柴油機高原動力性能仿真及環境模擬系統影響分析

冀樹德，張勃，劉峰春，劉志剛，楊文影，孔祥鑫，劉宇強，任路，賈曉亮

(1.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2.陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐臨汾地區軍事代表室，山西 侯馬 043011)

我國高原面積覆蓋率超過65%，柴油機作為重要動力源，對高原地區運輸、生產、工程等作業具有舉足輕重的地位和作用。

高原性能是柴油機一項重要指標，其設計與驗證是整個產品定型和生產的必經環節，在柴油機研制過程中也會花費大量時間對其進行攻關和驗證。傳統的方法是柴油機試生產裝車在實際高原環境地區試驗驗證，然后改進、定型和生產，這樣的方式研制成本高、周期長，不利于快速定型和生產。為了縮短研制周期、節約研發成本，現在通常在臺架上利用高原環境模擬系統對柴油機各項性能指標進行預驗證和完善，然后再定型生產，從而減少改進再設計的環節。然而，基于高原環境模擬系統驗證確定的柴油機在實際高原環境地區應用時，各方面性能與臺架驗證存在一定的差別，產品往往得不到充分驗證，還增加了研發環節，變相增加了研制成本。

本研究就某6缸高原用柴油機，利用GT-Power構建整機模型，設計高原環境邊界條件，結合進排氣高原環境模擬系統臺架試驗對標驗證模型的可行性，分析柴油機進排氣高原環境模擬系統開發時的主要影響因素，進而對高原環境模擬系統驗證提出改進意見，以實現模擬系統與實際環境柴油機性能的一致性。

1 整機模型及環境條件設計

1.1 柴油機系統模型

研究對象為V型6缸增壓中冷柴油機，V形夾角90°，四沖程，發火順序為1—4—5—2—3—6，直列泵噴射系統。根據輸入要求及相關設計參數構建柴油機系統仿真模型，實現柴油機性能仿真。

1.2 環境模擬子系統模型

環境模擬系統(見圖1)包括冷卻、加濕、降壓等系統。新鮮空氣首先經過空氣濾，冷卻除濕，由1號風機送入轉輪干燥機進一步除濕，所需氣體繼續經過二級冷卻器和三級冷卻器進行冷卻降溫和除濕，以確保供應的氣體足夠干燥，同時達到環境模擬所需的氣體溫度。然后，由3號風機送于加濕保持管，由蒸汽加濕器對供應的氣體按需求進行加濕。最后，由羅茨風機抽吸、排出室外。如果需要該系統對試驗對象進行環境模擬，試驗對象在加濕保持管和排氣冷卻器之間接入，模擬系統的出口接試驗對象的入口，模擬系統回路接試驗對象的排氣口，這樣在原有系統管路并入一路包含試驗對象的環路，從而實現環境模擬。

圖1 環境模擬系統結構及連接關系

結合圖1高原環境模擬系統的結構及實際物理連接模型，環境模擬系統可簡化為圖2所示的結構，圖中所示管路角度無實際意義，也和真實管路走向不存在一一對應關系。考慮直徑D1=300 mm不銹鋼管內氣體狀態為均勻等質狀態，在各個點模擬出的環境條件是相同的。因此，環境條件模擬系統在GT模型中可簡化為兩段管路：模擬系統到增壓器壓氣機入口的管路和增壓器渦輪連接模擬系統的管路。進氣連接管路由D2=150 mm不銹鋼管、D4=150 mm內嵌螺絲鋼套塑料管、進氣流量計和變徑管組成，排氣連接管路由D3=150 mm不銹鋼管和變徑管組成，進氣流量計的材料也為不銹鋼，管徑與連接管路相同，故忽略其對模型的影響。系統中變徑管兩端的直管段分別計入相鄰元件，設計時僅考慮錐形部分。

