大氣壓力和冷卻液溫度對柴油機性能影響的試驗研究

許翔, 劉剛, 周廣猛, 董素榮, 劉瑞林

(軍事交通學院軍用車輛系, 天津 300161)

大氣壓力和冷卻液溫度對柴油機性能影響的試驗研究

許翔, 劉剛, 周廣猛, 董素榮, 劉瑞林

(軍事交通學院軍用車輛系, 天津 300161)

利用內燃機高海拔(低氣壓)模擬試驗系統，研究了大氣壓力和冷卻液溫度對柴油機性能與燃燒特性的影響規律。試驗結果表明：隨著進氣壓力降低，柴油機最高燃燒壓力下降，缸內平均溫度大幅升高，燃燒始點推遲且持續期延長，后燃嚴重，燃燒過程未能及時釋放熱量，動力性能和燃料經濟性下降明顯；隨著冷卻液溫度的升高，最高燃燒壓力增大，燃燒始點提前且持續期略有延長，燃燒重心略微前移，燃燒放熱率減小，且大氣壓力越低冷卻液溫度對柴油機燃燒過程的影響越明顯。在高海拔(低氣壓)條件下，提高柴油機冷卻液工作溫度，可以明顯減少冷卻液散熱量，提高柴油機的熱-功轉換效率，顯著改善柴油機的高原動力性和經濟性，同時柴油機熱負荷升高幅度并不大。

柴油機； 高海拔； 冷卻液溫度

大氣壓力是影響柴油機綜合性能指標的重要因素。隨著海拔的升高，大氣壓力下降，空氣密度以及空氣中氧含量降低，柴油機在高海拔(低氣壓)環境條件下運行時，將出現燃燒過程惡化，動力性能顯著下降，燃油消耗量增大，熱負荷升高，排放惡化，可靠性降低等一系列問題，嚴重影響柴油機在高原地區的正常使用[1]。因此，柴油機的高原性能提升技術已成為人們研究的重點。目前的研究主要集中在柴油機高原性能仿真[2]、高原燃燒與排放特性分析[3-7]、噴油參數優化[8]、高原增壓技術[9]以及各種綜合改進技術[10]等，對柴油機在高原環境條件下冷卻液工作溫度對燃燒與放熱、熱-功轉換效率以及燃油經濟性等進行綜合分析的文獻較少。為了研究大氣壓力和冷卻液溫度對柴油機動力性能、經濟性能以及燃燒放熱等的影響，利用內燃機高海拔(低氣壓)模擬試驗系統，研究了大氣壓力和冷卻液溫度對柴油機動力性、經濟性和燃燒特性的影響，對于探索提高柴油機高原熱效率、改善柴油機高原性能具有一定的指導意義。

1 試驗方案設計

1.1 試驗臺架

試驗對象為某重型電控高壓共軌柴油機，其基本參數見表1。試驗設備包括內燃機進排氣壓力與溫度模擬系統、CW440電渦流測功機、CMFD瞬態油耗儀、LQY600冷卻水恒溫裝置、ZL3000增壓中冷恒溫裝置、AVL670燃燒分析儀等。內燃機進排氣壓力與溫度模擬系統(大氣壓力控制范圍為47～100 kPa，環境溫度控制范圍為-41 ℃至常溫)可模擬0～6 000 m海拔的試驗環境。冷卻水恒溫裝置和增壓中冷恒溫裝置控制精度為±2 K，保證柴油機進出水溫度和中冷后進氣溫度基本恒定。燃燒分析儀用于儲存和處理角標儀與缸壓傳感器采集到的數據，并且可以實現對缸壓和燃燒放熱率等的實時顯示。試驗臺架布置見圖1。

表1 柴油機基本參數

1—測功機; 2—柴油機; 3—真空泵; 4—排氣穩壓箱; 5—進氣穩壓箱; 6—電動蝶閥; 7—進氣流量計; 8—水流量計; 9—水泵; 10—壓氣機; 11—渦輪機; 12—節溫器; 13—冷卻水恒溫裝置; 14—中冷恒溫裝置; 15—溫度計; 16—控制采集系統。圖1 試驗臺架布置

1.2 試驗條件及方法

分別選取海拔4 m(大氣壓力為100 kPa)、海拔3 000 m(大氣壓力為70.7 kPa)、海拔5 000 m(大氣壓力為53.9 kPa)等3個模擬海拔高度進行柴油機速度特性試驗，試驗室環境溫度為25 ℃，相對濕度為30%。在試驗中，采用冷卻水恒溫裝置和增壓中冷恒溫裝置分別調節柴油機的冷卻強度和進氣中冷后溫度，柴油機進口冷卻液溫度分別控制在50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃等5個溫度水平，進氣中冷后溫度控制在(40±2) ℃。試驗過程中，不同模擬海拔、相同工況條件下柴油機的噴油參數(噴油提前角、噴油脈寬、軌壓)采用高海拔標定后參數。對于每個工況點的測試，需要保證柴油機進氣和排氣壓力、冷卻液溫度和機油溫度穩定后再開始記錄數據。

