷變化，總體處于較低水平，且隨著油溫的升高，油壓不斷降低，前5 min主要分布在0.5～0.59 MPa，之后隨著油溫的升高下降明顯，位于0.42～0.53 MPa之間，平均油壓為0.49 MPa，不能滿足車輛柴油機的正常行駛的要求(0.6～1.0 MPa)，造成柴油機各摩擦副潤滑不良、熱負荷加劇。

在圖4(c)中，進排氣系統中空濾后壓力、壓氣機前壓力、壓氣機后壓力和渦前壓力隨車輛運行而處于波動狀態中，隨著車輛使用工況(轉速、燃油消耗量)強度的增加，空濾后壓力和壓氣機前壓力不斷減小，主要分布在56.3～58.4 kPa和53.9～58.3 kPa之間，而壓氣機后壓力和渦前壓力則不斷升高，分布于56～89.1 kPa和60～89.8 kPa之間。通過計算得出空氣濾清器阻力分布于0.76～2.68 kPa之間，增壓器壓比位于0.97～1.65之間，第10 min后車輛在小負荷工況下，廢氣渦輪增壓器增壓作用不明顯，反而阻礙柴油機的進氣流動。

在圖4(d)中，進排氣系統中壓前溫度、壓后溫度、動力艙溫度、渦前溫度和渦后壁面溫度隨著車輛使用工況強度增加而升高，其中動力艙溫度、壓后溫度和渦前溫度變化比較明顯，各參數值分別位于26.9～32.2 ℃、33.8～52.2 ℃和149～639.5 ℃之間，而壓后溫度和渦后壁面溫度變化較緩慢，主要分布于22.5～26.3 ℃和151.3～233.8 ℃。

3.2.3 車輛柴油機使用狀態參數統計分析

車輛柴油機使用狀態參數是指在儀表盤上顯示且能夠反映出當前車輛柴油機運行狀態的指標，一般包括：柴油機轉速、水溫、油溫、油壓、燃油消耗量等。通過對5組測試數據的統計，車輛柴油機使用狀態參數的平均值分別為：水溫81.78 ℃，油溫83.60 ℃，油壓0.49 MPa，柴油機轉速1 568.87 r/min，燃油消耗量48.46 kg/h。車輛行駛過程中柴油機水溫和油溫，符合正常行駛要求，平均油壓低于0.5 MPa，油壓偏低，其主要是由于高原地區柴油機曲軸箱內平均壓力低，潤滑系內容易出現機油泡沫且機油泵進口壓力低，導致機油泵出口油壓偏低，影響柴油機的正常使用。柴油機轉速平均值低于平原地區，而平均燃油消耗量相比平原地區則更高。

在實車測試中，柴油機使用工況(轉速、燃油消耗量)不斷變化，為便于測試數據統計及工況分布分析，將轉速按200 r/min、燃油消耗量按外特性的10%進行工作區域劃分，使用工況平均分布如圖5所示。

圖5 使用工況平均分布圖

由圖5可知：車輛行駛過程中柴油機轉速分布很少低于800 r/min，比例低于2%，燃油消耗量分布高于81.84 kg/h(60%外特性)的比例低于4.7%。柴油機轉速主要分布在1 200～2 000 r/min之間，占80.13%，燃油消耗量集中于27.28(20%外特性)～81.84 kg/h，占73.78%，柴油機使用工況點主要分布于中、高轉速和中、低燃油消耗量的工作區域，其中轉速1 800～2 000 r/min和燃油消耗量68.2(50%外特性)～81.84 kg/h工作區域內使用工況點數量最多，為11.97%。

4 結論

為改善高原地區車輛柴油機進氣不足、排氣溫度高、油壓偏低和燃油消耗量高等使用狀況，可針對高原用的車輛柴油機供油系統、燃燒系統、潤滑系統、進排氣系統及冷卻系統整體或關鍵部件開展改進性研究，提高柴油機高原環境適應能力。

參考文獻：

[1] 靳嶸,張俊躍,胡力峰,等. 高原自適應柴油機渦輪增壓技術研究[J].內燃機工程,2011,32(8):27-31.

[2] 施新,李文祥.匹配二級順序增壓系統的柴油機高原特性仿真[J].兵工學報,2011,32(4):397-402.

[3] 王憲成,郭猛超,張晶,等. 高原環境重型車用柴油機熱負荷性能分析[J].內燃機工程,2012,33(1):49-53.

[4] 李華雷,石磊,鄧康耀,等.D6114柴油機高海拔功率恢復計算研究[J].車用發動機,2013,207(4):29-35.

[5] 麻偉忠,黃志瑛.某型裝甲車動態信息檢測記錄儀[J].測控技術,2003(1):12-14.

[6] 王憲成,張根良,和穆,等.車用柴油機技術狀態數據實時采集系統設計[J].車用發動機,2011(4):23-26.