圖2 環境模擬系統簡化結構

考慮環境模擬系統條件，需在柴油機系統模型中加入模擬系統的元素，即圖3所示的仿真部分，增加進氣管路和排氣管路模擬連接的部分。

圖3 環境模擬系統仿真模型

2 仿真模型校驗及環境性能分析

2.1 柴油機系統仿真模型校驗

基于上述設計的GT-Power模型，高原模擬環境壓力和溫度分別設定為89.9 kPa和25 ℃，配置1 300 r/min，1 500 r/min，1 800 r/min，2 000 r/min和2 200 r/min 5個轉速，并設定各轉速對應的噴油量等相關參數，仿真柴油機外特性工況。對GT-Power仿真模型和環境模擬系統在5個工況下進行對標分析，并調整模型與實際不對應或不一致的部分，最終確定設計模型的可行性。結果見圖4。

在2 000 r/min外特性工況點，進氣流量仿真計算值與實際測量值間誤差最大，為4.4%；在2 200 r/min標定工況點，柴油機缸內壓力仿真計算值與實際測量值間誤差最大，為4.4%。由于模型與系統之間存在不可避免的差異，柴油機計算和實測輸出功率也存在一定差異，最大差異工況點為標定工況點，誤差為0.82%(見圖4)。由于仿真與實際的邊界條件不可能完全一致，而且模型運算基于各介質的理想假設，模型和實際間誤差小于5%，認為仿真模型是有效的、可行的。

圖4 模型仿真與系統模擬對比分析

2.2 柴油機高原性能仿真分析

采用經過對標校驗的柴油機系統模型，在不引入環境模擬系統的情況下，設定環境模擬溫度25 ℃不變，調整不同模擬海拔，研究柴油機在不同海拔時的性能。

隨著海拔的增加，柴油機進入氣缸參與燃燒的空氣量明顯減少，海拔越高、轉速越高越嚴重(見圖5)。低于最大扭矩轉速，海拔引起的進氣量減少隨轉速基本呈線性變化；大于最大扭矩轉速工況，海拔越高，進氣量降幅越歷害，不呈線性變化。海拔增加，柴油機吸入氣缸內的氣量減少，在供油量不變的情況下，參與燃燒空氣與燃料的比例下降，缸內混合物濃度增加，燃燒惡化，缸內峰值壓力降低，出現嚴重的后燃，導致燃燒效率下降，動力性能下降。

圖5 進氣量隨海拔變化情況

隨著海拔的增加，柴油機的功率下降，其中高海拔時功率下降幅度大于低海拔時。在高海拔時，柴油機在高轉速時功率下降幅度高于低轉速，如海拔5 000 m時，1 800 r/min，2 000 r/min，2 200 r/min外特性工況功率下降幅度遠高于1 300 r/min和1 500 r/min外特性工況。對于該柴油機，海拔5 000 m標定工況功率下降6.3%，1 300 r/min外特性工況功率下降3.4%(見圖6)。此外，海拔1 000 m和海拔2 000 m時，柴油機在所有工況下功率下降相對平穩。

圖6 柴油機輸出功率隨海拔變化情況

采用相同的模型，設定模擬海拔5 000 m，調整環境模擬溫度，研究柴油機在高海拔不同溫度時的性能。

隨著環境模擬溫度的上升，進入氣缸參與燃燒的空氣量增加，進氣量與轉速、環境模擬溫度大致呈線性關系，隨轉速增加而增加，隨模擬溫度升高而減少(見圖7)。以海拔5 000 m、模擬溫度25 ℃為基準，分析其他環境溫度時柴油機性能變化情況，結果見圖8。在-20～45 ℃環境溫度范圍內，柴油機功率最大變化約4%，中低轉速運行工況功率輸出受溫度影響較為明顯，轉速越低影響越大。以1 800 r/min轉速為界，高于此轉速，功率輸出受溫度影響較小，低于此轉速，功率輸出受溫度影響較大，而且在最低測試轉速時影響達到最大。

