淺談高原環(huán)境對柴油機的影響及改進(jìn)措施

馮天星 陳萍 王國慶

摘 要：車輛在高原運行時，由于高原的特殊環(huán)境使其各方面性能指標(biāo)受到很大影響。針對我國高原地區(qū)車輛柴油機使用現(xiàn)狀，分析高原環(huán)境對柴油機造成的影響及危害，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：柴油機;高原性能;改進(jìn)措施

我國新疆西藏地區(qū)的邊防部隊長期在高原駐守，演訓(xùn)，汽車和裝甲車上高原后動力不足一直是個難題。本文主要論述高原環(huán)境對柴油機的影響，并對車輛在高原的適應(yīng)性提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 高原地區(qū)氣候環(huán)境特點

我國地域遼闊，而且地形復(fù)雜，其中高原面積占了國土面積的37%，是世界上高原面積最大的國家。青藏高原是我國最大的高原地區(qū)，其面積約250萬km2，平均海拔超過4 000 m，被稱為“世界屋脊”。

高原地區(qū)的地理條件和氣候條件與平原大不相同，高原地區(qū)有著大氣壓力低、空氣密度小、紫外線強、溫度低、晝夜溫差大、風(fēng)沙大等特點，對柴油機的性能產(chǎn)生重大影響，研究顯示，海拔高度每上升1 000 m，發(fā)動機功率約下降8%～10%，最低比油耗增加3%～4%，所以柴油機在高原的適應(yīng)性直接影響著車輛的經(jīng)濟性、動力性、可靠性和耐久性，進(jìn)而影響整車的運輸效率和作業(yè)效率。

2 高原環(huán)境對柴油機性能的影響

西方國家高原面積較少且海拔較低，對柴油發(fā)動機在高原工作的相關(guān)問題研究較少，美國最高峰惠特尼山4 418 m，俄羅斯最高峰厄爾布魯士峰5 600 m，自然他們就不會研制為高原作戰(zhàn)而專門設(shè)計的裝備。我國高原面積遼闊，工程建設(shè)和交通運輸車輛經(jīng)常變海拔工作，所以科研工作者圍繞著發(fā)動機的高原適應(yīng)問題進(jìn)行了大量的研究。由于外界氣壓、氣溫和沙塵等條件的影響，導(dǎo)致存在以下幾個問題：

2.1 低氣溫對柴油機的影響

隨著海拔的升高，大氣溫度逐漸降低，致使柴油機粘度增加，起動阻力拒增大，燃油消耗率增加。海拔升高，溫度隨之降低，蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)變慢，內(nèi)阻增大，端電壓降低，導(dǎo)致放電率下降，致使啟動力矩降低。并且燃油粘度增加，形成的混合氣質(zhì)量差，柴油機的燃燒會受到影響。

2.2 低氣壓對柴油機的影響

隨著海拔的升高，大氣壓力下降，導(dǎo)致柴油機燃燒室氣密度下降，過量空氣系數(shù)降低，燃燒過程緩慢，熱效率利用較低，導(dǎo)致柴油機排放量增加，動力性能下降。

另外“開鍋”現(xiàn)象也是我們要注意的，一般柴油發(fā)動機冷卻水的溫度是在90℃左右，但隨著海拔的升高，氣壓逐漸降低，冷卻液的沸點也在逐漸降低，所以低氣壓的情況下極容易出現(xiàn)“開鍋”，導(dǎo)致柴油機機體過熱，燃燒異常，摩擦磨損加劇，進(jìn)而使柴油機整體性能下降，甚至縮短使用壽命，所以有必要保持一定的冷卻水溫度。

2.3 沙塵對柴油機的影響

新疆西藏部分地區(qū)年降水稀少，空氣干燥，蒸發(fā)量大，車輛行駛時塵土飛揚，此時空氣中塵土含量可達(dá)15 g/m3，空氣中灰塵較多，大量的顆粒就會在濾清器外表面上堆積，引起進(jìn)氣壓力降低，充氣量嚴(yán)重不足，造成發(fā)動機功率下降。長時間在此環(huán)境中工作會使沙塵進(jìn)入到發(fā)動機內(nèi)部，使發(fā)動機各機件磨損加劇，縮短使用壽命。另外，高原的強紫外線也會加速機組表面橡膠、塑料、油漆等高分子老化，龜裂。

3 改善柴油機高原適應(yīng)性的主要措施

3.1 解決功率降低的措施

首先應(yīng)根據(jù)不同的海拔環(huán)境，選用滿足相應(yīng)功率的柴油機。幾種常用的改進(jìn)方式如下：

3.1.1 高原增壓技術(shù)

柴油機增壓主要是通過提高進(jìn)氣密度來實現(xiàn)。根據(jù)增壓方式不同，可分為機械增壓、廢氣渦輪增壓、氮氣增壓、電動增壓、復(fù)合增壓等。

3.1.2 優(yōu)化柴油機的燃燒技術(shù)

