高原隧道施工機械發動機功效試驗研究

陳宏偉 柴海博

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

隨著我國建筑業逐步邁入現代化施工，工程機械因其施工速度快、效率高等特點代替了人工。但在使用過程中如何保證機械的使用效率一直是施工行業的一個共性問題，尤其是在海拔高、大氣壓力低、空氣密度和含氧量低的高原地區［1］。高原隧道施工中所配備的大型機械多為內燃型，但在高原特殊的自然環境下，發動機因進氧量少而導致燃燒動力不足，從而使有效功率輸出顯著降低，導致在高原環境下機械利用率明顯低于平原上的機械利用率。

基于以上原因，靳生盛［2］通過總結高原施工中的實測數據，探究了工程機械在高原環境下的運行可靠性，并由此制定了相應的預防措施。曹杰［3］等采用倒拖法研究了機油溫度和轉速對大功率柴油機的機械損失影響規律。朱永全［4］提出了一套在高原環境下大功率內燃機的功率保持技術。馮國盛［5］等以關角隧道為依托，進行了CO與煙霧尾氣排放的試驗研究。王勇［6］針對高原環境中工程機械利用率不高的情況，深入剖析其原因并提出了應對措施。李瑞發［7］等、董素榮［8］等針對高原地區油耗升高、功率下降等問題，建立高原環境適應性綜合性評價模型，并對高原地區典型車用柴油機高原適應性進行評估。姜澤浩［9］等采用模擬試驗臺探究了海拔對渦輪增壓柴油機性能的影響。王旭東［10］等以某型軍用車輛柴油機為研究對象，模擬了4 500 m高原條件下該型號柴油機燃用軍用柴油和摻混不同比例聚甲氧基二烷基醚型含氧燃料時的燃燒特性。林春城［11］等通過研究各種增壓技術，提出二級可調增壓技術為高原環境下的最優選擇。崔文鎮［12］依托祁連山隧道，選取和研制了幾種適用于高原長大隧道的施工裝備，實際應用效果較好。楊森森［13］通過大量實際調研，并依托高原特長隧道現場試驗，與理論分析相結合，基于分析隧道快速施工影響因素，總結了高原長大隧道相關快速施工的方法。申智杰［14］通過總結青藏高原環境對施工機械性能的影響及相關高原施工適應性技術，提出了針對高原施工機械設備的選型思路。尹瑞［15］依托西部高原地區公路施工設備選型指南，從機械的工作能力、經濟指標以及環境適應性等方面系統研究了在不同種類的機械組合下，海拔高度對施工機械生產率的一般影響規律，并最終提出了適宜該工程施工環境的機械設備配置。許先亮［16］以新關角隧道為依托，通過文獻調研、模糊綜合評價法、數學模型排隊論法等，研究了高原長大隧道的施工機械設備配套和通風等技術問題。

雖然前人的研究成果很多，但對于施工機械發動機在高原環境下功效的變化規律尚無深入研究。基于此，本文將通過臺架模擬試驗法來研究不同轉速、海拔高度和含氧量下發動機的功效變化規律。

2 試驗設計

2.1 試驗系統的搭建

發動機性能測試主要分為熱力循環計算、實地臺架試驗法和臺架模擬試驗法三種。經過綜合比選，最后確定采用臺架模擬試驗法。該方法的優勢為：可在平原地區通過高原模擬試驗系統來模擬高原環境，且試驗具有可重復性。

（1）AVL發動機臺架試驗臺

AVL試驗臺的主要組成部件為瞬態油耗儀和測功儀。試驗臺架示意圖見圖1。

圖1 試驗臺架示意

（2）進氣調控系統

基于試驗目的和發動機的參數，優選FOTON公司的高原海拔試驗艙。以海拔艙模擬高原隧道內的溫度、壓力等，以獨立設計的進氣調控系統來模擬發動機的進氣系統。進氣調控系統見圖2。

