車用柴油機高原性能模擬試驗及性能提升策略

許 翔 劉瑞林 董素榮 劉 剛

軍事交通學院，天津，300161

0 引言

高原環境適應性是制約高原地區車輛、工程機械、農業機械、柴油發電機組等以柴油機作為動力源的動力機械及設備性能發揮的重要因素之一［1］。由于受內燃機工業技術的制約及缺乏相關的高原環境適應性技術，大多數柴油機在論證、設計、研制和定型時未充分考慮高原環境適應性，導致其不能滿足高原地區的使用要求，造成了巨大的經濟損失和嚴重的環境污染等問題［2－4］。因此，研究高原環境對柴油機性能的影響規律，對研究和提高柴油機的高原環境適應性具有非常重要的意義。本文針對車用柴油機在高原使用中存在的問題，通過理論分析及高原環境模擬試驗，系統分析和研究了高原低氣壓、低溫環境條件對柴油機各主要性能的影響規律和機理，提出了提高柴油機高原適應能力的技術措施。

1 柴油機高原性能模擬試驗裝置

柴油機高原性能模擬試驗是柴油機研制、定型、選型、使用等過程中的一項重要基礎性工作，也是驗證柴油機高原環境適應性的重要手段。為了考察柴油機性能隨海拔高度的變化規律，在軍事交通學院軍用動力機械高原環境實驗室，對4種不同排量、不同類型的柴油機進行了高原模擬試驗研究。

圖1為柴油機高海拔（低氣壓）模擬試驗臺示意圖。試驗臺主要由柴油機高海拔（低氣壓）模擬系統、環境溫度控制系統、CW260電渦流測功機、油耗儀、進排氣壓力傳感器、溫度傳感器、空氣和冷卻水流量計等儀器設備組成。

圖1 柴油機高海拔（低氣壓）模擬試驗臺示意圖

試驗臺利用進氣節流和排氣抽真空的方法模擬柴油機在低氣壓下的工作狀態，模擬海拔范圍為0～6000m；環境溫度范圍為－41～30℃。模擬試驗中氣壓和空氣密度與海拔高度的關系見表1。

表1 氣壓和空氣密度與海拔高度的對應關系

2 高原環境對柴油機性能的影響

2.1 高原環境對柴油機動力性能的影響

在不同模擬海拔高度下對4種不同排量及類型的柴油機進行了外特性試驗，圖2所示為柴油機的額定功率及最大扭矩隨海拔高度的變化關系。試驗表明，盡管不同類型柴油機在不同海拔高度（氣壓）下的動力性隨海拔變化規律存在一定差異，但它們之間的變化規律基本是一致的。

隨著海拔的升高，氣壓和空氣密度降低，進氣量減少、燃燒惡化等導致柴油機的功率和扭矩下降。海拔高度每升高1000m，非增壓柴油機的額定功率約下降3.2%～17.7%，增壓柴油機的額定功率約下降0.16%～10.8%；當海拔達到5000m時，相對于平原而言，柴油機的額定功率下降了3.6%～38.9%，最大扭矩下降了5.5%～37.8%。由此可見，非增壓型柴油機的動力性隨海拔高度增加呈明顯下降的趨勢；渦輪增壓器通過壓縮空氣來增加柴油機進氣量，具有自動補償柴油機高原功率下降的能力。因此，增壓型柴油機的高原適應性明顯優于非增壓型柴油機，其動力性隨海拔高度增加下降較為緩慢。

在海拔3000m以下，柴油機的額定功率隨海拔升高緩慢下降；當海拔超過3000m時，額定功率隨海拔升高下降明顯。當海拔超過2000m時，柴油機的最大扭矩隨海拔升高下降明顯；海拔3000m以上時，最大扭矩隨海拔升高急劇下降。對于各種不同類型的柴油機而言，海拔3000m是柴油機動力性能發生突變的“拐點”。因此，對柴油機進行海拔3000m性能試驗可以評價柴油機的高原適應性，通過其動力性能指標的變化驗證柴油機是否滿足高原使用要求。

2.2 高原環境對柴油機經濟性能的影響

圖3所示為柴油機最低燃油消耗率隨海拔高度的變化關系。隨著海拔的升高，氣壓減小，空氣密度下降，進入氣缸內的空氣量減少，導致燃燒過程變差，柴油機有效熱效率減小，從而使柴油機燃油消耗率隨著海拔的升高而增加［5］。相對于平原而言，當海拔達到5000m時，柴油機的油耗增加了4.3%～49.4%。海拔為0～3000m時，柴油機的油耗隨海拔變化不明顯；當海拔超過3000m時，非增壓柴油機的油耗量明顯增大；電控柴油機由于沒有進行高原標定，油耗量明顯增大；較大排量柴油機的供油系統進行了調整，油耗量隨海拔升高緩慢增大。

