川藏鐵路某高原型隧道施工設備發動機系統改造設計

滕錦圖

(中國鐵建重工集團股份有限公司,長沙 410100)

0 引 言

川藏鐵路雅安至林芝段全線開工，線路經過區域山高谷深，全線隧道67條，總長850余公里，隧道高程1 000～4 200 m。空氣稀薄，含氧量低，4 000 m海拔高度時含氧量182.08 g/m3相較于平原地區含氧量299.3 g/m3降低了39.2%；高原氣候垂直分帶顯著，冬季極端最低氣溫為-32.2 ℃，夏季最高氣溫為40 ℃，且部分隧道存在高地熱工況； 冬季和初春氣候干燥，風沙大[1]。為適應川藏鐵路多海拔、低氧、多風沙、極端氣溫的施工工況，對我司某隧道施工設備發動機動力系統進行高原適應性改制設計。

該設備高原型機型整機及發動機性能參數見表1，作業系統由電機組提供動力，電機總功率55 kW,發動機主要用于工作場所轉移在山間道路行駛的動力源以及停電時作業系統短時間應急動力源。高原機型整機重量、電機組總功率等性能參數相較于平原型基本無變化，主要不同在于為適應高原環境而對發動機動力系統進行的改制設計。

表1 設備關鍵性能參數

1 低溫啟動方案

針對高原低溫問題所帶來的蓄電池蓄電和放電能力下降、機油粘度增大、柴油結蠟等低溫啟動問題進行以下設計：

1.1 電池

采用OPTIMA紅頂34免維護蓄電池，特有的螺旋纏繞單元組設計，保證了較高的啟動功率、較小的自放電極，其工作溫度范圍廣，可在-55～75 ℃溫度范圍內正常使用。

1.2 機身預熱

采用京威YJH-Q10A揮發霧化燃油液體加熱器，以燃燒換熱方式加熱發動機冷卻液，提高發動機缸體、缸蓋的溫度，從而提高發動機冷啟動時的壓縮上止點溫度，大大降低發動機冷啟動的難度[2]。工作溫度-41-50 ℃，循環介質恒定溫度68～85 ℃，耗油量1.3 L/h，油耗小熱效率高，加熱速度快。

1.3 油品選擇

根據高壓環境溫度-45～60 ℃的特點，高原型設備柴油機機油選型許滿足SAE 0W-40 CH4(API)[3]，柴油根據環境溫度來選擇正確的牌號，具體選型見表2。

表2 柴油選型對照表

2 空濾器方案

空濾器設計進氣體積流量12 m3/min,相較于平原機型，進氣量提高20%。采用曼胡默爾Piclon系列帶安全濾芯45325型雙級空氣濾清器，濾芯采用曼胡默爾特殊的過濾介質，具有很高的容灰量，安全濾芯所用的曼胡默爾合成纖維，安全可靠性達，壓降低；尤其適用于高灰環境，濾清效率能達到99.8%。按照ISO 5011SAE粗灰度測試，最大容灰量8 600 g，滿足使用要求，配備機械式灰塵堵塞指示器，便于觀察濾芯狀態。

3 高溫散熱方案

散熱系統采用水冷加增壓中冷的組合散熱形式。高原低氣壓、低含氧量的環境對發動機熱平衡性能有很大的影響[4]：一方面，降低發動機過量空氣系數，缸內缺氧，燃燒滯后，一定程度上增加發動機熱負荷；另一方面，冷卻液沸點隨海拔上升而降低，海拔4 000 m時，水沸點降低至88.8 ℃，冷卻液“開鍋”，散熱能力降低。為此，針對散熱系統作一下改造設計：冷卻熱水箱增加1.1 bar壓力蓋，消除由于海拔對冷卻液沸點帶來的影響；增大水冷散熱器散熱功率23%，散熱器總成性能參數見表3。

表3 散熱器相關參數

4 多海拔適應方案

高原低氣壓低含氧量的特殊工況，會降低空燃比，導致發動機燃燒惡化，其功率、扭矩均有一定下降，發動機動力性和經濟性大打折扣[5]，而且不同海拔條件下氣壓和含氧量又不同。根據實際情況，川藏鐵路隧道主要分布在1 000、2 500、3 200、4 200 m這四個海拔段，通過以下兩種方式來應對高原工況對發動機所帶來的影響：一方面，通過電控程序，將發動機功率刷至129 kW，1 000 m平原海拔段隧道采用118 kW平原機型，其余三個海拔段隧道采用129 kW高原機型，通過提高額定功率的方式來彌補由于高原工況所帶來的功率下降。另一方面，限制不同高原海拔工況下的最佳噴油量，發動機自帶大氣壓力傳感器，ECU檢測到大氣壓力降低到閥值，會調用對應的高原曲線，進而調整發動機噴油量等參數；針對三個高原海拔段對發動機噴油量進行限制，以實現不同海撥條件下發動機輸出功率的較小差異，保證與變距器或液壓系統的匹配。

通過調整噴流量的策略來達到發動機功率恢復的目的，噴油量調節策略如圖1所示，相較于118 kW平原機型，129 kW高原機型三個高原海拔模式下的噴油量保護值均有所下調，隨著海拔上升，平均噴油量下調量依次為6%、12%、18%，在保證發動機正常運行的基礎上，最大可能的恢復發動機功率。

5 結束語

該設備動力系統高原型改造后，在川藏鐵路達嘎拉隧道進行試驗，歷經極限溫度與多風沙工況，發動機運行狀況良好，動力系統與行走系統匹配正常；應急狀態下，為工作機構提供動力，設備工作正常，最高行駛速度13 km/h；滿足高原隧道施工要求。