高海拔（低氣壓）對柴油機及增壓系統性能的影響及機理分析

劉大川 張眾杰 馬家明 陸辰起 劉瑞林

摘 要：綜述了高海拔（低氣壓）對柴油機及增壓系統性能的影響，從高海拔對整機性能和缸內燃燒影響，對增壓器匹配特性影響以及對柴油機響應特性影響三個方面進行了國內外研究現狀總結與分析，為進一步提升柴油機高海拔性能改善提供了理論依據。

關鍵詞：高海拔；柴油機；燃燒；匹配特性；響應特性

0 引言

柴油機在高原使用時會出現動力下降、油耗增加、起動困難、熱負荷增大、壓氣機喘振傾向增加和渦輪超溫超速等問題[1]，據統計[2]，海拔每升高1000m柴油機動力性下降4.0%～13.0%、經濟性下降2.7%～12.9%，HC、CO和煙度排放量增加30%、35%和34%。

1 高海拔（低氣壓）對整機性能和缸內燃燒影響

高海拔（低氣壓）對柴油機的影響過程如圖1所示。對于指定的柴油機，功率和轉矩是由平均有效壓力唯一決定，指示熱效率 和過量空氣系數 、燃燒放熱規律參數有直接關系[3]。機械效率 受泵氣損失影響。泵氣功和進排氣壓差呈線性關系[4]。高海拔下進氣密度和溫度降低，發動機壓縮沖程上止點時的缸內狀態與平原不同。

1989年李照東[5]研究發現：在等負荷工況下，由于柴油機高原燃燒壓縮過程壓力下降，供油提前角不變時，柴油機高原工作時滯燃期增加，燃燒始點后移，預混合燃燒所占的比例增大，擴散燃燒比例減小，燃燒開始后壓力、溫度上升得很快，繼續噴入燃料的滯燃期縮短，擴散燃燒的溫度水平提高，擴散燃燒速度增加，燃燒持續期縮短。申立中[6]對自然吸氣柴油機的研究結果也進一步驗證了上述結論，但對渦輪增壓柴油機在等負荷工況下的研究結果表明：柴油機的滯燃期、缸內最高燃燒壓力及其對應的曲軸轉角均變化不大，但后燃仍然明顯增加，排溫升高。

John A[7]對渦輪增壓柴油機在等負荷工況進行研究進一步得出：隨海拔的增加，渦輪增壓柴油機的機械效率基本保持不變，在高海拔下，缸內混合氣體？損失增加，而且在壓縮沖程中更加明顯；擴散燃燒時？損失增大，排氣能量品質降低。相比較而言，在等過量空氣系數工況，環境壓力的變化對渦輪增壓柴油機燃燒過程的影響更為顯著，隨著環境壓力的降低，增壓和增壓中冷柴油機缸內燃燒不充分，指示熱效率減小，缸內燃燒過程壓力曲線明顯降低，最高燃燒壓力下降。王欣等[8]針對不同海拔進行了燃燒與排放試驗，結果表明，隨海拔高度增加，柴油機熱效率降低，排放增加。裝甲兵工程學院王憲成等[9]利用柴油機燃燒過程實車測試系統，分別在4500m和500m海拔地區進行了原位空載條件下某大功率柴油機的燃燒過程試驗，試驗結果表明：在高原下最高燃燒壓力下降，對應的相位滯后，燃燒效率降低13.6%～20%；指示效率下降17.5%～20.5%以上。

2 高海拔（低雷諾數）對增壓器匹配特性影響

隨海拔高度增加，空氣密度迅速減小，雷諾數（Re）也隨之減小。在海拔高度3500m時壓氣機進口壓力降至60kPa，工作輪進口Re為0.66×105，Re不在自動模化區內，說明氣流粘性力明顯增加，壓氣機流道內的附面層增厚，流動阻力增大，將對壓氣機特性產生不可忽略的影響。在轉速一定而流量變化時，氣流以更大沖角進入葉輪進口和擴壓器進口，更易引起流道中附面層脫離，使流阻損失急劇上升[10]。同時，相對馬赫數（Ma）升高，內部流動狀態表現為跨聲速流動，激波、附面層干擾、二次流等復雜非定常流動現象導致高海拔壓氣機內部流動分離加劇，流量范圍變窄，等熵效率降低，喘振傾向增加[11]。

