試論適應我國高原環(huán)境的車輛動力解決方案

王智慧

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.晉中學院機械學院，山西晉中0306191）

試論適應我國高原環(huán)境的車輛動力解決方案

王智慧1，2

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.晉中學院機械學院，山西晉中0306191）

車輛在高原運行時，由于高原的特殊環(huán)境使其動力性、經(jīng)濟性、可靠性和廢氣排放性等指標都大大下降。為了適應我國高原環(huán)境，分析了高原環(huán)境對車輛柴油機造成的影響，綜述提出的一系列的解決措施，著重論述了增壓系統(tǒng)的改進對車輛高原適應性的改進措施。

內(nèi)燃機；高原；動力恢復；增壓器

我國地域遼闊，地形復雜，擁有著約占國土總面積60%的高原、山地地貌，其中3 000 m以上的高原面積就占據(jù)了國土總面積的26%.其中青藏高原是我國最大的高原地區(qū)，其平均海拔超過4 000 m，其總面積約占國土面積的1/4［1-2］.

高原地區(qū)的地理條件和氣候條件與平原大不相同。海拔越高，氣壓越低，空氣密度越小，海拔每升高1 000m，大氣壓力下降約9%，年平均氣溫下降5～7℃［3］.實驗表明，每當海拔升高1 000m，未經(jīng)過增壓的發(fā)動機功率約下降8%～10%，最低比油耗增加3%～4%［4］.本文主要論述了高原環(huán)境對發(fā)動機的影響，并提出了一系列的車輛高原適應性的改進措施。

1　高原環(huán)境對發(fā)動機性能的影響

西方發(fā)達國家高原面積較少且海拔低，對內(nèi)燃機高原適應性問題相關(guān)的研究較少，且所作研究均局限在2 000m海拔以下。國內(nèi)高原面積遼闊，工程建設和交通運輸車輛經(jīng)常變海拔工作，科研工作者圍繞發(fā)動機高原適應問題進行了大量極具特色的研究。由于大氣條件改變，原來根據(jù)低海拔運行要求設計的車用柴油機在高原使用時進入氣缸的空氣質(zhì)量流量降低，燃料燃燒不充分且后燃嚴重，導致存在以下幾方面的問題：

（1）動力性能。在高原環(huán)境中，由于高海拔處氣壓低，空氣密度小，在增壓比不變的情況下，進氣量明顯下降，使柴油機空燃比發(fā)生改變，引起燃燒不充分、著火延遲、后燃嚴重、工作粗暴等現(xiàn)象，最終導致柴油機功率下降，動力性能變差。

（2）經(jīng)濟性能。在高原下柴油機燃燒惡化，散熱效率下降，高原路況惡劣，使得車輛的燃油消耗量增加，進而經(jīng)濟性惡化。

（3）排放性能。發(fā)動機在高原環(huán)境中由于進氣量減少，使得燃燒溫度降低，燃燒不完全，會出現(xiàn)冒黑煙的情況，造成排放污染。

（4）啟動性能。低溫低壓環(huán)境下，氣缸在壓縮行程末的溫度和壓力都沒有達到續(xù)燃要求，并且高原的低溫環(huán)境會對電池產(chǎn)生不利影響，從而影響啟動性能。

（5）冷卻性能。高原環(huán)境使發(fā)動機熱效率降低，發(fā)動機散熱快，同時產(chǎn)生較高的高原熱負荷，又由于高原空氣密度小，因此使冷卻風量小，冷卻能力下降。

（6）壽命及可靠性能。高原環(huán)境下由于熱負荷的加劇，柴油機可能會出現(xiàn)拉缸或排氣管熱損，增壓器發(fā)生超溫、超速、喘振，運動部件和空濾器會因為空氣含塵多而使其壽命降低。

2　柴油機高原適應性的主要改善措施

在國外，由于高原工程需求有限，對于柴油機高原性能方面的相關(guān)研究開展較少。但是我國高原地區(qū)面積大，因此關(guān)于高原環(huán)境柴油機適應性進行了大量研究，尤其關(guān)于功率恢復方面取得了一定進展。本文主要關(guān)注的是對柴油機本身的改進，幾種常見的改進方法如下：

2.1柴油機進氣系統(tǒng)的改進

可以采用增大空氣濾清器的直徑、增加進氣道的長度、加大進氣門的直徑等措施來盡可能地減少進氣阻力，增加進氣的有效流通面積，從而提高發(fā)動機的充氣效率。

李建軍［5］等在海拔1 870 m的情況下對是否安裝空氣濾清器的柴油機進氣管內(nèi)的壓力變化做了對比試驗，試驗結(jié)果表明：安裝空氣濾清器的柴油機進氣管內(nèi)壓力最大值比不安裝的約減小3 kPa左右。并且做了關(guān)于進氣管長度對進氣管內(nèi)壓力波幅影響的研究，結(jié)果表明：壓力波幅隨著管長的增長而增大，在管長1.2 m時達到了一個極值。

