高原用增壓柴油機(jī)性能開發(fā)探究

東風(fēng)汽車股份有限公司工程車事業(yè)部 楊建偉

針對高原地區(qū)特殊環(huán)境，對增壓型柴油機(jī)在高原工作存在的問題進(jìn)行了闡述，并對在此環(huán)境中增壓型柴油機(jī)的性能變化進(jìn)行相關(guān)論述，指明了高原增壓柴油機(jī)性能開發(fā)的相關(guān)機(jī)理，開發(fā)匹配的增壓器是確保高原用柴油機(jī)能夠正常使用的行之有效的方法。

近年來，隨著我國西部大開發(fā)以及“一帶一路”國家級戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，給汽車交通運(yùn)輸、工程機(jī)械基建設(shè)備以及配套動力設(shè)施帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，高原用增壓柴油機(jī)越來越受到關(guān)注，市場前景看好。然而，由于我國西部高原地域面積廣闊，地形相對復(fù)雜，大部分地域海拔高度為2000～4500m，少數(shù)地區(qū)海拔高度達(dá)5000m以上，如青藏高原，它是我國也是世界上最具代表性的高原，對內(nèi)燃機(jī)環(huán)境技術(shù)應(yīng)用的影響具有一定的代表性。因而，高原用增壓柴油機(jī)的性能也成為中國柴油機(jī)市場上各廠家亟待解決的問題。

增壓柴油機(jī)在高原工作存在的問題

1.柴油機(jī)的動力性及經(jīng)濟(jì)性大幅下降

高原地區(qū)氣候環(huán)境的主要特點(diǎn)是：大氣壓力低，空氣稀薄，全年平均氣溫低，晝夜溫差大。增壓柴油機(jī)在高原地區(qū)使用時(shí)，隨著海拔高度的升高，大氣壓力和空氣密度相對下降（見表1），因而進(jìn)入氣缸的空氣量大幅度減少，然而由于噴入氣缸的燃油量變化不大，結(jié)果使氣缸內(nèi)空氣與燃油混合的比例即空燃比明顯失調(diào)，導(dǎo)致氧氣含量不足，燃油過濃，不能達(dá)到充分燃燒，使燃燒持續(xù)期延長，后燃嚴(yán)重，有效燃燒壓力下降，最終導(dǎo)致以下問題出現(xiàn)：

a. 動力性能下降，如果海拔高度不斷上升，柴油機(jī)相應(yīng)發(fā)出的功率和扭矩將持續(xù)較大幅度下降，特別是低速區(qū)扭矩下降更快；

b. 經(jīng)濟(jì)性也相應(yīng)下降，即比油耗率明顯上升；

c. 最大扭矩轉(zhuǎn)速及油耗經(jīng)濟(jì)區(qū)轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高；

d. 排放煙度增大，排氣冒黑煙；

e. 排氣溫度大幅度上升，接近增壓器材料的極限溫度；

f. 熱負(fù)荷增加，受熱零件溫度上升，冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷加大。

表1 海拔高度與大氣參數(shù)、水的沸點(diǎn)關(guān)系

2.冷卻系統(tǒng)早期失效

隨著海拔高度的上升，由于大氣壓力降低，柴油機(jī)水套內(nèi)冷卻液的沸點(diǎn)溫度下降，冷卻液內(nèi)早期出現(xiàn)蒸汽，在循環(huán)中夾帶大量氣泡，使冷卻效率降低。此外，沸騰的冷卻液有時(shí)會頂開散熱器上的壓力蓋而外溢，使冷卻系統(tǒng)不能正常工作，影響柴油機(jī)的可靠性。海拔高度、壓力蓋壓力和冷卻液沸點(diǎn)溫度的關(guān)系見表2所示。

表2 海拔高度、壓力蓋壓力和冷卻液沸點(diǎn)溫度關(guān)系

需要說明的是，柴油機(jī)熱負(fù)荷增加是由于燃燒不良造成的，結(jié)果使冷卻液溫度上升，因而在高原地區(qū)應(yīng)提高冷卻系統(tǒng)的散熱能力，如加大散熱器面積，提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。

至于冷卻液沸騰，主要是由于大氣壓力下降造成的，同時(shí)也有冷卻能力不足的原因。因此應(yīng)當(dāng)首先考慮提高散熱器壓力蓋的壓力，平原地區(qū)常規(guī)壓力蓋壓力為50kPa，在海拔3000m以上地區(qū)，壓力蓋壓力應(yīng)當(dāng)提高到80～100kPa，冷卻液沸點(diǎn)溫度提高了，也能增大散熱器的散熱能力。但是壓力蓋壓力過大，對冷卻系統(tǒng)的密封不利，使密封墊和散熱器處容易發(fā)生泄漏。

