高原用增壓柴油機性能開發探究

東風汽車股份有限公司工程車事業部 楊建偉

針對高原地區特殊環境，對增壓型柴油機在高原工作存在的問題進行了闡述，并對在此環境中增壓型柴油機的性能變化進行相關論述，指明了高原增壓柴油機性能開發的相關機理，開發匹配的增壓器是確保高原用柴油機能夠正常使用的行之有效的方法。

近年來，隨著我國西部大開發以及“一帶一路”國家級戰略的實施，西部地區經濟發展迅猛，給汽車交通運輸、工程機械基建設備以及配套動力設施帶來了巨大的發展機遇，高原用增壓柴油機越來越受到關注，市場前景看好。然而，由于我國西部高原地域面積廣闊，地形相對復雜，大部分地域海拔高度為2000～4500m，少數地區海拔高度達5000m以上，如青藏高原，它是我國也是世界上最具代表性的高原，對內燃機環境技術應用的影響具有一定的代表性。因而，高原用增壓柴油機的性能也成為中國柴油機市場上各廠家亟待解決的問題。

增壓柴油機在高原工作存在的問題

1.柴油機的動力性及經濟性大幅下降

高原地區氣候環境的主要特點是：大氣壓力低，空氣稀薄，全年平均氣溫低，晝夜溫差大。增壓柴油機在高原地區使用時，隨著海拔高度的升高，大氣壓力和空氣密度相對下降（見表1），因而進入氣缸的空氣量大幅度減少，然而由于噴入氣缸的燃油量變化不大，結果使氣缸內空氣與燃油混合的比例即空燃比明顯失調，導致氧氣含量不足，燃油過濃，不能達到充分燃燒，使燃燒持續期延長，后燃嚴重，有效燃燒壓力下降，最終導致以下問題出現：

a. 動力性能下降，如果海拔高度不斷上升，柴油機相應發出的功率和扭矩將持續較大幅度下降，特別是低速區扭矩下降更快；

b. 經濟性也相應下降，即比油耗率明顯上升；

c. 最大扭矩轉速及油耗經濟區轉速相應提高；

d. 排放煙度增大，排氣冒黑煙；

e. 排氣溫度大幅度上升，接近增壓器材料的極限溫度；

f. 熱負荷增加，受熱零件溫度上升，冷卻系統的負荷加大。

表1 海拔高度與大氣參數、水的沸點關系

2.冷卻系統早期失效

隨著海拔高度的上升，由于大氣壓力降低，柴油機水套內冷卻液的沸點溫度下降，冷卻液內早期出現蒸汽，在循環中夾帶大量氣泡，使冷卻效率降低。此外，沸騰的冷卻液有時會頂開散熱器上的壓力蓋而外溢，使冷卻系統不能正常工作，影響柴油機的可靠性。海拔高度、壓力蓋壓力和冷卻液沸點溫度的關系見表2所示。

表2 海拔高度、壓力蓋壓力和冷卻液沸點溫度關系

需要說明的是，柴油機熱負荷增加是由于燃燒不良造成的，結果使冷卻液溫度上升，因而在高原地區應提高冷卻系統的散熱能力，如加大散熱器面積，提高風扇轉速等。

至于冷卻液沸騰，主要是由于大氣壓力下降造成的，同時也有冷卻能力不足的原因。因此應當首先考慮提高散熱器壓力蓋的壓力，平原地區常規壓力蓋壓力為50kPa，在海拔3000m以上地區，壓力蓋壓力應當提高到80～100kPa，冷卻液沸點溫度提高了，也能增大散熱器的散熱能力。但是壓力蓋壓力過大，對冷卻系統的密封不利，使密封墊和散熱器處容易發生泄漏。

此外，高原地區由于空氣稀薄，由吸風式風扇通過散熱器的實際空氣流量下降，也是導致散熱器散熱能力下降的原因之一。

3.柴油機啟動困難

隨著海拔高度上升，空氣密度及空氣溫度下降，柴油機啟動過程中壓縮壓力和壓縮溫度下降，再加上高原環境溫度相對較低，往往造成柴油機啟動困難。要解決高原柴油機啟動困難問題，一般有以下技術措施：

a. 提高柴油機的壓縮比。這就需要更改柴油機的燃燒室容積，實施比較困難，而且如果柴油機轉移到平原地區使用，會造成柴油機爆發超標而影響其可靠性能，但如果柴油機固定在高原使用，生產條件允許的話，提高壓縮比的效果是明顯的，因此值得考慮。