綜上所述可以得出：應該盡可能地增大空濾器的直徑，適當增長進氣管的長度可以有效提高充氣效率。

另外，有效流通面積公式如下：

fmax＝Hπcosγ（d+0.5H sin2γ）

式中，f為流通面積，H為升程，d為進氣口直徑之和。根據(jù)公式可知：可以通過采用增加進氣門的直徑的措施來增大進氣的有效流通面積，提高充氣效率。

2.2供油燃燒系統(tǒng)的調(diào)整

周文波等［6］通過以下幾個方面的措施改進柴油機的供油系統(tǒng)：

（1）通過調(diào)整高壓油泵凸輪型線、柱塞直徑來提高泵端壓力，改善供油。

（2）通過合理增大供油提前角來增加壓縮終點的溫度，改善燃燒過程。

（3）通過適度增加噴油器開啟壓力來提高柴油霧化細度和均勻度，采取此種方法可進一步改善燃燒過程。

2.3燃燒室形狀的改進

不同的燃燒室形狀，對燃油燃燒的狀況會產(chǎn)生不同的影響。李建軍［5］等認為可以對燃燒室進行如下改進：在燃燒室體積不變的情況下，改用縮口淺型燃燒室，這樣燃燒室深度減小，寬度增加，貫穿深度變淺。由于高原大氣壓力低，空氣稀薄，與平原地區(qū)相比進氣量少，空氣流速慢。燃燒室這樣設計使進入的氣體分布更均勻，燃燒更充分。

2.4增壓系統(tǒng)的改進

帶有增壓系統(tǒng)的柴油機與自然吸氣的柴油相比，尤其是帶有中冷柴油機在高原動力恢復上能起到一定的補償作用，另外通過對增壓系統(tǒng)的改進可以進一步提高柴油機的高原適應性［7］。改進增壓系統(tǒng)提高柴油機的高原適應性主要有兩種方法：①保持增壓方案不變，重新為高原工作的柴油機進行匹配合適的增壓器；②改進增壓方案，增強增壓系統(tǒng)的可調(diào)性。

國內(nèi)學者和機構(gòu)做了一些關(guān)于高原發(fā)動機和增壓器匹配的研究，中南大學和天雁公司做了高原增壓器和發(fā)動機的匹配實驗，分析了高原條件對增壓系統(tǒng)的影響因素，并指出來高原環(huán)境下增壓器可能出現(xiàn)的一系列問題，比如喘振、超速超溫等［8］。由于高原的特殊環(huán)境條件，發(fā)動機需要增壓比更高，流量更大的增壓器，但這與平原所需要的增壓器的性能是不同的。此外，在高原地區(qū)，壓氣機的喘振線有向右移動的傾向，因此高增壓比、大流量的增壓器產(chǎn)生喘振的傾向更大［9-10］。

發(fā)動機的耗氣特性與增壓器的流量特性的矛盾是不可調(diào)和的，發(fā)動機與增壓器在全工況范圍內(nèi)不可能達到完全匹配，現(xiàn)在出現(xiàn)的可調(diào)增壓技術(shù)一定程度上調(diào)和了這一矛盾。例如，帶放氣閥的增壓器以及二級甚至多級增壓器已經(jīng)在高原上得到了應用，并取得了一定的效果。目前，研究對高原環(huán)境適應性更好地的增壓器成為增壓器研究人員研究熱點，比如現(xiàn)在出現(xiàn)的可二級可調(diào)增壓技術(shù)、可變幾何截面增壓（VGT）技術(shù)、電復合增壓技術(shù)、相繼增壓技術(shù)等。

（1）帶放氣閥增壓技術(shù)

帶放氣閥的增壓器，近年來在高原環(huán)境中得到了應用，如圖1所示，原理是在渦輪的入口處加裝放氣閥，通過連桿機構(gòu)與彈簧及膜片配合工作，由于壓比升高，增壓器容易發(fā)生超速現(xiàn)象，當壓氣機前后的壓力差超過彈簧的預緊力時，推動膜片移動，帶動推桿打開廢氣放氣閥，使一部分廢氣排入空氣中，因此起到了防止增壓器超速的目的。

圖1　帶放氣閥的增壓器

高原中使用帶放氣閥的增壓技術(shù)時，雖然增壓比升高，但是壓氣機的前后壓差變小，這很可能導致機械式的廢氣閥增壓器失去作用，因此使用電控的放氣閥，可以調(diào)節(jié)彈簧預緊力，這樣使其更適應高原的特殊環(huán)境。廢氣放氣閥技術(shù)可以提高高原環(huán)境發(fā)動機的低速扭矩特性，但同時也造成功率的浪費［11］。

（2）二級增壓技術(shù)

圖2為二級技術(shù)原理圖，二級增壓系統(tǒng)包括兩級壓氣機和兩級渦輪，新鮮充量經(jīng)過兩級壓氣機的壓縮，進入中冷器，再進入氣缸。發(fā)動機排出的廢氣通過高壓級和低壓級的渦輪膨脹做功［13］。兩級增壓器在選擇上通常選擇流通面積較小的作為高壓級，流通面積較大的作為低壓級。