此外，高原地區(qū)由于空氣稀薄，由吸風(fēng)式風(fēng)扇通過散熱器的實(shí)際空氣流量下降，也是導(dǎo)致散熱器散熱能力下降的原因之一。

3.柴油機(jī)啟動困難

隨著海拔高度上升，空氣密度及空氣溫度下降，柴油機(jī)啟動過程中壓縮壓力和壓縮溫度下降，再加上高原環(huán)境溫度相對較低，往往造成柴油機(jī)啟動困難。要解決高原柴油機(jī)啟動困難問題，一般有以下技術(shù)措施：

a. 提高柴油機(jī)的壓縮比。這就需要更改柴油機(jī)的燃燒室容積，實(shí)施比較困難，而且如果柴油機(jī)轉(zhuǎn)移到平原地區(qū)使用，會造成柴油機(jī)爆發(fā)超標(biāo)而影響其可靠性能，但如果柴油機(jī)固定在高原使用，生產(chǎn)條件允許的話，提高壓縮比的效果是明顯的，因此值得考慮。

b. 提高柴油機(jī)啟動轉(zhuǎn)速。在平原地區(qū)柴油機(jī)啟動轉(zhuǎn)速一般不低于120r/min，在高原地區(qū)轉(zhuǎn)速最好不低于200 r/min，因此應(yīng)提高起動機(jī)的功率。

c. 調(diào)整柴油機(jī)的噴油提前角。目前在平原地區(qū)的柴油機(jī)，由于考慮排放需要，提前角均偏低，因在高原地區(qū)，柴油機(jī)的著火延遲期增長，增大噴油提前角是十分必要的。一般海拔高度在2000～3000m時(shí)，可提前1°～2 °，在3 000～4 000m時(shí)，可提前2 °～4 °。

d. 增加進(jìn)氣預(yù)熱裝置。采用平原地區(qū)使用的冷啟動輔助裝置，特別是進(jìn)氣預(yù)熱裝置，可有效解決柴油機(jī)的啟動困難問題。

4.增壓器出現(xiàn)超速現(xiàn)象

在高原地區(qū)，柴油機(jī)全速全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，增壓器的轉(zhuǎn)速會明顯提高，海拔越高，增壓器的轉(zhuǎn)速提高越多，并出現(xiàn)增壓器超速現(xiàn)象。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔每上升1000m，增壓器轉(zhuǎn)速約提高6%，此外，由于空燃比下降，排氣溫度上升，海拔每上升1000m，排氣溫度將上升20～30℃，在海拔3000m以上的高原上，增壓器可能在超速和超溫下工作，這對增壓器及柴油機(jī)的可靠性十分不利。

增壓器轉(zhuǎn)速上升的原因，主要是由增壓器渦輪機(jī)的“膨脹比”（Pt/P0）增加造成的。由于海拔上升，大氣壓力P0下降，即渦輪機(jī)的出口壓力下降，而渦輪前的排氣進(jìn)口壓力Pt雖然隨著大氣壓力下降也有所降低，但下降幅度相對較小，因此使膨脹比Pt/P0隨海拔上升而提高，導(dǎo)致增壓器的轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高，增壓器壓比隨海拔變化趨勢如圖1所示。

圖1 增壓器壓比隨海拔變化趨勢

此外，空氣稀薄，壓氣機(jī)的做功能量下降，也是造成增壓器轉(zhuǎn)速上升的原因之一，對于增壓器的進(jìn)氣量而言，增壓器轉(zhuǎn)速的提高，相應(yīng)增加了進(jìn)氣量，使柴油機(jī)在高原上的動力損失得到了部分補(bǔ)償，這正是增壓器的優(yōu)點(diǎn)之所在和高原上的優(yōu)勢，但在高原上，增壓器的工作負(fù)荷增加，影響了它的可靠性。

高原增壓柴油機(jī)的主要性能變化

為了使柴油機(jī)能適合高原環(huán)境工況使用，在目標(biāo)使用環(huán)境條件下進(jìn)行開發(fā)是行之有效的方法，（但高原地區(qū)環(huán)境惡劣，不具備相關(guān)試驗(yàn)開發(fā)條件，因此，往往需要采取模擬海拔變化試驗(yàn)的方法進(jìn)行前期的相關(guān)試驗(yàn)，待在平原的試驗(yàn)有了初步明確的結(jié)果，再把柴油機(jī)轉(zhuǎn)移到高原使用地區(qū)，進(jìn)行實(shí)地的性能測試和各項(xiàng)指標(biāo)的認(rèn)證，從而達(dá)到最終的開發(fā)目的。）

