輕型渦輪增壓柴油機高海拔性能試驗

劉瑞林，周 磊，劉 楠，周廣猛，張眾杰，張文建

(1.軍事交通學院軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161;3.海軍工程大學動力工程學院，武漢430033)

我國高原地區占地面積廣，具有大氣壓力低、空氣含氧量少、晝夜溫差大、平均氣溫低等特點，軍用車輛柴油機在使用過程中會出現動力性下降、經濟性變差、啟動困難、冷卻系統散熱效率低、排放惡化等問題［1－7］。

研究高海拔地區大氣條件對柴油機性能的影響，是開展軍用車輛高原環境適應性研究的基礎和前提，為改善柴油機燃燒過程、降低燃油消耗和排放污染以及開發設計適合高原地區使用的高原型柴油機提供參考依據［8－11］。該研究對于我軍發展新一代適用高原戰場環境的機動平臺、改進現役車型的高原環境適應性、提高車輛裝備高原戰場環境條件下的機動作戰和保障能力具有重要意義。

本文利用自行研制的內燃機高海拔(低氣壓)模擬試驗臺［12－13］，對某渦輪增壓柴油機在0～5 000 m不同海拔高度時的動力性和經濟性進行試驗研究，分析海拔高度對柴油機性能的影響，得出柴油機動力性、經濟性隨海拔的變化規律。

1 試驗裝置及方法

試驗在內燃機高海拔(低氣壓)模擬試驗臺上進行。該模擬試驗臺主要由測功機、控制系統、進排氣模擬系統，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℃ ～常溫范圍內的大氣壓力和溫度。該試驗利用進氣節流、真空泵排氣抽真空的方式實現內燃機進排氣不同海拔大氣壓力的模擬，利用自動控制系統實現進排氣壓力的調節。試驗用柴油機主要技術參數見表1。

表1 柴油機主要技術參數

渦輪增壓柴油機性能模擬試驗選擇最高模擬海拔5 000 m，同時選擇0、1 000、2 000、3 000、4 000 m其他5個不同海拔，可基本覆蓋我國絕大部分公路海拔高度。模擬試驗研究渦輪增壓柴油機全負荷速度特性，并分別研究1 500 r/min和2 700 r/min轉速下的部分負荷特性。試驗中測量進氣流量、轉矩、燃油消耗量、排氣溫度等參數。

2 試驗結果與分析

2.1 高海拔對柴油機動力性的影響

隨著海拔升高，大氣壓力下降，空氣密度降低，柴油機進氣量減少，導致燃燒過程惡化，直接影響柴油機的動力性能。圖1為不同海拔渦輪增壓柴油機全負荷速度特性曲線。

圖1 柴油機不同海拔全負荷速度特性曲線

可以看出，隨著海拔升高，柴油機的轉矩和功率均下降，且具有以下特點。

(1)柴油機最大轉矩、額定功率隨海拔升高而下降。海拔5 000 m與0 m相比，最大轉矩降低13.0%，額定功率降低18.1%。

海拔高度的變化對柴油機的動力性影響較大，主要是因為:隨著海拔升高，大氣壓力降低，增壓壓力降低，導致進氣量減少(如圖2所示);同時，為了防止渦輪在高原超溫、超速，需要減小循環噴油量，進氣量和循環噴油量的同時降低也導致柴油機動力性明顯下降。

圖2 不同海拔進氣流量隨轉速變化關系

(2)不同轉速下柴油機功率與轉矩隨海拔高度不同下降幅度不同。當轉速為1 000 r/min時，海拔5 000 m相對于海拔0 m功率和轉矩下降32.6%;當轉速為2 700 r/min時，海拔5 000 m相對于海拔0 m功率和轉矩下降18.1%。

海拔高度對渦輪增壓柴油機不同轉速動力性能的影響不同，主要是因為:隨著海拔升高，盡管大氣密度降低導致柴油機進氣量減少，但同時渦輪背壓也隨之降低，膨脹比增加，使渦輪增壓器做功能力相對提高，起到了空氣補償的作用。在高轉速時，渦輪增壓補償效果好，而在低轉速時，柴油機廢氣能量不足，渦輪增壓器工作能力迅速下降，因而柴油機動力性能下降迅速。

(3)柴油機最大轉矩隨海拔升高呈現不同的下降規律，最大轉矩對應轉速隨海拔升高逐漸向高速區移動(如圖3所示)。海拔低于2 000 m時，最大轉矩下降幅度較小，每升高1 000 m，最大轉矩平均下降2.5%;海拔超過2 000 m，最大轉矩呈線性下降，每升高1 000 m，最大轉矩平均下降4.8%。最大轉矩對應轉速由海拔0 m時的1 400 r/min升高到海拔5 000 m時的1 800 r/min。