b. 提高柴油機啟動轉速。在平原地區柴油機啟動轉速一般不低于120r/min，在高原地區轉速最好不低于200 r/min，因此應提高起動機的功率。

c. 調整柴油機的噴油提前角。目前在平原地區的柴油機，由于考慮排放需要，提前角均偏低，因在高原地區，柴油機的著火延遲期增長，增大噴油提前角是十分必要的。一般海拔高度在2000～3000m時，可提前1°～2 °，在3 000～4 000m時，可提前2 °～4 °。

d. 增加進氣預熱裝置。采用平原地區使用的冷啟動輔助裝置，特別是進氣預熱裝置，可有效解決柴油機的啟動困難問題。

4.增壓器出現超速現象

在高原地區，柴油機全速全負荷運轉時，增壓器的轉速會明顯提高，海拔越高，增壓器的轉速提高越多，并出現增壓器超速現象。根據統計，海拔每上升1000m，增壓器轉速約提高6%，此外，由于空燃比下降，排氣溫度上升，海拔每上升1000m，排氣溫度將上升20～30℃，在海拔3000m以上的高原上，增壓器可能在超速和超溫下工作，這對增壓器及柴油機的可靠性十分不利。

增壓器轉速上升的原因，主要是由增壓器渦輪機的“膨脹比”（Pt/P0）增加造成的。由于海拔上升，大氣壓力P0下降，即渦輪機的出口壓力下降，而渦輪前的排氣進口壓力Pt雖然隨著大氣壓力下降也有所降低，但下降幅度相對較小，因此使膨脹比Pt/P0隨海拔上升而提高，導致增壓器的轉速相應提高，增壓器壓比隨海拔變化趨勢如圖1所示。

圖1 增壓器壓比隨海拔變化趨勢

此外，空氣稀薄，壓氣機的做功能量下降，也是造成增壓器轉速上升的原因之一，對于增壓器的進氣量而言，增壓器轉速的提高，相應增加了進氣量，使柴油機在高原上的動力損失得到了部分補償，這正是增壓器的優點之所在和高原上的優勢，但在高原上，增壓器的工作負荷增加，影響了它的可靠性。

高原增壓柴油機的主要性能變化

為了使柴油機能適合高原環境工況使用，在目標使用環境條件下進行開發是行之有效的方法，（但高原地區環境惡劣，不具備相關試驗開發條件，因此，往往需要采取模擬海拔變化試驗的方法進行前期的相關試驗，待在平原的試驗有了初步明確的結果，再把柴油機轉移到高原使用地區，進行實地的性能測試和各項指標的認證，從而達到最終的開發目的。）

以某6102自然吸氣柴油機的高原試驗結果為例（見表3），可以看出，自然吸氣柴油機在高原上使用，其動力性和經濟性損失非常嚴重，因此必須采用增壓，否則將會造成能源的極大浪費。

采用增壓器后，在高原上的性能得到大大補償，但要完全恢復到原有平原地區的性能指標，也是不可能的。以某6BTA增壓柴油機高原試驗結果為例（表4），可以看出，由平原至海拔3800m，功率損失5.3%，平均海拔高度每增加1000m功率下降1.39%；最大扭矩損失2.8%，平均海拔高度每增加1000m扭矩損失約0.74%。由平原至海拔高度4500m，功率損失7.95%，平均海拔高度每1000m功率下降1.76%；最大扭矩損失8.91%，平均海拔高度每增加1000m最大扭矩下降約1.98%。從試驗數據也不難發現，海拔高度越高，每上升1000m功率損失的百分比也有所擴大。

表3 6102柴油機高原試驗結果

表4 6BTA增壓柴油機高原試驗結果

高原柴油機增壓器性能開發的機理

高原用增壓柴油機的開發是在平原用增壓柴油機的基礎上進行的，工作重點以更換和選擇增壓器或燃油泵及噴油器為主。同時要對燃油泵的供油量、噴油提前角和增壓器旁通閥開啟壓力等進行調整。一般情況下，對于原機的燃燒系統、缸蓋進氣道、進排氣歧管等均保持不變。

如果發動機僅在海拔高度2000m左右的地區使用，則在青海某研究所進行全面的性能驗證試驗就可以了。所以，高原機的開發試驗往往需要先后在兩地或多地進行。

影響高原柴油機功率恢復的關鍵部件就是增壓器，一臺在平原地區與柴油機匹配良好的增壓器，一到高原地區，它的表現就不一定好了。因為高原地區大氣壓力和空氣密度下降，使得增壓器和柴油機的聯合運行線的位置發生變化，海拔高度越高，變化越大，不但離開了壓氣機的高效區，而且向喘振線和超速區靠攏，使增壓器工作惡化，因此必須更換增壓器，并按使用地區海拔高度，重新進行匹配試驗。如有條件，應準備多個方案的增壓器，以便進行性能對比，從中獲得最佳的組合。