離心式壓氣機特性隨海拔高度的變化，主要是由Re變化引起的。李書奇[12]分析比較了高原環境下壓氣機三種通用特性變化規律。吳剛[13]采用理論分析和數值模擬的方法，研究了高原進口條件（進氣溫度、進氣壓力）及低雷諾數對于壓氣機的性能影響，得到了高原條件下壓氣機通用特性的變化規律。結果表明，高原壓氣機進口壓力下降是Re下降的主要原因。徐斌[14]分析了海拔高度的增加壓氣機處于非自模區的流量界限，隨著海拔的增加，壓氣機進口臨界流量降低。同時，采用相似模型理論推導出高原渦輪增壓器效率修正公式。

海拔增壓，缸內后燃嚴重，排氣溫度升高，渦輪背壓降低，渦輪膨脹比增大，渦輪進入跨聲速區，可能引起渦輪機葉輪進口產生局部超音速流，引起流道“阻塞”，增加波阻損失[15]。

目前，還沒有研究機構針對高海拔下二級可調增壓系統高、低壓級特性參數進行相關研究，英國巴斯大學Calogero Avola et al[16]等人采用數學方法分析了不同進氣參數下，二級可調增壓系統高、低壓級特性曲線變化規律，并將高低壓級非穩態流動和增壓系統傳熱兩個因素考慮為影響增壓系統特性的原因，并最終將高、低壓級壓氣機MAP等等效為一個壓氣機MAP。北京理工大學何義團[17]研究了平原環境下高壓級壓氣機進口條件對高壓級壓氣機特性的影響，經過雷諾數計算表明，二級增壓系統中高壓級空氣流動已經處于雷諾數自模區，可以將高壓級實際測量參數按照Ma相似準則轉化為標準狀態下的折合參數。

3 高海拔（低氣壓）對柴油機響應特性影響

在高原地區，隨著大氣壓力降低，柴油機在起動、加載、加速等瞬態工況下，出現增壓壓力響應滯后、轉矩突降、壓氣機喘振和倒流[18]，進氣量減少與渦輪遲滯現象共同造成瞬態過程中空燃比下降，燃燒過程惡化，燃油消耗量和煙度峰值增加[19]等問題。錢躍華[20]研究不同海拔下順序增壓系統瞬態過程表明：隨著大氣壓力降低，進氣量減少，燃燒惡化，排氣溫度升高、渦輪功率增大，使增壓器穩定工作的壓比和轉速均提高，兩個增壓器在瞬態過程中加速、減速至兩增壓器增壓壓力相同所需時間延長。

在高海拔下，柴油機瞬態過程是機械-熱量-流動動態過程，噴油量的增加能夠即時響應操作者的意圖，但缸內新鮮空氣增加到最終穩定值卻要克服排氣能量傳遞、渦輪增壓器轉動慣量以及進氣管壓力建立等多種慣性因素[21]。與低海拔相比，高原柴油機加速、加載瞬態工況達到相應的增壓壓力對應的渦輪轉速更大，建立增壓壓力時間更長。其次從燃燒角度分析，增壓壓力和空氣質量流量上升的速率低于循環油量的上升速率，供氣滯后的現象導致過量空氣系數變小，缸內燃燒邊界變化[22]。吉林大學和陸軍軍事交通學院研究表明：在低轉速時，由于發動機受海拔高度升高的影響較大，因而扭矩會減小；在高速區域扭矩影響比較小。綜合的影響導致扭矩特性隨海拔高度的升高而變差，低轉速扭矩減小，因而低速加速性能降低，適應性系數變小[23]。

通過以上分析，在高海拔條件下，提高進氣壓力的響應速度是改善柴油機的瞬態響應特性唯一辦法，而減少渦輪遲滯現象是提高進氣壓力響應速度的主要辦法，通過減少渦輪轉動慣量，提高排氣流量有助于提高渦輪響應特性。

4 全文總結

本文從內燃機原理角度，分析了高海拔（低氣壓）柴油機及增壓系統的影響規律。包括高海拔（低氣壓、低雷諾數）對整機性能、柴油機燃燒過程、增壓匹配性能和柴油機的瞬態響應特性幾個方面，為高海拔柴油機性能改善提供了理論依據。

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作者簡介：

劉大川（1994-），漢，男，河北石家莊，碩士研究生，研究方向：柴油機增壓控制

通訊作者：

劉瑞林（1963-），漢，男，山東青島，博士后，教授，研究方向：內燃機高原環境適應性.