圖7 溫度對柴油機進氣流量的影響

圖8 溫度對柴油機輸出功率的影響

3 高原模擬系統對柴油機性能模擬的影響

3.1 進排氣模擬壓力不平衡對柴油機特性的影響

在模型中不引入環境模擬系統，保持柴油機排氣壓力不變，改變進氣壓力，分析柴油機性能變化，進而分析實際使用中進排氣潛在不平衡對柴油機動力的影響，如排氣背壓升高或降低對柴油機動力的影響。

采用模型仿真時，設定排氣模擬海拔4 500 m不變，進氣以1 000 m幅度依次變化，模擬結果見圖9至圖11。進氣模擬壓力升高時，進入氣缸參與燃燒的氣量也相應增加，在所有工況呈現相同的趨勢。標定工況點進排氣模擬海拔平均落差增加1 000 m，進氣量增加315 kg/h，相當于進氣模擬壓力平均增加1 kPa時，柴油機進氣量增加36 kg/h(見圖9)。在燃油消耗保持不變的前提下，空燃比增加，混合更加均勻，缸內燃燒也更加徹底，柴油機功率得到提升(見圖10)。進一步知，進排氣模擬海拔落差越大，功率增加幅度越大，其中在最大扭矩轉速對柴油機動力影響最大，進排氣模擬海拔落差為4 500 m時，功率增加10.5 kW，相當于進氣模擬壓力平均增加1 kPa時，柴油機功率增加1.35 kW。

圖9 進氣模擬壓力高于排氣壓力時進氣量的變化

圖10 進排氣壓力差導致的輸出功率變化

無論是低海拔模擬還是高海拔模擬，進氣壓力高于排氣壓力的模擬環境都促使柴油機功率增加。與進排氣模擬海拔皆為4 500 m模擬環境相比，進排氣模擬海拔落差為4 500 m(57.7 kPa)時，在標定工況點功率增加30 kW，在最大扭矩工況點功率增加35 kW(見圖11)。隨著轉速增加，功率增加幅度減小，由此可見，轉速越低柴油機動力性能受影響越嚴重。

圖11 各轉速下進氣模擬海平面較海拔4 500 m功率的變化

采用相同模型，保持柴油機進氣壓力不變，分析排氣壓力對柴油機性能的影響。進氣模擬保持海拔4 500 m，排氣按照不同海拔條件進行模擬。

隨著排氣壓力與進氣壓力差值的增大，進氣量減少，缸內混合物變濃，燃燒組織困難，柴油機動力性能下降。在高轉速外特性工況，排氣與進氣壓力間較小的差值對柴油機進氣量影響較小，混合物比例接近正常燃燒比例，缸內燃燒依然能維持正常狀態，因而柴油機動力性能仍能維持。如2 200 r/min和2 000 r/min轉速外特性工況排氣與進氣壓力差值小于12 kPa時，1 800 r/min轉速外特性工況排氣與進氣壓力差值小于7 kPa時，進入氣缸參與燃燒的氣量都是幾乎維持不變的(見圖12)。

圖12 排進氣壓力差導致的進氣流量變化

自轉速1 500 r/min以下，排氣與進氣的壓力差對柴油機性能有直接影響，只要壓力差存在，柴油機性能就會惡化，且隨著差值的增加幾乎呈線性變化。對于1 300 r/min轉速運行工況，排氣與進氣壓力差每增加1 kPa，柴油機功率下降約1 kW(見圖13)。

圖13 排進氣壓力差導致的功率輸出變化

3.2 進氣模擬管路特征變化對柴油機特性的影響

在原有模型中，僅引入環境模擬系統中進氣管路連接模型，分別調整進氣模擬管路長度、管徑和表面粗糙度，分析海拔4 500 m柴油機性能變化情況。

將圖14中進氣模擬管路長度依次設為10 m，8 m，6 m，4 m，2 m，0.1 m，設定柴油機高原模擬環境條件為海拔4 500 m。忽略管路材料可能引起的沿程損失，進氣模擬管路長度的增加會導致進氣口氣體壓力下降，最大降幅小于0.5 kPa(見圖15)，對管內氣體流動影響較小，氣體流量仍基本保持不變。在供油量不變的情況下，缸內混合物的比例主要取決于進氣量，進氣量變化不大，柴油機動力參數變化不大。進氣模擬管路長度變化1 m時，柴油機全工況功率變化小于0.1 kW，即高原進排氣環境模擬系統與柴油機進氣口連接10 m的管路，柴油機功率下降小于1 kW。