高原地區(qū)由于海拔高，空氣稀薄，氣壓降低，會使發(fā)動機進(jìn)氣不足，功率下降，燃料消耗增加。因此，要調(diào)整噴油泵，適當(dāng)增加供油量，將供油提前角適當(dāng)提前，有助于改善柴油機的經(jīng)濟性和動力性。通過以上措施，可縮短噴油時間，改善油束霧化及油束在燃燒室的分布，從而提高高原適應(yīng)性。

針對機械泵柴油機，在高原運行時供油系統(tǒng)可作如下調(diào)整：（1）提高泵端壓力，優(yōu)化供油規(guī)律;（2）適量增加噴油器開啟壓力，提高霧化質(zhì)量，一定程度上改善燃燒過程;（3）調(diào)整供油提前角，增加壓縮終點溫度。通過優(yōu)化噴油定時，改善燃燒過程;（4）提高供油壓力，增加噴油嘴的噴孔數(shù)，使燃油更好地霧化，有利于組織燃燒過程;（5）適當(dāng)調(diào)整冒煙限制器（負(fù)校正裝置），以適應(yīng)高海拔下控制低速工況的要求;（6）適當(dāng)調(diào)整油泵調(diào)速器正校正裝置（扭矩凸輪），更有效地控制調(diào)試特性。

以上調(diào)整，需多項配合調(diào)整，并非單一項目調(diào)整，需由柴油機專業(yè)廠家操作。

3.1.3 電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)

電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)不僅能隨海拔的變化實時調(diào)整噴油量、噴油提前角、噴油壓力，而且可以調(diào)整噴油規(guī)律，是高原柴油機性能恢復(fù)的重要技術(shù)之一。

電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的主要特點：ECU能根據(jù)柴油機工況和使用環(huán)境對噴油時刻（噴油提前角）、噴油脈寬（噴油量）、噴油壓力以及噴油率（多次噴射）進(jìn)行柔性控制，達(dá)到柴油機對噴油率和放熱率的理想要求，提高柴油機工作性能。

3.2 冷卻性能降低的解決措施

設(shè)計大容量水箱可滿足高原散熱量標(biāo)準(zhǔn);根據(jù)風(fēng)扇的壓力曲線，選取合理的散熱風(fēng)扇;選用低開型節(jié)溫器，滿足溫度較低時冷卻系統(tǒng)的大循環(huán)散熱;通過更換高壓水箱蓋（110 kp），提高水箱內(nèi)的冷卻液沸點，避免水的沸騰。

3.3 高原低溫環(huán)境啟動措施

影響柴油機啟動的主要因素：環(huán)境溫度、進(jìn)氣溫度、壓縮比和燃燒室形狀、可燃混合氣的數(shù)量和質(zhì)量、柴油機的瞬時轉(zhuǎn)速、殘余廢氣成分和溫度、漏氣損失和傳熱損失。主要通過以下措施：

（1）冷啟動液輔助啟動。（2）電熱塞輔助啟動。（3）采用進(jìn)氣預(yù)熱器，增加進(jìn)氣溫度。（4）采用水加熱器，升高冷卻液溫度，給機體加熱。（5）增大蓄電池容量，提供充足電量，雙機機組可將蓄電池并聯(lián)使用。（6）蓄電池采用暖風(fēng)加熱器、加熱膜等保溫裝置。（7）超級電容并聯(lián)蓄電池。

3.4 高原沙漠環(huán)境主要解決措施

（1）根據(jù)油機廠家給出的溫度功率曲線折損情況進(jìn)行計算選型，加大水冷機組的水箱及風(fēng)扇。

（2）借鑒工程機械的重度灰塵空氣預(yù)過濾技術(shù)，對進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)過濾，最大程度地延長空氣濾芯使用壽命，減少空氣濾芯的更換，大大延長空氣濾清器的維修間隔時間，降低運營成本。

3.5 高原紫外線防護(hù)措施

（1）裸露的導(dǎo)線和橡膠油管采用具有抗紫外線輻射性能的波紋管進(jìn)行防護(hù)，增強其抗老化能力。

（2）機組其它裸露部件，在其表面噴涂具有抗紫外線輻射性能的面漆，提高發(fā)電機組的抗紫外線輻射能力，從而滿足發(fā)電機組的抗紫外線要求。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著海拔升高，柴油發(fā)動機組受到高原低溫、低壓、缺氧、紫外線等惡劣環(huán)境的影響，各方面性能均受影響。解決措施為：選擇適應(yīng)的柴油機型號，選用大功率柴油機或電噴柴油機;對所配套水箱、散熱風(fēng)扇及電氣元器件等進(jìn)行擴容設(shè)計;增加加熱器等措施改善柴油發(fā)電機組啟動性能。通過以上措施，可以有效提升柴油機的高原使用性能，提高我軍一線部隊的機動能力。

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