圖3 最低燃油消耗率隨海拔高度的變化關系

2.3 高原環境對柴油機起動性能的影響

高原地區海拔高、空氣含氧量少、晝夜溫差大、寒冷季節長，柴油機機體、冷卻液、機油、燃油和蓄電池電解液等都處于低溫狀態，導致柴油機起動阻力和摩擦阻力增大。柴油機的進氣溫度和流量同時下降，造成柴油機缸內壓縮終了的溫度和壓力下降，導致缸內混合氣及燃燒條件達不到柴油機點燃和續燃要求［6］。此外，蓄電池的電量由于低溫驟減［7］（－40℃時，電量約下降50%），導致柴油機起動系統功率下降，使柴油機起動轉速低于起動必需的最低轉速。

以上因素的共同作用造成柴油機在高原低溫條件下冷機起動十分困難。通過高原地區車輛裝備的低溫起動試驗得知，即使采用傳統冷起動措施，約75%的柴油機在海拔3000m以上、氣溫低于－15℃的環境條件下不能順利起動，給高原地區車輛裝備的使用造成許多不便。

2.4 高原環境對柴油機熱平衡性能的影響

柴油機的熱平衡性能與環境氣壓和溫度條件密切相關。在高原地區，氣壓、空氣密度和進氣氧含量降低，這使得柴油機的過量空氣系數下降，導致柴油機燃燒不充分，后燃現象嚴重，使柴油機熱負荷增大。另外，水的沸點及冷卻系統空氣質量流量隨著海拔的升高逐漸下降，導致冷卻系統的散熱能力變差［8］。這些因素共同作用導致柴油機排溫升高，冷卻水和潤滑油溫度偏高，柴油機熱負荷過大。圖4所示為不同海拔高度下柴油機排氣溫度隨轉速的變化趨勢。海拔每升高1000m，柴油機的排氣溫度約平均升高8～25℃。

圖4 不同海拔高度柴油機排氣溫度曲線

在平原地區運行良好的柴油機，在高原地區運行過程中出現了一系列熱平衡問題，如車輛在高海拔地區行駛或爬長坡時，柴油機熱負荷加劇，嚴重時導致“開鍋”、汽缸墊和排氣管燒損、拉缸等現象，最終導致柴油機不能正常工作。出現這些問題的根本原因是設計冷卻系統時未充分考慮高原環境對柴油機熱平衡性能的影響，導致冷卻系統的高原環境適應性差，柴油機的熱平衡性能不能滿足高原地區的使用要求。

3 柴油機高原性能提升技術措施

為了全面提升柴油機的高原性能，恢復柴油機的功率，提高柴油機的經濟性、起動性能和熱平衡性能，降低柴油機的排放，可以采用高原增壓技術、供油系統調整及結構優化技術、低氣壓低溫起動技術、熱平衡控制技術和電控柴油機高原標定技術。

3.1 高原增壓技術

增壓技術是柴油機在高原地區進行功率恢復、性能提升最有效的技術措施［9］。柴油機匹配渦輪增壓器后，可以提高柴油機的進氣密度、增大進氣量，改善燃燒過程，提高柴油機的動力性和經濟性。但是，目前柴油機大多針對固定的海拔高度進行增壓匹配，當柴油機工作海拔發生變化時，柴油機與增壓器的匹配性能發生變化，性能會發生急劇下降［10］。同時，渦輪增壓器在高原運行時容易出現超溫和超速現象，影響了渦輪增壓器的正常使用。

目前，國際上最先進的內燃機增壓技術主要有可變截面渦輪增壓技術、二級增壓技術和高增壓技術［11］。這3種增壓技術各有優缺點，將可變截面渦輪增壓技術與二級增壓技術結合在一起使用，即采用可調二級增壓技術，可以實現增壓比的可調，具有瞬態響應特性好的特點，滿足柴油機在不同海拔高原地區及運行工況下的增壓需求。因此，從增壓技術先進性和變海拔適應性來看，可調二級增壓技術是未來高原車輛柴油機首選的增壓技術。