圖14 進氣模擬管路與柴油機的連接關系

圖15 進氣管路長度對進口壓力的影響

調整進氣模擬管路直徑，分析柴油機性能變化。進氣管路直徑大于0.2 m時，柴油機進氣口的壓力變化較小，進氣流量變化也較小，缸內混合物比例維持不變，功率也維持原狀。如進氣模擬管路管徑從0.2 m變為1 m，柴油機進氣口的壓力增加量小于0.2 kPa，計算標定工況點進氣流量的損失僅為12 kg/h，不足以引起柴油機性能的變化。然而，進氣模擬管路直徑小于0.2 m時，柴油機進氣口的壓力發生急劇下降，管路直徑每減少0.1 m會產生大于1 kPa壓降(見圖16)，進氣流量同時下降，缸內燃燒惡化，柴油機動力性下降。管徑小于0.2 m時對柴油機動力性的影響遠超過管徑大于0.2 m時，在最大扭矩轉速工況，進氣模擬管路單位直徑增加導致功率下降約2.5 kW(見圖17)。

圖16 進氣管路管徑對進口壓力的影響

圖17 進氣管路管徑對功率輸出的影響

調整進氣模擬管路表面粗糙度以表征不同材料或加工工藝，進而分析柴油機功率變化情況。進氣管路表面粗糙度大于0.1 mm時，柴油機進氣口壓力呈拋物線下降；柴油機處于標定工況，進氣管路表面粗糙度由0.1 mm變為1 mm時，進氣管入口壓力下降約0.4 kPa。隨著表面粗糙度增加，進氣管入口的壓力下降更加嚴重(見圖18)。進一步分析知，進氣管表面粗糙度從0.1 mm增大時，進氣流量開始有一定的變化，進氣量減小對缸內燃燒過程有一定的影響，但影響程度不是很大。在柴油機標定工況點，進氣管路表面粗糙度由0.1 mm變為1 mm，功率下降約0.5 kW。

圖18 進氣管路表面粗糙度對進口壓力的影響

3.3 排氣模擬管路特征變化對柴油機特性的影響

在原有模型中，僅引入環境模擬系統中排氣管路連接模型，分別調整排氣模擬管路長度、管徑和表面粗糙度，分析海拔4 500 m柴油機性能的變化情況。

隨著排氣模擬管路長度變化，柴油機排氣管出口壓力會因周期工作循環缸內排氣壓力的影響，呈現出非單一趨勢變化，但排氣管出口壓力隨管路長度變化幅度整體小于1 kPa(見圖19)，對柴油機功率的影響也比較小，在管路長度整個變化范圍內基本保持恒定。標定工況點，柴油機排氣管路長度變化約10 m時，功率變化小于0.2 kW，可以忽略。

圖19 排氣管路長度對排氣出口壓力的影響

排氣管路保持長度10 m不變，僅調整排氣模擬管路直徑，分析柴油機性能的變化。

隨著排氣模擬管路直徑的增加，柴油機排氣出口壓力下降，外特性工況點轉速越高降幅越大，標定工況點排氣出口壓力下降6.25 kPa，即排氣模擬管路直徑從0.1 m增加到1 m，會引起排氣出口模擬海拔下降約800 m(見圖20)。進一步觀察發現，排氣模擬管路直徑在0.15 m內變化時，排氣出口壓力變化劇烈，隨著管路直徑增加，出口壓力變化趨于平緩，其實是管徑為0.2～0.5 m時，最后為管徑大于0.5 m時。在1 800 r/min和2 000 r/min外特性工況，排氣模擬管路直徑小于0.15 m時，單位直徑變化會引起排氣出口壓力變化35 kPa(見圖21)；排氣模擬管路直徑對中高轉速(高于1 500 r/min)外特性工況點排氣出口壓力的影響大于中低轉速(低于1 500 r/min)工況。盡管中高轉速排氣模擬管路直徑變化對排氣出口壓力有影響，但柴油機整體性能與中低轉速工況相比，影響較小。

