高原環境對船用柴油機的影響及性能改善研究*

寧海強，王子辰，李文來，戴浩然

（陸軍軍事交通學院鎮江校區，江蘇鎮江 212003）

0 引言

我國青藏高原地理位置敏感，與印度、阿富汗、巴基斯坦等國接壤，中印兩國之間的界湖——班公湖屬于高原內陸湖，全長約160 km，湖區面積約604 km2，湖面平均海拔4 242 m，平均水深22 m[1]。由于該湖處于高原高寒地區，大氣壓力和年平均氣溫低，晝夜溫差及水蒸發量大、沸點低，這些惡劣的自然環境對航行于該湖區船艇的動力性能產生顯著的影響：其主機運行時，低溫起動性、可靠性、經濟性、耐久性、熱平衡性、動力性以及排放性能等指標都大幅度下降，具體表現在柴油機起動困難，冷卻水易“開鍋”導致冷卻效果差、機體水套穴蝕，燃燒不充分導致動力性能下降等，使得船艇長期處于不良的技術狀態，難以滿足船艇在班公湖水域航行要求。本文作者主要從柴油機技術管理方面提出某船用D683B型柴油機在高原低氧高寒環境下性能提升方面的技術改進措施以及使用管理對策，有效提高高原船艇的機動性能和使用壽命，對我國邊防安全和經濟發展具有重要意義。

1 高原環境對船用柴油機性能的影響分析

隨著海拔高度的變化，大氣壓力、空氣密度、水沸點等指標也會隨之變化，如表1所示。在海拔0～5 000 m范圍內隨著海拔的升高，大氣壓力、空氣密度以及水沸點都呈現下降趨勢[2]。

表1 海拔高度與大氣壓力、空氣密度、水沸點的關系

1.1 高原環境對船用柴油起動性能的影響

根據柴油機工作原理，柴油機正常起動時需同時滿足3個必要條件：一是起動轉速達到規定轉速，保證壓縮終了時氣缸內的溫度達到柴油自燃點；二是適時進入氣缸的足量的新鮮空氣；三是定時、定量噴入氣缸的霧化良好的燃油。D683型柴油機采用電起動，在高原寒冷環境下，蓄電池的工作能力會變弱。主要表現在輸出功率下降、電池容量降低和端電壓下降較快，不僅無法提供多次、長時間起動所需的能量，也會降低電池自身的工作壽命[3-4]。同時在低溫條件下，柴油機起動轉速會因為受到潤滑油粘度以及柴油機各零部件之間的摩擦阻力增大的影響而下降。低溫也使柴油的粘度有所增大，導致噴油霧化質量下降，燃燒不充分，滯燃期延長。同樣，高原低壓所導致的進氣量不充足以及較低的進氣溫度也會使柴油機起動性能變差。

綜上所述，在高原環境下，柴油機的起動性能受低氣壓和低氣溫等因素的影響，正常起動所需的條件難以滿足，導致柴油機在高原環境下起動困難。

1.2 高原環境對船用柴油機冷卻系統性能的影響

冷卻液直接影響到柴油機冷卻系統的性能，而冷卻液的溫度不僅與燃燒過程和傳熱損失密切相關，也間接影響著潤滑油的溫度、粘度及摩擦損失。在高原環境下，低壓致使冷卻液的沸點較之平原有所降低，容易出現液溫還未達到使用要求時冷卻液已經沸騰“開鍋”的現象。以常用冷卻介質蒸餾水為例，一般柴油機正常工作時冷卻水的溫度應在80～90℃左右，而在高原環境下，當海拔達到4 000 m時，冷卻水的沸點僅有87℃左右，當海拔達到5 000 m時，冷卻水的沸點更是降到84℃左右，如表1所示。即在平均海拔達到4 200 m的班公湖地區，船艇主機的冷卻水極易沸騰，導致柴油機冷卻系統性能下降，造成機體過熱、受熱零件冷卻不足、機油變質、燃燒異常等。同時，沸騰的冷卻水產生的大量氣泡還會加重水泵葉輪、氣缸套、缸蓋等部件的表面穴蝕現象，致使整個柴油機性能下降，可靠性降低、使用壽命縮短。

