CA6DL 電控柴油機不同海拔性能模擬試驗

張眾杰，董素榮，周廣猛，許 翔，林春城，劉瑞林

(1.軍事交通學院 學員旅，天津300161;2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161;3.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161)

高原地區大氣壓力低，空氣中含氧量少，晝夜 溫差大，平均氣溫低，紫外線輻射強，風沙大。在這種環境下行駛的汽車，其柴油機功率下降，燃油消耗率增加，啟動性能變差，冷卻系統散熱能力下降，碳煙排放增大［1-4］。目前，對于自然吸氣和渦輪增壓柴油機的高海拔性能研究較多［5-9，12］，但對于電控柴油機在高海拔(低氣壓)條件下的性能模擬試驗研究鮮有報道。隨著現代工業和交通運輸業的飛速發展，電控共軌技術已經成為柴油機發展的重要方向。因此，開展電控柴油機高海拔性能模擬試驗，對改善柴油車高原適應性，提高其高原運輸能力，具有重要意義。鑒于此，本文在自行研制的內燃機高原環境性能模擬試驗臺［1，5］上，進行了0 ～5 500 m不同海拔CA6DL 電控柴油機的性能模擬試驗，以研究不同海拔對該電控柴油機進氣特性、動力性和經濟性的影響規律。

1 試驗裝置和方案

電控柴油機特性試驗在內燃機高原環境性能模擬試驗臺［5］上進行。該試驗臺主要由測功機、進排氣模擬裝置、控制系統，以及壓力、轉速、溫度、流量等傳感器組成;可以模擬海拔0 ～6 000 m、-45 ℃到常溫范圍內的大氣壓力和溫度;利用進氣節流、真空泵排氣抽真空實現對電控柴油機進排氣不同海拔大氣壓力的模擬，同時利用自動控制系統實現進排氣壓力的調節。試驗中，電控柴油機的主要技術參數見表1。

表1 CA6DL 電控柴油機主要技術參數

電控柴油機高原性能模擬試驗選擇0、3 000、5 500 m 等3 個不同海拔，基本覆蓋我國絕大部分公路。每個海拔下，進行全負荷速度特性試驗，以及1 300 r/min 和2 100 r/min 的負荷特性試驗。試驗中，測量進氣流量、增壓前后壓力、轉矩、燃油消耗量、排氣溫度等參數。

2 試驗結果與分析

2.1 高海拔(低氣壓)對電控柴油機進氣特性的影響

(1)不同海拔外特性試驗中，進氣流量隨發動機轉速的變化如圖1 所示。可以看出，隨著海拔的升高，大氣壓力下降，空氣密度降低，電控柴油機的進氣流量逐漸下降。中、高轉速區進氣流量下降幅度較大，低轉速區下降幅度較小。標定轉速(2 100 r/min)下，海拔5 500 m 時的進氣流量與海拔0 m 時相比下降了26.7%。進氣流量的下降使參加燃燒的實際空氣量減少、燃燒惡化，造成電控柴油機的動力性和經濟性下降。

(2)不同海拔外特性試驗中，進氣壓力隨發動機轉速的變化如圖2 所示。可以看出，相同轉速下，進氣壓力隨海拔升高而下降。在標定轉速下，海拔5 500 m時的進氣壓力與海拔0 m 時相比下降了33.3%。此外，隨著發動機轉速的升高，進氣壓力在低速區增加較快，在中、高轉速區(1 300 ～2 100 r/min)基本維持不變。

圖1 進氣流量隨海拔高度的變化

圖2 進氣壓力隨海拔高度的變化

2.2 高海拔(低氣壓)對電控柴油機動力性的影響

圖3 為不同海拔條件下電控柴油機全負荷速度特性曲線。可以看出，隨著海拔升高，電控柴油機動力性主要有以下2 個特點。

圖3 不同海拔電控柴油機全負荷速度特性曲線

(1)隨著海拔升高，電控柴油機的動力性下降明顯。海拔5 500 m 時的標定功率與海拔0 m 時相比，下降13.6%。

海拔高度變化對電控柴油機的動力性影響較大，主要因為:隨著海拔升高，大氣壓力降低，進氣壓力降低，導致進氣量減小;同時，為了防止渦輪在高原超溫、超速運轉［10］，需要減小循環噴油量，進氣量和循環噴油量的同時降低，導致電控柴油機的動力性明顯下降。

(2)相對高轉速區，海拔高度對電控柴油機低轉速區的動力性影響較大。在海拔5 500 m、轉速1 200 r/min以上時，電控柴油機的有效功率下降不超過20%;但在800 ～1 100 r/min 時，電控柴油機的有效功率下降42.1% ～62.4%。