圖2 進氣調控系統示意

2.2 參數標定

該試驗所涉及的控制參數主要為發動機的轉速、海拔高度和含氧量等，每一個參數的變化都會對試驗結果的可靠性和準確性有非常顯著的影響。其中轉速和海拔高度可以通過測功機和海拔艙來進行精確控制，而含氧量則通過在進氣口摻氮來實現。

2.3 試驗工況及試驗步驟

2.3.1 試驗工況設置

為了全面系統地分析發動機的外特性指標（即發動機的油門全開時的特性）在平原環境和高原隧道內外環境下的變化規律，設置了如下對比試驗：

（1）平原環境發動機外特性試驗；

（2）高原環境發動機外特性試驗；

（3）高原隧道環境發動機外特性試驗。

2.3.2 試驗步驟

平原環境下的發動機外特性測試步驟如下：

（1）首先將油門逐步提升至全開狀態，并檢查進氣調控系統的狀態、海拔艙的溫度是否達到試驗標準。

（2）所檢查的各項指標達標后開始試驗，在試驗過程中保持發動機的轉速恒定和油門全開，在轉速由2 000 r/min調至900 r/min過程中，分別在發動機運轉平穩時采集2 000 r/min、1 900 r/min、1 800 r/min、1 700 r/min、1 600 r/min、1 500 r/min、1 400 r/min、1 300 r/min、1 200 r/min、1 100 r/min、1 000 r/min和900 r/min時發動機的扭矩、功率和油耗等性能參數。

高原環境下，應首先關閉海拔艙，然后開啟海拔調整模式，利用大功率抽氣機將艙內的空氣抽出，使艙內壓力逐步調整至試驗指定海拔所對應的大氣壓力，并且可以通過控制系統來對艙內壓力進行實時監測，保證艙內壓力維持在目標水平。之后的試驗步驟與平原環境類似。

3 發動機外特性影響性分析

3.1 平原環境下發動機外特性分析

首先在平原環境下測試發動機的原始性能，令發動機開始工作時的轉速超過2 000 r/min。試驗結果如圖3所示。

圖3 平原環境下的發動機外特性曲線

從圖3中可以看出，功率隨發動機轉速的提高而逐漸升高，大致分為1 600～2 000 r/min和900～1 600 r/min兩段。在1 600～2 000 r/min高轉速區間，功率上升較慢，上升幅度約為10 kW；在900～1 600 r/min低轉速區間，功率上升較快，上升幅度約為62 kW。轉速在2 000 r/min時為最大功率Pmax＝155 kW；當轉速n＝1 600 r/min時，功率P＝145 kW；當轉速n＝900 r/min時，功率下降至最小值Pmin＝80 kW。

隨著轉速升高，扭矩呈現先增后減的變化趨勢。轉速1 400 r/min時為峰值扭矩892 N·m，且在機械正常工作轉速（900～1 600 r/min）保持較大輸出效率。說明該發動機的整體性能比較優越，可以滿足平原環境下的工作需求。

3.2 海拔對發動機外特性的影響

海拔變化導致的氧含量改變會顯著影響發動機的動力性能。由圖4可知，發動機的扭矩和功率都會隨著海拔的升高而逐漸降低，且下降幅度與海拔上升高度表現為正相關。

圖4 海拔高度對發動機外特性影響曲線

從圖4a可以看出，峰值扭矩點維持在轉速1 400 r/min處，且隨海拔升高而逐漸降低。另外，隨著海拔變化，高轉速n＝2 000 r/min時對應的扭矩下降并不明顯，從H＝0 m上升到H＝4 000 m高度，ΔT約為75 N·m，下降了10%；而在低轉速n＝900 r/min時所對應的扭矩下降則較為明顯，ΔT約為275 N·m，下降了32.4%，說明海拔對低轉速下發動機的作業性能影響較大。