以某6102自然吸氣柴油機(jī)的高原試驗(yàn)結(jié)果為例（見表3），可以看出，自然吸氣柴油機(jī)在高原上使用，其動力性和經(jīng)濟(jì)性損失非常嚴(yán)重，因此必須采用增壓，否則將會造成能源的極大浪費(fèi)。

采用增壓器后，在高原上的性能得到大大補(bǔ)償，但要完全恢復(fù)到原有平原地區(qū)的性能指標(biāo)，也是不可能的。以某6BTA增壓柴油機(jī)高原試驗(yàn)結(jié)果為例（表4），可以看出，由平原至海拔3800m，功率損失5.3%，平均海拔高度每增加1000m功率下降1.39%；最大扭矩?fù)p失2.8%，平均海拔高度每增加1000m扭矩?fù)p失約0.74%。由平原至海拔高度4500m，功率損失7.95%，平均海拔高度每1000m功率下降1.76%；最大扭矩?fù)p失8.91%，平均海拔高度每增加1000m最大扭矩下降約1.98%。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)也不難發(fā)現(xiàn)，海拔高度越高，每上升1000m功率損失的百分比也有所擴(kuò)大。

表3 6102柴油機(jī)高原試驗(yàn)結(jié)果

表4 6BTA增壓柴油機(jī)高原試驗(yàn)結(jié)果

高原柴油機(jī)增壓器性能開發(fā)的機(jī)理

高原用增壓柴油機(jī)的開發(fā)是在平原用增壓柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，工作重點(diǎn)以更換和選擇增壓器或燃油泵及噴油器為主。同時(shí)要對燃油泵的供油量、噴油提前角和增壓器旁通閥開啟壓力等進(jìn)行調(diào)整。一般情況下，對于原機(jī)的燃燒系統(tǒng)、缸蓋進(jìn)氣道、進(jìn)排氣歧管等均保持不變。

如果發(fā)動機(jī)僅在海拔高度2000m左右的地區(qū)使用，則在青海某研究所進(jìn)行全面的性能驗(yàn)證試驗(yàn)就可以了。所以，高原機(jī)的開發(fā)試驗(yàn)往往需要先后在兩地或多地進(jìn)行。

影響高原柴油機(jī)功率恢復(fù)的關(guān)鍵部件就是增壓器，一臺在平原地區(qū)與柴油機(jī)匹配良好的增壓器，一到高原地區(qū)，它的表現(xiàn)就不一定好了。因?yàn)楦咴貐^(qū)大氣壓力和空氣密度下降，使得增壓器和柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線的位置發(fā)生變化，海拔高度越高，變化越大，不但離開了壓氣機(jī)的高效區(qū)，而且向喘振線和超速區(qū)靠攏，使增壓器工作惡化，因此必須更換增壓器，并按使用地區(qū)海拔高度，重新進(jìn)行匹配試驗(yàn)。如有條件，應(yīng)準(zhǔn)備多個(gè)方案的增壓器，以便進(jìn)行性能對比，從中獲得最佳的組合。

圖2是增壓器壓氣機(jī)的“壓比和流量特性曲線”，它反映了增壓器的渦輪、壓氣機(jī)和發(fā)動機(jī)三者聯(lián)合的綜合效果，是增壓器與發(fā)動機(jī)匹配好壞程度的重要標(biāo)志，也是全面評價(jià)發(fā)動機(jī)性能不可缺少的重要曲線。

圖2 壓比和流量特性曲線圖

一般情況下，在平原地區(qū)匹配增壓器時(shí)，運(yùn)行線離喘振線約留有流量范圍10%～15%的余量，一到高原地區(qū)這個(gè)余量就沒有了，低速端的喘振現(xiàn)象就會出現(xiàn)，而高速端的問題是增壓器超速，還會同時(shí)出現(xiàn)超溫，嚴(yán)重影響增壓器的可靠性，從而不得不限制發(fā)動機(jī)使用的海拔高度。匹配更換增壓器的目的就是希望拓寬增壓器的流量范圍，擴(kuò)大高效區(qū)面積，使聯(lián)合運(yùn)行線離開喘振線和超速區(qū)。如圖3所示。

