高原環境對裝甲車輛動力系統性能影響機理研究

盧亞輝，張 晶，王微

（1.北京特種車輛研究所，北京 100072； 2.總裝備部后勤部司令部，北京 100720）

引言

高原環境總體呈現降雨較少，空氣干燥、稀薄，太陽輻射較強，氣溫較低等特點，加之地形復雜、交通不便的影響因素，對裝甲車輛的動力性能產生較大影響。裝甲車輛在高原地區使用易出現輸出功率下降、燃油消耗量增加、起動困難等現象。某型裝甲車輛在高原環境使用，加溫起動使用頻率明顯高于平原地區，長期使用過程中多次出現發動機氣缸墊燒蝕、拉缸等故障。這些問題一定程度上影響了裝備的正常使用，制約了裝備能力的發揮。

本文以理論計算為基礎，結合典型裝甲車輛高原環境試驗數據，從動力及經濟性、冷卻效能和起動性能三方面，探索了高原環境對裝甲車輛動力系統性能的影響機理，為分析解決裝甲車輛高原環境使用中的實際問題提供支撐，在此基礎上對開展裝甲車輛動力系統高原環境適應性試驗提出了建議。

1 對動力及經濟性的影響機理

1.1 發動機功率

海拔升高，大氣壓力降低，影響了發動機缸內霧化和燃燒過程，造成缸內燃燒過程后移；同時大氣溫度降低，導致發動機的滯燃期增大；隨著大氣密度的降低，直接導致缸內平均有效壓力下降，最終影響發動機輸出功率。

對于四沖程發動機而言，發動機的有效功率與空氣密度、充氣系數、過量空氣系數和機械效率等參數相關，即：

式中：ρ0—空氣密度；l0—完全燃燒1kg燃料的理論空氣量；Hu—燃料的低熱值；Vh—氣缸工作容積；i—氣缸數目；ηv—充氣系數；ηi—指示熱效率；α—過量空氣系數；ηm—機械效率；n—發動機轉速。

在發動機結構指定的情況下，缸數和工作容積是一定的，燃料低熱值及完全燃燒1kg燃料的理論空氣量決定于燃料的成份，與海撥環境無關。因此，高原環境條件下，發動機的功率主要由以下幾個參數決定：

1.1.1 指示熱效率與過量空氣系數的比值ηi/α

指示熱效率ηi表示單位燃料量放出的熱量轉變為指示功的分量，而1/α則正比于進入氣缸的燃料量，所以ηi/α即正比于一個循環中燃料轉變為功的全部熱量。

一般來說，柴油機在α=2.5～3.5時，ηi達最大值，此時燃燒最完全。當α從這一數值開始減小時，將使燃燒不完全，后燃也增加，ηi逐漸下降。反之，當α從這一數值再增大時，由于循環供油量小，霧化不良，又引起燃燒不完全，ηi又逐漸下降。

當大氣壓力下降，決定了進氣壓力pin下降，一方面，致使壓縮行程終點的氣體壓力pe下降，導致著火延遲期τi變長，使缸內燃燒過程后移，指示熱效率下降。同時，由于進氣壓力下降，導致壓氣機入口處空氣密度的下降，使進入缸內的空氣質量流量降低。由于此時的循環供油量仍保持不變，使缸內形成燃氣混合過濃的情況，導致燃燒不完全，ηi逐漸下降，從而使發動機功率下降。

此外，大氣壓力下降，使缸內背壓降低，燃油的霧化過程變壞，進而影響可燃混和氣體的形成，也將使ηi下降，發動機功率下降。

1.1.2 空氣密度

高原環境大氣壓力降低，空氣密度ρ0下降，根據式（1）可知，發動機的有效功率也將降低。由于空氣密度的變化，高原環境下進氣量不足，導致缸內燃燒不完全，發動機無力并排黑煙。

1.1.3 充氣系數

在忽略配氣相位的影響下，可推導出充氣系數為：

式中：

T0—大氣溫度；ΔT—進氣溫升；ε—壓縮比；Δpa—進氣過程的壓力損失；Δpr—排氣過程的壓力損失；p0—大氣壓力。

大氣壓力p0下降，充氣效率降低，則使發動機有效功率降低。而大氣溫度降低，會使充氣系數降低，但在低溫條件下，空氣密度增大，雖然使進入氣缸中的充量的相對量有所下降，但絕對量有所升高。因此，在低溫條件下，應看低溫引起的空氣密度變化和充氣系數變化的綜合作用。