圖2　可調(diào)二級增壓方案原理圖

目前，這一技術(shù)在高原柴油機功率恢復方面已取得一定進展。北京理工大學在二級增壓研究上取得了一定成果。研究了高原環(huán)境中發(fā)動機與二級增壓系統(tǒng)的匹配方案，并通過仿真得出利用二級增壓系統(tǒng)可使柴油機的標定功率在高原環(huán)境中可恢復至平原的80%［14-16］的水平，并有效避免了喘振和超速的情況。

（3）可變幾何截面增壓器技術(shù)

可變幾何截面渦輪增壓器技術(shù)（VGT或VNT），可變幾何渦輪增壓器通過改變渦輪的流通面積來拓寬增壓器與發(fā)動機匹配的范圍。如圖3所示為GARRETT公司生產(chǎn)的某可調(diào)向心渦輪增壓器渦輪端結(jié)構(gòu)圖。當發(fā)動機處于低速時，調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)的導葉使流通面積減小，增壓器轉(zhuǎn)速及增壓壓力提高，柴油機的進氣量增大，提高低速扭矩特性。當發(fā)動機處于高速時，調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)導葉使流通面積增大，增壓器轉(zhuǎn)速降低，防止增壓壓力過高，降低排氣背壓和泵氣損失。

圖3　某可調(diào)向心渦輪增壓器渦輪端結(jié)構(gòu)圖

清華大學對可變幾何增壓柴油機進行了高原性能研究和仿真，結(jié)果表明可變幾何渦輪增壓技術(shù)可以改善發(fā)動機在高原環(huán)境中的動力性和經(jīng)濟系，使并且可以有效避免壓氣機超速、超溫和喘振的問題［12］。

（4）電輔助增壓

電渦輪復合增壓技術(shù)近幾年得到了各國學者的關(guān)注，其中電輔助渦輪增壓技術(shù)是典型的代表。電輔助增壓有一集成的電動機/發(fā)電機，電輔助增壓技術(shù)可以利用電來進行輔助增壓，提高增壓器轉(zhuǎn)速，提高發(fā)動機的加速效應，當發(fā)動機低速小負荷時，利用電動機機驅(qū)動壓氣機，提高進氣壓力，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高的一定時，能夠保證壓氣機的進氣足夠，這時可以脫開或者關(guān)閉電機；當發(fā)動機在高速大負荷工況時，多余廢氣可以轉(zhuǎn)化成電能儲存在電池里或者通過發(fā)電機對設備進行供電［17］。圖4為電動增壓器后置方案。

圖4　電輔助增壓電動增壓器后置方案圖

由于電機的不可靠性，因此電輔助增壓技術(shù)在實際還很少應用，在高原環(huán)境中應用的較少。吉林大學在電輔助渦輪增壓的高原環(huán)境應用進行了實驗研究。在海拔3 800 m進行了渦輪增壓和電輔助增壓車輛的加速試驗，實驗結(jié)果表明，使用電輔助增壓技術(shù)，使高原行駛的車輛的動力性和加速性得到了一定的提升［18］。

（5）其他增壓

近些年，關(guān)于增壓器的改進從來沒有停止，許多學者在不斷探究，Nicola Terdich［19］等人研究了電輔助可變截面渦輪增壓器對柴油機的性能的影響，結(jié)果表明，結(jié)合電輔助和可變幾何截面的增壓器可以改善發(fā)動機性能，提高壓比，提高瞬態(tài)響應；Aki Gronman［20］等人研究了兩級中冷電輔助增壓前期的設計和試驗，結(jié)果表明改進后發(fā)動機可以獲得更大的壓比和較高的效率，但是并沒有相關(guān)在高原環(huán)境的的研究報道。

3　結(jié)束語

在高原環(huán)境，柴油機的性能受到高原低溫、低壓、缺氧等惡劣環(huán)境的影響，各方面性能下降，影響柴油機的正常使用。解決這一問題的措施可以通過改進柴油機本身來進行彌補，本文從改進柴油機的進氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、燃燒室形狀、增壓系統(tǒng)等方面進行了闡述，重點闡述了增壓系統(tǒng)的改進在柴油機高原適應性方面的技術(shù)現(xiàn)狀。

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Discuss of the Solutions for Vehicle Power Recovering at Plateau

WANG Zhi-hui1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Mechanics Institute Jinzhong University，Jinzhong Shanxi030619，China）

When the vehicle is running at high altitude，its power，economy，reliability and emission ofwaste gas are greatly reduced due to the special environment of the plateau.In order to adapt to the plateau environment of China，analyses the effect caused by the plateau environment of vehicle diesel engine，this paper puts forward a series of measures to solve，focuses on the improvement of turbocharging system on vehicle plateau adaptability improvementmeasures.

internal combustion engine；plateau；power recovery；turbocharger

U461.6

A

1672-545X（2016）06-0126-04

2016-03-03

王智慧（1986-），女，黑龍江哈爾濱人，在讀博士研究生，研究方向：動力機械渦輪增壓技術(shù)。