1.3 高原環境對船用柴油機動力性能的影響

由于大氣壓力隨著海拔高度的增加而下降，導致柴油機燃燒室內的充氣密度下降，在一定的過量空氣系數下進氣含氧量明顯降低，使得燃燒不完全、后燃現象嚴重、燃燒惡化、冒黑煙，氣缸內爆發壓力降低，功率下降，最終導致柴油機動力性、經濟性下降，可靠性降低。此外，柴油機在高原環境下工作時各個系統又會相互影響：由于冷卻系統性能變差，柴油機零部件長期處于過熱狀態；配氣機構過熱會改變柴油機的配氣相位，從而影響柴油機的進排氣，造成柴油機燃燒不良；燃油粘度變大，導致零化不良，后燃嚴重，排氣溫度升高等，加重了冷卻系統的負擔；冷卻不良會使潤滑油溫度升高，粘度變低，潤滑不良，從而也降低了柴油機的動力性和可靠性。

2 高原船用柴油機性能改善技術

針對高原環境對船用柴油機性能帶來的不良影響，結合某高原巡邏艇用D683B型柴油機在使用時所面臨的實際問題，從優化起動性能、改善冷卻效果、提升動力性能3個方面提出有效的性能改善策略，以保證高原環境下船艇的安全航行。

2.1 柴油機起動性能優化

在高原環境下，柴油機受到低溫、低壓等因素的影響，進入氣缸的空氣量不足，燃燒室內的壓縮空氣也達不到起動所需要的壓力和溫度，柴油機起動性能較平原環境下大大降低，起動難度大。結合該巡邏艇特點，從超級電容并聯蓄電池起動、加注冷啟動液和使用預熱裝置3個方面開展研究[5-6]。

2.1.1 超級電容并聯鉛酸蓄電池起動

該巡邏艇上的D683B型柴油機大多采用鉛酸蓄電池作為起動電源，在高原環境下由于受到低氧高寒條件的影響，蓄電池容量降低，壓降變大，導致柴油機起動困難。超級電容是一種新型儲能容器，其內阻很小，可以提供更大的瞬時電流、啟動功率以及啟動轉矩，有著大電流快速充放電、壽命長、工作溫度范圍廣的特性。鉛酸蓄電池則可以長時間儲存電能，能比超級電容多儲存10倍以上的能量[7]。將超級電容與鉛酸蓄電池并聯起動，如圖1所示，可以實現船用柴油機多次、快速起動。

起動前，鉛酸蓄電池先對超級電容充電，待充電完成后將兩者一起作為起動電源裝置，閉合鑰匙開關，接觸器觸頭接通，起動瞬間在超級電容提供的瞬時大電流與鉛酸蓄電池的共同作用下，起動電機得到更多的電能，保證柴油機起動轉速達標。因此，結合巡邏艇機艙空間特點，采用超級電容并聯鉛酸蓄電池的起動方式，保證柴油機的起動轉速，很大程度地提高柴油機在低溫條件下的起動性能，解決了柴油機低溫條件下起動困難的問題。

2.1.2 加注冷啟動液

冷啟動液是一種以乙醚或其它自燃點比較低的燃料作為基礎而組成的特殊液體[5]。以乙醚啟動液為例，其具有燃點低、揮發性好的自身特性，在3.2 MPa壓力下燃點僅為57℃左右，可以幫助混合氣體燃燒[8]。因此，在D683柴油機運轉時，可以將一定量霧化良好的乙醚啟動液噴射至空氣濾清器的進氣口處，如圖2所示，通過增壓器增壓并經過進氣道與新鮮空氣充分混合后進入燃燒室，利用其低燃點特性助燃噴入氣缸的柴油，從而提高柴油機低溫起動性能。

2.1.3 使用預熱裝置

高原低溫環境下，進入燃燒室空氣溫度較低，冷機狀態下柴油機活塞環與缸套間配合間隙較大，燃燒室密封性下降，導致柴油機壓縮終了時的溫度難以達到柴油自燃溫度。在柴油機進氣歧管內安裝進氣預熱裝置，可以提高柴油機在壓縮終了時刻缸內混合氣溫度，從而改善高原低溫條件下船用柴油機起動性能。