1.2 對廢氣渦輪增壓器的影響

在廢氣渦輪增壓發動機中，發動機排氣提供的能量由渦輪轉變為機械功，此功由壓氣機吸收，產生所需要的空氣量及相應的增壓壓力。

發動機在低轉速區由于流經渦輪的廢氣流量降低，使渦輪在低轉速區提供的功率下降，而壓氣機消耗功率與渦輪提供功率相同。因此，低轉速區壓氣機提供的增壓后壓力無明顯改善，廢氣渦輪增壓器在低轉速區的補償效果不明顯。

當發動機正常運轉后，由于高原環境使缸內燃燒后移，其排氣能量要高于平原狀態。另一方面，大氣壓力降低，使渦輪出口背壓下降，渦輪補償功率將進一步增大，使壓氣機后的增壓壓力提高，增大進氣流量，使發動機的功率有所恢復。但由于燃燒后移，導致渦輪超高速運轉，渦輪增壓器的機械負荷增大。

1.3 發動機扭矩

高原環境條件通過直接影響發動機輸出功率，使發動機的扭矩發生變化。同時對于帶渦輪增壓器的發動機而言，由于高原環境條件下發動機和渦輪增壓器的聯合運行特性曲線發生變化，發動機扭矩特性曲線也發生改變。發動機的功率與扭矩的關系為：

式中：M—扭矩；N—功率；n—發動機轉速。

發動機的功率隨著海撥高度的升高而降低，相應的其扭矩整體也同樣隨海撥升高而降低。對于廢氣渦輪增壓器的發動機而言，在低轉速區，由于大氣壓力和空氣密度減小，缸內燃燒不完全，排出的廢氣能量較低，給渦輪提供的廢氣焓低，其補償效果不明顯。某型裝甲車輛發動機模擬4500m高原外特性試驗，標定點功率下降15%～20%，最大扭矩點向高轉速區偏移。

1.4 燃油消耗量

一方面，大氣密度下降，充氣量降低，發動機指示熱效率下降，比油耗升高。另一方面，由于高海撥條件下，發動機功率降低和冷卻系統易出現過熱現象，在使用中車輛常處于低擋位高轉速狀態，也使發動機的燃油消耗量增大。

圖1為模擬環境臺架試驗曲線，海拔4500m時的比油耗曲線相對于平原狀態總體為上升趨勢。

高原環境實車試驗表明：車輛各參數處于良好平衡狀態正常行駛時，發動機轉速主要保持在2100～2400r/min，發動機處于高轉速區，燃油消耗量增大。

從以上分析可以得知：車輛在海拔4500米正常行駛時，一方面，由于空氣密度下降，發動機的功率下降，為了獲得適當的牽引力，發動機不得不增大噴油量以提高扭矩，從而使燃油消耗量增大；另一方面，發動機向高轉速區偏移，燃油消耗率也較平原地區增大。廢氣渦輪增壓的發動機尤其明顯，為了獲得更多的進氣補償，渦輪增壓器需要獲得更多的廢氣能量，為了保證進氣補償作用的發揮，發動機的轉速將較平原高，這也將導致發動機的燃油消耗量增加。

2 對冷卻效能的影響機理

2.1 對發動機熱負荷的影響

根據發動機熱平衡方程，單位時間供給發動機燃料所具有的熱量分配情況可表示為：

式中：QT—供給發動機燃料具有的熱量；Qe—轉化為有效功的熱量；Qc—冷卻介質帶走的熱量；Qr—廢氣帶走的熱量；Qb—燃料不完全燃燒的熱損失；Qs—余項損失。

圖1 模擬高原環境臺架試驗曲線

對于采用機械加油齒桿的發動機而言，由于發動機每循環的噴油量與平原相同，則供給發動機燃料具有的熱量是相同的。但轉化為有效功的熱量隨海撥高度上升而降低，因此，冷卻介質帶走的熱量和廢氣帶走的熱量都將上升。