圖20 排氣管路直徑對排氣出口壓力的影響

圖21 排氣管路長度對排氣出口壓力的影響

排氣出口壓力變化影響參與缸內燃燒的空氣消耗，進氣流量影響同樣是中低轉速工況大于中高轉速工況，隨著排氣模擬管路直徑增加，進氣量增加。進氣量進一步影響缸內燃燒，最終影響柴油機動力輸出。排氣模擬管路直徑對中低轉速工況性能的影響大于中高轉速，在1 300 r/min和1 500 r/min轉速工況排氣管路直徑對柴油機功率平均影響程度是1 800～2 200 r/min轉速工況的5倍(見圖22)，如1 300 r/min時單位直徑功率變化為10 kW/m，而2 200 r/min時約為2 kW/m。在中高轉速外特性工況，排氣模擬管路直徑全范圍變化時柴油機功率下降平均約1 kW；中低轉速外特性運行工況，排氣模擬管路直徑從1 m到0.1 m不等梯度遞變時，柴油機功率平均每次下降2 kW。

圖22 排氣管路直徑對功率輸出的影響

保持排氣管路長度10 m，直徑0.15 m，調整排氣模擬管路表面粗糙度，分析柴油機性能變化(見圖23)。排氣模擬管路表面粗糙度大于0.1 mm時，柴油機排氣出口壓力才有較為明顯的變化。以2 000 r/min外特性工況為例，管路表面粗糙度從0.1 mm變為1 mm時，柴油機排氣口壓力變化為0.6 kPa，即使變為5 mm，柴油機排氣口壓力變化也僅為1.3 kPa，不足以引起缸內燃燒過程的變化，柴油機性能也基本不變。

圖23 排氣管路粗糙度對排氣出口壓力的影響

3.4 進排氣模擬管路特征變化對柴油機特性的影響

同時引入環境模擬系統中進氣和排氣連接管路，高原環境模擬海拔4 500 m、溫度25 ℃，對進氣和排氣連接管路同步調整，分析柴油機性能變化。根據前述兩部分的分析，排氣管路主要考慮直徑變化，根據趨勢變化相似性原理，運行工況選取標定轉速工況和1 300 r/min外特性工況進行分析。

進氣模擬管路長度和排氣模擬管路直徑關聯變化，進氣模擬管路長度固定10 m或排氣模擬管路直徑固定0.2 m，另一參數變化，分析結果見圖24和圖25。在標定工況，排氣模擬管路直徑變化大于20%時柴油機功率變化減緩，大于50%時柴油機功率變化趨于穩定，而進氣模擬管路長度在整個范圍變化時，柴油機功率小幅變化，總體變化小于0.5 kW(見圖24)；1 300 r/min外特性工況，二者對功率變化影響趨勢與2 200 r/min時是相同的。對比圖24和圖25發現，無論在中高轉速還是中低轉速運行工況，進氣模擬管路長度對柴油機功率的影響較小，而排氣模擬管路直徑在中低轉速運行工況對柴油機功率影響則比較明顯，如1 300 r/min外特性工況排氣模擬管路直徑變化從20%減到10%時，柴油機功率下降近5 kW(見圖25)。