3.2 供油系統調整及結構優化技術

調整柴油機供油系統參數，如供油提前角、循環噴油量、噴油壓力等，可以解決柴油機高原功率恢復問題。但是這種方法會增大燃油消耗量，降低柴油機的燃油經濟性。因此，供油系統調整一般僅作為一種輔助手段使用。

柴油機結構優化主要包括：①排氣管優化，對排氣管的長度、截面積等進行優化，提高廢氣能量的利用，進而提高增壓器效率；②燃燒室結構優化，提高壓縮比，進而實現柴油機高原燃燒優化；③燃油系統結構優化，通過對高壓油泵和噴油器結構參數進行優化，優化噴油參數、提高燃油霧化質量，改善燃燒過程［9］。

3.3 低氣壓低溫起動技術

目前，我國高原地區使用的柴油機幾乎都裝備有冷起動輔助措施（加注啟動液、電熱塞、進氣預熱裝置等），但行之有效的柴油機低氣壓低溫起動措施還很少。傳統的柴油機冷起動輔助措施均不能使柴油機在高原極端環境條件（5500m、－41℃）下順利起動。

近幾年，液體循環加熱裝置（如燃油加熱器）、蓄電池保溫裝置、膠體蓄電池、蓄電池并聯超級電容等柴油機冷起動輔助裝置及新型起動電源得到了廣泛應用［7－8］。將燃油加熱器作為柴油機預熱系統，通過加熱循環冷卻液來提高柴油機機體、機油、燃油或蓄電池的溫度，可實現柴油機在熱機狀態下的起動。同時，將蓄電池保溫裝置、膠體蓄電池或蓄電池并聯超級電容作為起動電源，可以徹底解決普通蓄電池的高原適應性問題。采用燃油加熱器與新型起動電源相結合的組合式柴油機冷起動輔助措施，既提高了柴油機的起動能力，又不降低柴油機的可靠性和耐久性，能夠徹底解決高原寒區柴油機的冷起動問題。

3.4 熱平衡控制技術

傳統的柴油機冷卻系統采用蠟式節溫器、機械驅動冷卻水泵和冷卻風扇，無法按柴油機的冷卻需求調節冷卻介質的流速和流量，難以使柴油機在最佳的溫度下工作，甚至導致柴油機出現熱平衡問題。

柴油機熱平衡控制技術也稱為柴油機熱管理技術，是解決柴油機高原熱平衡問題的有效措施［12］。柴油機熱平衡控制技術通過采用電控節溫器、電控風扇、電控水泵，可以根據環境條件（氣壓和環境溫度）、運行工況及冷卻液的溫度來動態調整冷卻風扇轉速、水泵流量、節溫器的開啟等，進而控制柴油機的冷卻量，最終實現冷卻系統的電控化和智能化，解決柴油機在高原地區的熱平衡問題，保證柴油機冷卻系統不過熱、不“開鍋”，提高柴油機冷卻系統的高原環境適應能力。

3.5 優化標定技術

隨著能源危機及排放法規的日趨嚴格，電子控制技術在柴油機上的應用越來越廣泛。為了最大限度地滿足柴油機在高原運行時的動力性、經濟性、起動性能和排放性能等要求，必須對電控柴油機進行精確的匹配標定，以確定各控制參數和調節參數（噴油量、噴油定時、噴油壓力、噴油速率等）的最優值。電控柴油機的標定已經成為柴油機開發和整車匹配中不可缺少的重要環節［13］。

通過電控柴油機高原優化標定，可以大大地改善柴油機的高原使用性能，提高柴油機的動力性、經濟性及運轉穩定性，改善柴油機的低溫起動性能和排放性能，使柴油機獲得很寬的海拔高度使用范圍，提升柴油機的高原適應能力。

4 結語

通過不同排量及類型的車用柴油機高原性能模擬試驗，研究分析了海拔高度對柴油機動力性、經濟性和冷起動等性能的影響。試驗表明：低氣壓和低溫是影響柴油機高原性能的主要環境因素；當海拔高度超過3000m時，柴油機的各項性能指標均明顯下降；柴油機高原性能的下降是導致車輛裝備性能下降的主要原因。在提升車用柴油機高原性能的關鍵技術中，高原增壓技術、供油系統調整及結構優化技術、低氣壓低溫起動技術、熱平衡控制技術、電控柴油機高原標定技術是車用柴油機高原動力性、經濟性、起動性、熱平衡等綜合性能提升的關鍵技術。

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