圖3 最大轉矩、最低燃油消耗率及其對應轉速隨海拔變化關系

(4)柴油機轉矩適應性系數KT、轉速適應性系數Kn和發動機適應性系數φtqn隨海拔升高而下降。如圖4所示，海拔低于2 000 m時，各系數下降幅度較小，海拔每升高1 000 m，柴油機轉矩適應性系數平均下降0.2%，轉速適應性系數平均下降3.3%，發動機適應性系數平均下降3.5%;海拔超過2 000 m，各系數下降幅度增大，海拔每升高1 000 m，柴油機轉矩適應性系數平均下降2.1%，轉速適應性系數平均下降7.4%，發動機適應性系數平均下降9%。

圖4 柴油機適應性系數隨海拔變化關系

這是因為:隨著海拔的升高，柴油機外特性最大轉矩轉速隨海拔升高而向高轉速區偏移(如圖4所示)，導致Kn下降;海拔高度增加，柴油機最大輸出轉矩和標定轉速對應的轉矩同時減小(海拔5 000 m與平原相比，最大輸出轉矩平均下降18.1%，標定轉矩下降13.6%)，使柴油機轉矩適應性系數KT下降幅度較小;KT與Kn隨海拔的升高下降導致φtqn下降幅度顯著。

2.2 高海拔對柴油機經濟性的影響

(1)在全負荷速度特性中，柴油機燃油消耗率隨海拔升高而增加(如圖1所示)，在低轉速區增加幅度明顯，平均增加幅度達到17%左右;海拔越高，柴油機經濟工作區越窄;同時，達到最低燃油消耗率時的轉速隨海拔的升高向高轉速區移動，由平原的1 600 r/min升高到海拔5 000 m的2 200 r/min。海拔5 000 m與0 m相比，最低燃油消耗率增加10.8%。

(2)圖5(a)為最大轉矩轉速(1 500 r/min)時柴油機不同海拔的負荷特性曲線。可以看出，柴油機排氣溫度、燃油消耗量以及燃油消耗率隨海拔升高而增加，在高負荷區較低負荷增加幅度明顯;同時，柴油機經濟工作區隨海拔的升高而變窄，4 000 m海拔與0 m海拔相比，最低燃油消耗率增加7.1%，排氣溫度平均升高約6.0% ～11.0%。

圖5(b)為額定轉速(2 700 r/min)的負荷特性曲線。可以看出，柴油機燃油消耗量、燃油消耗率隨海拔升高而增加，海拔4 000 m與0 m相比，最低燃油消耗率增加11.8%。

海拔高度的變化對柴油機的經濟性影響明顯，這是因為: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，必然導致柴油機燃燒過程惡化，有效熱效率下降，故燃油消耗率隨海拔的升高而增加。

圖5 柴油機不同海拔負荷特性曲線

3 結論

(1)隨著海拔升高，柴油機的動力性和經濟性逐漸下降，且低速區動力性和經濟性下降幅度大于高速區。海拔5 000 m與海拔0 m相比，最大轉矩、額定功率分別降低13.0%、18.1%，最低燃油消耗率增加10.8%;低速(1 000 r/min)時，轉矩和功率下降32.6%，燃油消耗率增加29.8%，高速(2 700 r/min)時，轉矩和功率下降18.1%，燃油消耗率增加8.9%。

(2)柴油機最大轉矩隨海拔升高呈現不同的下降規律，最大轉矩對應轉速隨海拔升高逐漸向高速區移動。海拔低于2 000 m時，最大轉矩下降幅度較小，海拔每升高1 000 m，最大轉矩平均下降2.5%;海拔超過2 000 m，最大轉矩呈線性下降，海拔每升高1 000 m，最大轉矩平均下降4.8%。最大轉矩對應轉速由海拔0 m時的1 400 r/min升高到海拔5 000 m時的1 800 r/min。

(3)柴油機轉矩適應性系數、轉速適應性系數和發動機適應性系數隨海拔升高而下降，且呈現不同的變化規律。海拔低于2000 m時，各系數下降幅度較小，海拔每升高1 000 m，柴油機轉矩適應性系數平均下降0.2%，轉速適應性系數平均下降3.3%，發動機適應性系數平均下降3.5%;海拔超過2 000 m，各系數下降幅度增大，海拔每升高1000 m，柴油機轉矩適應性系數平均下降2.1%，轉速適應性系數平均下降7.4%，發動機適應性系數平均下降9%。

(4)最低燃油消耗率對應的轉速隨海拔升高逐漸向高轉速區移動，由海拔0 m的1 600 r/min升高到海拔5 000 m的2 200 r/min。隨海拔升高，柴油機經濟工作區逐漸變窄。

［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.

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［13］ 劉瑞林，內燃機特性低壓模擬試驗臺:中國，ZL02104207.1［P］.2012-09-26.