圖3 渦輪增壓器和內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線

對于車用增壓器而言，在平原和高原地區(qū)，總的原則是相同的，但在高原上，對增壓器的性能要求更高了，在某些參數(shù)或結(jié)構(gòu)上就要作出相應(yīng)調(diào)整和改進(jìn)。

a. 采用雙通道脈沖增壓。實(shí)踐證明，增壓器的渦輪殼采用雙通道脈沖增壓，可充分利用廢氣能量，在高原性能試驗(yàn)對比中，指標(biāo)優(yōu)越。

b. 采用帶有旁通放氣閥的增壓器。眾所周知，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速沒有直接聯(lián)系的，運(yùn)行點(diǎn)是根據(jù)增壓器壓氣機(jī)的功率與渦輪機(jī)的功率相平衡而建立的，增壓器的轉(zhuǎn)速是隨著發(fā)動機(jī)的功率增大而增大的，但當(dāng)發(fā)動機(jī)加載轉(zhuǎn)速下降需要大扭矩時(shí)，渦輪的做功能力卻明顯衰退，使增壓器轉(zhuǎn)速和流量大幅度下降，造成高低速之間供氣量比例不均的矛盾。

采用旁通閥的原理，就是首先把增壓器和柴油機(jī)的匹配點(diǎn)立足在最大扭矩點(diǎn)上，優(yōu)先滿足低速區(qū)最大扭矩所需要的空氣量，而在發(fā)動機(jī)高速時(shí)，為了防止增壓器超速和控制增壓壓力，在增壓壓力的作用下，推開旁通放氣閥，放掉一部分廢氣，從而使增壓壓力降下來，保證了高速時(shí)發(fā)動機(jī)的可靠性。

c. 選擇“零”斷面較小的增壓器渦輪殼。“零”斷面就是渦輪前排氣入口的最小斷面，這是決定渦輪增壓器性能很關(guān)鍵的尺寸參數(shù)之一。對于高原用增壓器，其渦輪殼的零斷面就必須小于平原用渦輪殼的零斷面，這是因?yàn)楹０卧礁撸髿鈮毫ο陆担艢饽芰肯鄳?yīng)下降，為了保證低速時(shí)的扭矩，縮小零斷面可以使低速時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速上升，而且海拔越高，大氣壓力越低，零斷面的趨向應(yīng)更小。

d. 選用流量范圍寬廣和效率高的壓氣機(jī)。一臺增壓柴油機(jī)，如果要在高原上維持與平原上的同等輸出功率，則必須增大增壓器的規(guī)格，大幅度提高增壓比和壓氣機(jī)的容積流量。多數(shù)情況下，往往在原有增壓器的同一產(chǎn)品系列內(nèi)進(jìn)行選擇，即保持原有壓氣機(jī)葉輪直徑不變，而調(diào)整葉輪的進(jìn)出口尺寸參數(shù)或者采用新的葉片形狀參數(shù)和進(jìn)氣端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而擴(kuò)大流量范圍和提高增壓效率。但并不是說，流量越大越好，還取決于它與渦輪的合理匹配，要使增壓器壓氣機(jī)、渦輪殼和發(fā)動機(jī)三者聯(lián)合工作達(dá)到最佳狀態(tài)。

e. 采用增壓空空中冷技術(shù)。采用增壓型的柴油機(jī)，在全速全負(fù)荷工作時(shí)，增壓器的進(jìn)氣溫度一般可達(dá)140℃以上，這對柴油機(jī)的動力性及熱負(fù)荷十分不利，如果增加空空中冷，其進(jìn)氣溫度可以控制在50℃左右，對提高發(fā)動機(jī)的性能和可靠性也十分有利。首先，進(jìn)氣溫度的下降，可以大幅度降低發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷和排氣溫度，據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)氣溫度每下降1℃，排氣溫度可下降2℃～3℃，這將明顯降低增壓器的渦前溫度。此外，降低進(jìn)氣溫度對改善缸內(nèi)燃燒和減少排放也是大有裨益的，所以，條件允許情況下，在高原上采用空空中冷型增壓柴油機(jī)也是一個(gè)方向。

結(jié)語

高原環(huán)境復(fù)雜多變的氣候條件對增壓型柴油機(jī)的性能影響是顯而易見的，然而，可以通過發(fā)動機(jī)高原模擬試驗(yàn)臺、類比法等相關(guān)手段，通過采用空空中冷渦輪增壓技術(shù)以及大量的增壓器參數(shù)調(diào)整匹配試驗(yàn)等達(dá)到恢復(fù)柴油機(jī)功率的目的。

［1］朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1992.

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