大氣壓力的降低致使著火延遲期增大，在沒有改變供油提前角的條件下，著火延遲期進入氣缸的燃油量增大將使速燃期的混合燃氣一旦燃燒，缸內溫度急驟升高，增大發動機的熱負荷。同時，由于大氣密度的降低，使缸內出現不完全燃燒，未參與燃燒的燃油進入到緩燃期和后燃期，也將使發動機各零件的熱負荷增大，發動機的熱負荷增大，傳遞給冷卻系統的熱量將增大。

2.2 對冷卻性能的影響

冷卻水的沸點隨大氣壓力的降低而降低，使冷卻水帶走的熱量減少。同時，大氣密度的下降，流經散熱器的空氣流量下降，使氣流帶走的熱量減少，也將降低冷卻系統性能。

假定發動機本體壁面溫度分布均勻，則考慮發動機熱輻射、發動機與外界環境的熱交換，如圖2則有：

其中發動機放熱量Q由發動機轉速和負荷決定，發動機給冷卻水的傳熱Qint由下式確定：

發動機對外空氣熱交換由下式確定：

因此，當海撥高度上升，缸內燃燒溫度升高，則發動機傳遞給散熱器的熱量Qint上升，發動機機體溫度Twall將上升。

對于散熱器而言，如圖3：

圖2 發動機缸套傳熱示意圖

圖3 散熱器傳熱示意圖

散熱器溫度由下式計算得到：

式中：h—對流換熱系數；A—散熱面積；ρ—散熱器材料密度；V—散熱器體積；

空氣和冷卻水流經散熱器的對流換熱系數由無量綱數求出：

式中：Nu為努塞爾數，Nu＝hl/k；Re為雷諾數，Nu＝ρul/u；Pr為普朗特數，Pr＝μCp/k。

由式（8）可知，想要帶走Twall增加的溫升，在不改變結構的基礎上，冷卻系統有兩個方法，一是增加冷卻系統進出口的溫差ΔT，另一個是增大對流換熱系數h。對流換熱系數由式（9）求出，高海撥條件下雷諾數下降，導致努塞爾數下降，使對流換熱系數下降。因此，在高原環境條件下，發動機傳遞給冷卻系統的熱量增加，最終將導致發動機進出冷卻水的溫差增大。裝甲車輛在高原環境條件下使用，發動機的平衡水溫高于平原地區。

3 對起動性能的影響機理

柴油發動機的起動主要是由起動力矩、起動阻力矩和著火這三個方面決定的，如圖4所示。

一方面，隨海拔升高，大氣壓力降低，壓縮終了的混合氣壓力和溫度無法達到著火條件。另一方面，空氣稀薄，進入發動機缸內的空氣質量降低，混合氣體過濃，無法形成良好局部混合氣體區域。此外，大氣溫度低，使旋轉件間的潤滑油粘度增大，發動機的起動阻力矩增大，影響發動機起動。同時起動蓄電池提供的起動力矩也會隨大氣溫度降低而下降，加劇發動機起動困難。

圖4 柴油機起動性的影響因素

外場試驗表明：高原地區工作的柴油發動機，其進氣壓力降低，壓縮終了的溫度與壓力降低，首次著火困難，高原環境條件使用時，部分柴油發動機必須進行加溫后才能起動。某型裝甲車輛環境適應性試驗過程中，在環境溫度20℃時，加溫15min～30min，將水溫加到70℃以上，正常起動發動機。

4 結論

1）高原環境氣壓和溫度的綜合作用，使進入氣缸的氣體狀態較平原有很大的差異，致使發動機缸內燃燒過程惡化，導致功率下降、熱負荷增大。對缸內燃燒過程的測試和計算分析是深入研究高原環境對動力系統性能影響的必要手段。

2）對于壓燃式柴油機而言，高原環境條件下出現的起動困難的很大原因是由于進氣狀態惡化造成的。從改善著火條件的角度提升起動的成功率，應提高起動時缸內混合氣體的質量及壓縮終了的氣體壓力及溫度。

3）應致力于開展高原條件下動力及其輔助系統各特征參數變化規律的實車試驗，為深入開展高原環境對動力系統影響研究及環境適應性試驗提供重要的數據支撐。

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