該裝置由預熱塞、電磁閥、進油管、電子控制器、繼電器、溫度傳感器、指示燈等元件組成。其線路圖如圖3所示。在起動柴油機之前，先將起動電鑰匙轉到ON檔位，當指示燈DL亮，表示預熱塞被加熱。在接通電源對預熱塞預熱時，控制器開始計時，約50 s后預熱程序完成。指示燈DL開始閃爍，表示預熱完畢、可以起動柴油機。在完成預熱程序后，控制器開始計時，若在30s內未進行起動操作或起動不成功，控制器控制預熱裝置停止工作，使裝置得到延時保護。若需要再次起動柴油機，需將電鑰匙退回到OFF檔位，停留5 s后重復上述過程。當起動電機帶動柴油機轉動時，輸油泵供油，柴油經電磁閥進入預熱塞立即被熾熱塞點燃，形成火焰，預熱進氣，使柴油機易于起動。

柴油機起動進入穩定運轉后即可停止使用預熱裝置，以延長預熱塞的壽命。只要將起動電鑰匙轉至OFF檔位，預熱裝置即停止工作。這種預熱進氣的措施可靠性比較高，使用操作簡單，可有效提升柴油機的低溫起動性能。

2.2 改善船用柴油機冷卻效果

2.2.1 冷卻液改性

冷卻系統是柴油機的重要組成部分，柴油機的冷卻液通常由水和防凍液組成。與水相比，防凍液具有良好的防凍、防沸、防腐蝕、防水垢的功能。在標準大氣壓下，水的沸點是100℃，冰點是0℃，而配比良好的冷卻液沸點可大于106℃，冰點達-25～-60℃。

當前我國在高原地區基本采用的防凍液是由水與乙二醇按一定比例混合而成的乙二醇-水型防凍液。乙二醇-水型防凍液具有冰點低、沸點高的優點，同時也存在膨脹系數大、腐蝕性強、有毒性的缺點。采用丙二醇型防凍液來代替乙二醇-水型防凍液，在保證良好的熱傳導性、高沸點低冰點的同時，在抗腐蝕性和毒性方面要遠遠優于乙二醇型防凍液，兩種防凍液的特性對比如表2所示。

表2 乙二醇-水型冷卻液和丙二醇-水型防凍液特性對比

因此，在高原使用的D683B型柴油機可以采用冷卻液改性的方法，復配沸點高，冰點低且環保的冷卻液，從而改善柴油機的冷卻效果。

2.2.2 閉式冷卻系統加壓

高原環境下，柴油機冷卻水的沸點隨大氣壓力的降低而降低，不僅自身容易“開鍋”，還會影響柴油機的散熱，使柴油機冷卻效果變差。船用D683B型柴油機采用閉式冷卻系統，為提高冷卻系統內部的壓力，在一定程度上提高冷卻水沸點，可對柴油機膨脹水箱進行加壓，如圖4所示。

圖4 閉式冷卻加壓系統示意圖

改進后的膨脹水箱內部裝有一層氣囊，氣囊將水箱分割成氣室和水室兩個部分。從水箱頂部的充氣口向氣囊上部的氣室內充入氮氣，水泵從水艙抽水到氣囊下部的水室，壓力繼電器控制水泵的啟停。水箱左壁裝有一個泄放閥，出水口位于水箱底部，水泵與水箱入水口之間裝有一個單項截止閥，用來控制水單向流動。閉式冷卻系統加壓的工作原理為：向氣室內充入一定量的氮氣，同時向水室內注滿冷卻水（直至氣囊與水室之間剛好沒有空氣）。設定壓力繼電器的調控壓力值，當系統壓力小于調控壓力值時，壓力繼電器控制電機啟動，水泵向水室內注水，水進入水室的同時擠壓氣囊上部的氮氣，氣室體積減小壓力升高，冷卻水受到壓縮，沸點升高。當系統壓力達到調控壓力值時，壓力繼電器控制水泵停止抽水。當系統壓力過高以至于超過膨脹水箱承受范圍時，泄放閥開啟，冷卻水通過閥門排出，系統壓力降低。這種閉式冷卻系統加壓的方法可以實現對冷卻水的加壓，以提高冷卻水沸點，解決高原冷卻水易“開鍋”的問題，改善柴油機的冷卻效果。