2 試驗結果與分析

2.1 大氣壓力對柴油機性能及燃燒的影響

在0 m海拔、3 000 m海拔和5 000 m海拔條件下柴油機扭矩和燃油消耗率對比見圖2。柴油機油門開度為88%，進口冷卻液溫度控制在60 ℃。隨著海拔的升高，柴油機的進氣壓力明顯下降，柴油機進氣量減少，使過量空氣系數降低，混合氣變濃，燃燒不充分，導致柴油機的輸出扭矩降低，燃油消耗率增大。海拔從4 m升高至3 000 m和從3 000 m升高至5 000 m，扭矩平均下降4.4%和29.5%，燃油消耗率平均升高3.2%和5.5%。由此可見，當海拔高度超過3 000 m時，柴油機動力性和經濟性下降非常明顯。

圖2 不同模擬海拔下柴油機動力性和經濟性對比

表2示出柴油機在標定工況下，柴油機進口冷卻液溫度控制在80 ℃，不同海拔(大氣壓力)對應的燃燒過程參數。隨著海拔的升高，進氣壓力和進氣量同時減小，相同工況點最高燃燒壓力從平原的11.84 MPa降低至5 000 m海拔時的9.82 MPa，下降17%。隨著海拔的升高，燃燒始點推遲，燃燒重心和燃燒結束點明顯推遲，燃燒持續期明顯增加，5 000 m海拔時燃燒持續期比平原時延長了10 °曲軸轉角，后燃現象十分嚴重。在滿足柴油機最高燃燒壓力和排溫最高限值條件下，隨著海拔的升高，應適當增大噴油提前角，減小噴油量，可以改善燃燒質量，提高柴油機的高原動力性和經濟性[3]。

表2 不同海拔對應的燃燒過程參數

圖3示出柴油機進口冷卻液溫度穩定在80 ℃，標定工況和最大扭矩工況下缸內壓力隨海拔高度的變化。隨著海拔的升高，缸內壓力顯著降低。由于大氣壓力和空氣密度隨海拔升高明顯降低，柴油機進氣量減少，當每循環噴油量不變時空燃比和過量空氣系數均減小，柴油機在壓縮行程終點時缸內壓力下降，混合氣濃度增大，油氣混合質量變差，燃燒著火時刻延遲，燃燒不充分使燃燒放熱量減少，導致最高燃燒壓力下降。在兩種不同運行工況下，海拔5 000 m時缸壓曲線在上止點附近均出現兩個壓力峰值，這意味著在高海拔條件下活塞運動到上止點之后部分燃料才開始著火、燃燒放熱，使滯燃期延長，導致后燃現象非常嚴重[7]。

圖3 海拔(大氣壓力)對缸內壓力的影響

圖4示出標定工況下柴油機缸內瞬時放熱率和平均燃燒溫度隨海拔高度的變化。隨著海拔升高滯燃期延長，在滯燃期內累積的可燃混合氣增多，導致預混合燃燒階段的燃燒速度和強度均增大，高溫燃氣進一步加快了擴散燃燒階段的燃油蒸發速度，使得氣缸內溫度急劇上升。由圖4可知，缸內瞬時放熱率呈現從平原的“雙峰”曲線向高海拔的“單峰”曲線轉變的特點。隨著海拔的升高，放熱始點推遲，第1個放熱率峰值略有推遲，而且峰值明顯增大；當海拔達到3 000 m時，第2個放熱率峰值已明顯降低，5 000 m海拔時第2個峰值消失[12]。在平原條件下，柴油機在預混燃燒和擴散燃燒階段均有放熱峰值出現，但主要燃燒放熱方式出現在擴散燃燒階段。在高海拔條件下，由于柴油機進氣壓力和進氣量均減小，當噴油參數保持不變時混合氣形成質量變差，導致缸內燃燒狀況惡化，燃油不能在上止點附近迅速燃燒，一部分燃油拖延到膨脹行程中繼續燃燒，擴散燃燒階段燃燒放熱量明顯減少，而且燃燒放出的熱量得不到有效利用，導致柴油機的熱-功轉換效率明顯下降。