圖24 2 200 r/min時進氣管長度與排氣管徑的影響

圖25 1 300 r/min時進氣管長度與排氣管徑的影響

進氣模擬管路和排氣模擬管路直徑關聯變化，進氣模擬管路直徑固定0.1 m或排氣模擬管路直徑固定0.2 m，另一參數變化，分析結果見圖26和圖27。在標定工況，進排氣模擬管路直徑變化大于20%，柴油機功率都趨于穩定；1 300 r/min外特性工況，變化趨勢相同(見圖27)。對比圖26和圖27發現，標定工況進氣模擬管路直徑變化小于20%(尤其小于15%)后，柴油機功率變化明顯，進氣模擬管路直徑減小5%，柴油機功率下降近3 kW；1 300 r/min外特性工況時則是排氣模擬管路直徑影響較大，排氣模擬管路直徑變化小于20%后，柴油機功率變化明顯，排氣模擬管路直徑減小10%，柴油機功率下降近5 kW，而同樣比例的進氣模擬管路直徑減小只有約1 kW的功率降幅。

圖26 2 200 r/min進排氣管徑的影響

圖27 1 300 r/min進排氣管徑的影響

進排氣管長度都固定10 m不變，保持進氣管路直徑0.15 m不變，進排氣模擬管路表面粗糙度和排氣模擬管路直徑關聯變化，排氣模擬管路直徑固定0.2 m或表面粗糙度固定5 mm，另一參數變化，分析柴油機的性能變化，結果見圖28和圖29。在引入進/排氣模擬管路表面粗糙度參數后，管路特征變化對柴油機性能影響加強，尤其是排氣管路直徑變化小于20%時。排氣模擬管路直徑變化小于20%時，排氣管路直徑對柴油機性能的影響大于表面粗糙度的影響，排氣管直徑變化大于20%后表面粗糙度(1 mm)的影響大于排氣模擬管直徑。對于表面粗糙度參數變化不大于20%和排氣模擬管路直徑變化大于20%的情況，高轉速工況表面粗糙度對柴油機性能影響大于排氣模擬管路直徑，低轉速工況排氣模擬管路直徑對柴油機性能影響大于表面粗糙度。如上述條件下，2 200 r/min轉速工況表面粗糙度參數對柴油機性能影響大于排氣模擬管路直徑，1 300 r/min轉速工況排氣模擬管路直徑對柴油機性能影響大于表面粗糙度參數(見圖28和圖29)。

圖28 2 200 r/min排氣管徑和表面粗糙度的影響

圖29 1 300 r/min排氣管徑和表面粗糙度的影響

4 結論

a)高原環境條件下，壓力對柴油機性能的影響大于溫度，隨著環境壓力下降，柴油機功率下降，由于柴油機控制條件限制，壓力下降與功率下降呈非線性關系，尤其是高轉速工況；海拔5 000 m標定工況功率下降6.3%；隨著環境溫度下降，柴油機性能轉好，尤其是1 800 r/min以下轉速工況；

b)環境模擬系統進排氣壓力不平衡對柴油機性能有較大的影響，進氣壓力高于排氣壓力，促進柴油機性能改善，在最大扭矩轉速工況影響最大，平均單位壓力變化會導致功率增加約10 kW；排氣壓力高于進氣壓力時，中高轉速工況柴油機性能仍能維持，中低轉速則直接惡化；

c)進氣管路特征參數包括管路長度、管路直徑、管路表面粗糙度，都對柴油機性能有影響，影響程度依次為直徑、長度、表面粗糙度，進氣模擬管路直徑小于0.2 m時對柴油機性能影響會加劇，因此在實際應用中建議選型至少大于0.2 m的進氣模擬管路；

d)排氣管路特征參數包括管路長度、管路直徑、管路表面粗糙度，但僅有管路直徑對柴油機性能有大的影響，管路長度和表面粗糙度的影響可忽略；排氣模擬管路直徑小于0.2 m時對柴油機性能影響較大，尤其低于最大扭矩轉速工況時性能惡化嚴重，1 300 r/min轉速工況功率平均降幅10 kW/m；

e)進一步分析進排氣管路多特征變化對柴油機性能的影響程度，發現柴油機性能受影響程度在轉速和管路特征方面存在臨界值，臨界值前后不同參數的影響程度不同。