2.3 提升柴油機動力性能

2.3.1 空氣濾清器選型

為防止雜物和灰塵被吸入氣缸，D683B型船用柴油機進氣道上均裝有空氣濾清器。空氣濾清器有兩個重要的指標，分別是原始阻力和原始濾清效率。原始阻力大小會直接影響柴油機進氣量的大小，原始濾清效率則反映了空濾器的過濾灰塵能力[9]。原始濾清效率與原始阻力呈正相關。D683B型柴油機在班公湖運行時，受到低壓和低空氣密度的影響導致進氣量不足，動力性能下降。由于班公湖地帶海拔高，湖區空氣非常干凈，對原始濾清效率的要求并不高，所以可以通過降低原始阻力來提高進氣量從而提高柴油機動力性能。濾芯的過濾面積直接影響原始阻力，可通過減小濾芯的折數、增大濾芯的孔徑等方法來減小濾芯的過濾面積，進而使原始阻力降低，增大進氣量，提升柴油機運行效率。

2.3.2 優化氣門間隙

為補償柴油機運行過程中氣門受熱后的膨脹量，確保氣門能夠正常地開啟和關閉，當發動機冷態時通常在氣門組和氣門傳動組之間預留一定的氣門間隙。D683B型柴油機在平原地區使用時的最佳進氣門間隙為0.3 mm，排氣門間隙為0.5 mm。班公湖大氣壓力小、空氣密度低，導致柴油機進氣量較之平原有所減小。適當減小進氣門的氣門間隙，將其調至0.2～0.25 mm，可以實現進氣門早開晚關，使開啟持續角變大，進氣時間變長，有利于增大循環氧氣供應，提升柴油機動力性和經濟性。

2.3.3 優化燃油系統

通過優化燃油系統，可實現船艇在班公湖區航行的動力性能，具體措施有：

（1）增大供油提前角。班公湖地區海拔高，較之平原D683B型柴油機在壓縮終了時的溫度和壓力有所下降，滯燃期延長[10]。增大并調整噴油提前角至最佳值，這樣壓縮終了時氣缸內的溫度和壓力得以增加，提高了柴油機的動力性能。增大供油提前角使缸內爆發壓力和溫度提升的同時要注意溫度和壓力不要超過柴油機設計的最大值，否則會使柴油機運轉粗暴，零部件負荷加重，影響使用壽命。

（2）增大啟噴壓力。通過適度增加噴油器調壓墊片的厚度來增大噴油器的啟噴壓力可提高柴油的霧化細度和均勻度，從而在一定程度上改善燃燒過程，提升燃燒質量，提升柴油機運行動力性以及經濟性和可靠性。

（3）減小最大供油量，改進噴嘴。在調整柴油機不同噴油泵的最大供油量和匹配不同結構參數的噴嘴方面，適當減小噴油泵的最大供油量以及采用增大噴孔數量、減小噴孔孔徑和減小噴霧錐角的噴油器可以改善燃燒，從而提高D683B型柴油機在班公湖高原條件下運行的可靠性和環保性。

由于船艇航行班公湖地區空氣質量、海拔高度等環境條件變化不大，因此，上述提到的改變空濾器結構、調整氣門間隙、優化燃油系統等提升動力性能措施在高海拔環境下均能夠起到良好的效果，可以結合實際情況綜合應用。

3 總結

本文作者針對性高原船用D683B型柴油機特點，結合我國班公湖區巡邏艇用柴油機使用管理時遇到的難題，分析高原環境給柴油機在起動性、冷卻性和動力性等方面帶來的不良影響，并提出改善柴油機性能的具體方法策略：

（1）在優化起動性能方面，提出超級電容并聯鉛酸蓄電池起動、加注冷啟動液、使用預熱裝置3種冷起動輔助措施，降低高原低溫、低壓對柴油機起動帶來的不良影響，提高柴油機在高原環境下的起動性能。

（2）在改善冷卻效果方面，提出通過冷卻液改性和閉式冷卻系統加壓的方法，提高冷卻液的沸點，提升柴油機的冷卻性能。

（3）在提升動力性能方面，主要立足進氣和燃燒兩個層面，提出空氣濾清器選型、合理調整氣門間隙和優化燃油系統等措施，結合高原環境下柴油機使用特點綜合應用，實現柴油機動力性能的提升。