圖2是增壓器壓氣機的“壓比和流量特性曲線”，它反映了增壓器的渦輪、壓氣機和發動機三者聯合的綜合效果，是增壓器與發動機匹配好壞程度的重要標志，也是全面評價發動機性能不可缺少的重要曲線。

圖2 壓比和流量特性曲線圖

一般情況下，在平原地區匹配增壓器時，運行線離喘振線約留有流量范圍10%～15%的余量，一到高原地區這個余量就沒有了，低速端的喘振現象就會出現，而高速端的問題是增壓器超速，還會同時出現超溫，嚴重影響增壓器的可靠性，從而不得不限制發動機使用的海拔高度。匹配更換增壓器的目的就是希望拓寬增壓器的流量范圍，擴大高效區面積，使聯合運行線離開喘振線和超速區。如圖3所示。

圖3 渦輪增壓器和內燃機聯合運行線

對于車用增壓器而言，在平原和高原地區，總的原則是相同的，但在高原上，對增壓器的性能要求更高了，在某些參數或結構上就要作出相應調整和改進。

a. 采用雙通道脈沖增壓。實踐證明，增壓器的渦輪殼采用雙通道脈沖增壓，可充分利用廢氣能量，在高原性能試驗對比中，指標優越。

b. 采用帶有旁通放氣閥的增壓器。眾所周知，渦輪增壓器的轉速與發動機的轉速沒有直接聯系的，運行點是根據增壓器壓氣機的功率與渦輪機的功率相平衡而建立的，增壓器的轉速是隨著發動機的功率增大而增大的，但當發動機加載轉速下降需要大扭矩時，渦輪的做功能力卻明顯衰退，使增壓器轉速和流量大幅度下降，造成高低速之間供氣量比例不均的矛盾。

采用旁通閥的原理，就是首先把增壓器和柴油機的匹配點立足在最大扭矩點上，優先滿足低速區最大扭矩所需要的空氣量，而在發動機高速時，為了防止增壓器超速和控制增壓壓力，在增壓壓力的作用下，推開旁通放氣閥，放掉一部分廢氣，從而使增壓壓力降下來，保證了高速時發動機的可靠性。

c. 選擇“零”斷面較小的增壓器渦輪殼。“零”斷面就是渦輪前排氣入口的最小斷面，這是決定渦輪增壓器性能很關鍵的尺寸參數之一。對于高原用增壓器，其渦輪殼的零斷面就必須小于平原用渦輪殼的零斷面，這是因為海拔越高，大氣壓力下降，排氣能量相應下降，為了保證低速時的扭矩，縮小零斷面可以使低速時增壓器轉速上升，而且海拔越高，大氣壓力越低，零斷面的趨向應更小。

d. 選用流量范圍寬廣和效率高的壓氣機。一臺增壓柴油機，如果要在高原上維持與平原上的同等輸出功率，則必須增大增壓器的規格，大幅度提高增壓比和壓氣機的容積流量。多數情況下，往往在原有增壓器的同一產品系列內進行選擇，即保持原有壓氣機葉輪直徑不變，而調整葉輪的進出口尺寸參數或者采用新的葉片形狀參數和進氣端的結構設計，從而擴大流量范圍和提高增壓效率。但并不是說，流量越大越好，還取決于它與渦輪的合理匹配，要使增壓器壓氣機、渦輪殼和發動機三者聯合工作達到最佳狀態。

e. 采用增壓空空中冷技術。采用增壓型的柴油機，在全速全負荷工作時，增壓器的進氣溫度一般可達140℃以上，這對柴油機的動力性及熱負荷十分不利，如果增加空空中冷，其進氣溫度可以控制在50℃左右，對提高發動機的性能和可靠性也十分有利。首先，進氣溫度的下降，可以大幅度降低發動機的熱負荷和排氣溫度，據統計，進氣溫度每下降1℃，排氣溫度可下降2℃～3℃，這將明顯降低增壓器的渦前溫度。此外，降低進氣溫度對改善缸內燃燒和減少排放也是大有裨益的，所以，條件允許情況下，在高原上采用空空中冷型增壓柴油機也是一個方向。

結語

高原環境復雜多變的氣候條件對增壓型柴油機的性能影響是顯而易見的，然而，可以通過發動機高原模擬試驗臺、類比法等相關手段，通過采用空空中冷渦輪增壓技術以及大量的增壓器參數調整匹配試驗等達到恢復柴油機功率的目的。

［1］朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京:中國農業出版社,1992.

［2］周文波.朱梅林.高原柴油機的渦輪增壓器技術研究[J].柴油機設計與制造,2003(3):4-8.