圖4 放熱率及缸內溫度隨海拔的變化

2.2 冷卻液溫度對柴油機性能及燃燒的影響

圖5示出標定工況、油門開度為75%，不同海拔下柴油機的扭矩和燃油消耗率隨柴油機入口冷卻液溫度的變化。冷卻液溫度每升高10 ℃，柴油機的扭矩平均增加2.2%～3.4%，燃油消耗率平均下降1.8%～2.6%。隨著冷卻液溫度的升高，缸內燃氣和冷卻液的溫差減小，缸內燃氣通過氣缸壁面傳遞給冷卻液的熱量明顯減少，使缸內能量分配以及整機熱流量分配均發生變化，柴油機燃燒釋放的總熱量中轉化為有效功的熱量占比增加，同時燃油經濟性也得到一定改善[13]。此外，試驗數據表明，冷卻液溫度每上升10 ℃，排氣溫度平均上升5 ℃，排氣溫度升高幅值明顯小于冷卻液的溫升。

圖5 冷卻液溫度對扭矩和燃油消耗率的影響

表3示出標定工況下不同海拔及冷卻液溫度對應的缸內燃燒過程參數。在相同海拔下，當柴油機入口冷卻液溫度從50 ℃升高到90 ℃時，最高燃燒壓力增大1.9%～2.8%，燃燒始點提前，燃燒持續期縮短1.4°～4.1°，燃燒重心略微前移。當冷卻液溫度較低時，傳熱損失大，著火延遲期較長即燃燒起始點對應曲軸轉角滯后[14]。隨著海拔的升高，冷卻液溫度對燃燒過程的影響更大。通過比較發現，海拔高度(大氣壓力)對柴油機燃燒特性的影響明顯強于冷卻液溫度。

表3 海拔及冷卻液溫度對燃燒過程的影響

圖6示出平原和海拔5 000 m條件下，柴油機最大扭矩工況時入口冷卻液溫度對瞬時放熱率和缸內平均燃燒溫度的影響。由圖可知，冷卻液溫度對缸內燃燒溫度的影響非常明顯。隨著海拔及冷卻液溫度的升高，柴油機缸內燃燒溫度均不同程度升高，高海拔對缸內燃燒溫度的影響比低海拔更明顯。海拔越高冷卻液溫度對柴油機燃燒過程的影響越明顯。隨著冷卻液溫度的升高，在平原和高原環境條件下著火延遲期均縮短，燃燒放熱始點提前，放熱率峰值所對應的曲軸轉角提前，但燃燒放熱速率均有所降低。在平原條件下，隨著冷卻液溫度的升高，預混合燃燒階段放熱率峰值略有下降，擴散燃燒階段放熱率峰值增大。

圖6 放熱率及缸內溫度隨冷卻液溫度的變化

3 結論

a) 隨著海拔高度增加，柴油機的動力性和經濟性顯著下降，最高燃燒壓力降低，燃燒始點略有延遲，燃燒重心推遲，燃燒持續期增大，后燃現象嚴重，缸內平均燃燒溫度大幅升高；相對平原，海拔5 000 m時柴油機的扭矩平均下降32.5%，燃油消耗率平均升高8.8%；

b) 在相同海拔高度和柴油機工況點下，隨著柴油機冷卻液工作溫度的升高，最高燃燒壓力增大，燃燒始點提前，燃燒持續期延長，燃燒重心略微前移，缸內平均燃燒溫度明顯升高，燃燒放熱率減小；

c) 冷卻液溫度每升高10 ℃，柴油機的輸出扭矩平均增加2.2%～3.4%，燃油消耗率平均下降1.8%～2.6%，排氣溫度平均升高約5 ℃，柴油機熱負荷升高幅度不大；在相同柴油機工況點，冷卻液溫度對柴油機性能和燃燒過程的影響程度隨著海拔的增加而更加明顯。

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[編輯: 李建新]

Effects of Ambient Pressure and Coolant Temperature on Diesel Engine Performance

XU Xiang, LIU Gang, ZHOU Guangmeng, DONG Surong, LIU Ruilin

(Department of Military Vehicle, Military Transportation Institute, Tianjin 300161, China)

The effects of ambient pressure and coolant temperature on the performance and combustion characteristics of diesel engine were studied on the engine test bed of simulating high altitude (low pressure). The results indicate that the maximum combustion pressure decreases, the in-cylinder temperature increases greatly, the ignition timing delays and the combustion duration extends accompanied with severe post combustion, and the power and economy performance declines obviously because the combustion heat cannot release in time. With the increase of coolant temperature, the maximum combustion pressure increases, the ignition timing advances, the combustion duration extends slightly, the combustion center shifts forward and the heat release rate decreases. Moreover, the influence of coolant temperature on combustion is more obvious especially at low air pressure. Under the high altitude (low pressure) condition, increasing coolant temperature can reduce the heat release of coolant and increase the heat-work conversion efficiency, and the plateau power and economy performance of diesel engine improve greatly meanwhile without a high thermal load.

diesel engine; high altitude; coolant temperature

2016-12-03;

2017-04-26

軍隊科研項目(ZL2012500)

許翔(1978—)，男，博士,講師,主要研究方向為車用發動機環境適應性技術;xu1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.002

TK427

B

1001-2222(2017)04-0006-05