這是因為，隨著海拔升高，大氣壓力降低，排氣背壓也隨之降低，增壓比增大(如圖4 所示)。在高轉速時，增壓比隨海拔升高增加較快，使渦輪增壓器做功能力相對提高，起到了一定的補償作用［11］;而在低轉速時(圖4 中用圓圈標志區域)，由于排溫隨著海拔升高不僅沒有增加反而降低(如圖5 所示)，造成電控柴油機廢氣能量不足，渦輪增壓器工作能力迅速下降，增壓比隨海拔升高而增加較小，因而電控柴油機的動力性下降迅速。

圖4 增壓比隨海拔高度的變化

圖5 排溫隨海拔高度的變化

2.3 高海拔(低氣壓)對電控柴油機經濟性的影響

(1)海拔高度的變化對電控柴油機低速區燃油消耗率的影響較大，對高速區的影響較小(如圖3 所示)。在低轉速時，燃油消耗率隨海拔升高急劇增加，在海拔5 500 m時的低轉速區，燃油消耗率增加13.5% ～18.6%;在高轉速區時，海拔高度變化對燃油消耗率的影響較小，增加值在6%以內。

這是因為，隨著海拔升高，大氣壓力下降，相對于高轉速區，電控柴油機的進氣量在低轉速時下降迅速，空燃比減小，混合氣變濃，電控柴油機的燃油消耗率下降明顯。

(2)電控柴油機燃油經濟區范圍隨海拔升高變得越來越窄。圖6、圖7 為不同海拔時電控柴油機負荷特性曲線。可以看出:海拔0 m 條件下，燃油消耗率曲線較為平坦，經濟性區域較寬;隨著海拔升高，在低轉速、大負荷工況下，進氣不足，燃油消耗率增加較大，燃油經濟區范圍隨海拔升高變得越來越窄。

可見，海拔高度變化對電控柴油機的經濟性影響明顯。這是由于，燃油消耗量基本保持不變，大氣壓力下降，空氣密度降低，進氣量減少，必然導致電控柴油機燃燒過程惡化，有效熱效率下降，所以燃油消耗率隨海拔的升高而增加。

圖6 柴油機(2 100 r/min)不同海拔負荷特性曲線

圖7 柴油機(1 300 r/min)不同海拔負荷特性曲線

3 結 論

(1)海拔高度變化對電控柴油機的進氣特性影響較大。海拔5 500 m 時，標定轉速(2 100 r/min)的進氣流量和進氣壓力與海拔0 m 時相比，分別下降了26.7%和33.3%。

(2)海拔高度變化對電控柴油機高轉速區的功率影響較小，對低轉速區的功率影響較大。海拔5 500 m、轉速1 200 r/min以上時，電控柴油機的有效功率下降不超過20%;但在轉速800 ～1 100 r/min時，電控柴油機的有效功率下降達42.1% ～62.4%。

(3)海拔高度變化對電控柴油機高轉速區的燃油消耗率影響較小。當海拔5 500 m、低轉速時，燃油消耗率增加13.5% ～18.6%;高轉速時，增加值小于6%。

［1］ 劉瑞林，劉宏威，秦德.渦輪增壓柴油機高海拔(低氣壓)性能試驗研究［J］.內燃機學報，2003，21(3):213-216.

［2］ Shen L Z. Dimensionless Analysis of the Properties of Diesel Engines at Different Atmospheric Pressures［C］// SAE Paper.Detroit，MI，USA，1995，952064.

［3］ Shen L Z. Combustion Process of Diesel Engine Sat Regions with Different Altitude［C］//SAE Paper. Detroit，MI，USA，1995，950857.

［4］ Human D M，Cullman T L，Baines T M. Simulation of high altitude effects on heavy-duty diesel emissions［C］//SAE Paper. Detroit，MI，USA，1990，900883.

［5］ 劉瑞林，周廣猛，許翔，等.SOFIM 電控共軌柴油機高海拔性能模擬［J］.燃燒科學與技術，2010，16(4):303-308.

［6］ 劉瑞林，周廣猛，李駿，等.高壓共軌柴油機高海拔全負荷標定［J］.燃燒科學與技術，2012，18(3):199-205.

［7］ 周廣猛，劉瑞林，董素榮，等. 高壓共軌柴油機高海拔(低氣壓)燃燒特性［J］.內燃機學報，2012，30(3):220-226.

［8］ 申立中，沈穎剛，畢玉華，等.不同海拔高度下自然吸氣和增壓柴油機的燃燒過程［J］. 內燃機學報，2002，20(1):49-52.

［9］ 劉瑞林，劉宏威.內燃機高海拔(低氣壓)模擬試驗臺研制［J］.軍事交通學院學報，2003，5(1):43-46.

［10］ 劉瑞林.柴油機高原環境適應性研究［M］. 北京:北京理工大學出版社，2013:97-98.

［11］ 周廣猛.高壓共軌柴油機高海拔標定和燃燒過程研究［D］.武漢:海軍工程大學，2012.

［12］ 周廣猛，劉瑞林，董素榮，等. 柴油機高原適應性研究綜述［J］.車用發動機，2013(4):1-5.