從圖4b可以看出，海拔對不同轉速下發動機功率的影響差異性較小。分析其原因，一方面是高海拔處大氣壓力下降、空氣密度降低，從而使進氣沖程所吸入發動機缸內的空氣總量下降；另一方面，高原環境下氧含量降低導致燃燒所需氧氣嚴重不足，燃燒狀況惡化，進而表現為發動機動力不足。對于工程機械設備而言，由于惡劣的作業環境增大了機械作業阻力，致使發動機易產生過載掉速的現象。

3.3 隧道內外環境對發動機外特性的影響

通過在空氣中摻氮來模擬高原環境下隧道內的含氧量。由圖5可知，海拔4 000 m處，有無摻氮對發動機動力性能影響很明顯。摻氮后，不同轉速下發動機的功率下降7～20 kW，峰值扭矩降低了17.9%。由此可以看出，隧道內施工產生的粉塵等物質進一步導致氧含量較洞外更低，使發動機的燃燒效率更加惡化，動力輸出進一步降低。

圖5 有無摻氮對發動機動力性能影響曲線（H=4 000 m）

從圖5可以看出，當轉速超過1 500 r/min，其扭矩下降的幅度較之前有所降低，且摻氮使得發動機扭矩受高轉速影響較小。

當工程機械失速時，一般通過減速增扭來提高發動機的扭矩輸出，這在隧道外部（即無摻氮環境）是可以實現的，但在隧道內部（即有摻氮環境），由于扭矩在失速段隨轉速的變化較為平緩，減速并不能使扭矩實現大幅增長，故在高原隧道內機械作業時會出現無力感，需反復多次才能達到原來一次作業的效果，極大降低了工作效率。

3.4 油耗對比

對比不同環境下的發動機油耗（見圖6），可以看出，在平原環境下轉速的提高對發動機油耗的影響并不大，轉速從900 r/min增長到2 000 r/min的過程中，發動機的燃油消耗率僅提高了28 g/（kW·h）；發動機在高原環境下的油耗明顯高于平原環境，在各轉速下普遍提升了至少50 g/（kW·h）；在高原隧道內，由于空氣含氧量進一步降低，導致發動機燃燒效率更加惡化，油耗更高，但在發動機轉速超過1 200 r/min時，燃油消耗率反而降低，這是因為在中、高等轉速下發動機的指示熱效率逐漸提高，因而高原環境下在隧道內外的燃油消耗隨轉速的提高而逐漸接近。由此可以說明，在高原隧道環境下，油耗上升會使發動機動力明顯下降。

圖6 不同環境下的發動機油耗對比曲線

4 結論

通過臺架模擬試驗法研究了不同轉速、海拔高度和含氧量下發動機的功效變化規律，得出以下結論：

（1）隨著發動機轉速的提高，功率持續增大，而扭矩則呈現出先增后減的變化趨勢，扭矩峰值出現在轉速n＝1 400 r/min處。

（2）海拔變化導致的氧含量改變會顯著影響發動機的動力性能。發動機的扭矩和功率都會隨著海拔的升高而逐漸降低，且下降幅度與海拔上升高度表現為正相關。海拔從0 m上升到4 000 m過程中，高轉速2 000 r/min時扭矩降低10%，低轉速900 r/min時扭矩降低32.4%；海拔對各轉速下發動機功率的影響程度差異不大。

（3）在海拔H＝4 000 m處，隧道內外不同環境對發動機的動力性能有顯著的影響。相比隧道外，隧道內發動機的扭矩和功率均有降低，峰值扭矩下降了17.9%。

（4）高原環境會明顯增大發動機的油耗，且在高原隧道環境下，油耗上升使發動機的動力下降較為明顯。

（5）鑒于高原地區施工機械發動機功效有明顯降低的現象，建議采用功率恢復型增壓技術，通過增壓供氣以提升氣缸充氣密度，使缸內燃油燃燒充分，從而使發動機的功效、經濟指標及熱負荷指標恢復到低海拔標定水平。