柴油機高原燃燒特性研究進展

周廣猛，劉瑞林，焦宇飛，楊春浩,2，張眾杰，李浩

(1.陸軍軍事交通學院軍用車輛工程系，天津 300161；2.海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033)

我國擁有世界上典型的高原地域，僅青藏高原面積就達230萬km2[1]。海拔每升高1 km，大氣壓力平均下降約10%，氣溫下降約4 ℃，水沸點降2.7 ℃[2-3]。特殊的高原環境使柴油機燃燒惡化，造成柴油機動力性和經濟性下降、炭煙排放增加[4-6]、熱負荷增大[7-8]、冷卻性能降低[9]、低溫起動性能下降等問題。通過對柴油機高原燃燒過程進行研究，可以揭示高海拔(低氣壓)環境對柴油機工作過程的影響機理，進一步探明諸如增壓、增壓中冷、高壓共軌燃油噴射、可變截面渦輪增壓、二級可調增壓等先進增壓技術的運用對柴油機性能的影響，具有重要的意義，已廣泛用于柴油機高原環境匹配、標定和關鍵技術開發，對未來在高原環境條件下實現柴油機的燃燒閉環控制具有直接的參考。

1 柴油機高原燃燒特性研究概況

技術的進步和國家的發展戰略不斷推動著柴油機高原環境適應性研究的深入，從20世紀的“西部大開發”戰略到現在的“一帶一路”倡議，在節能減排和軍民融合發展國策的激勵下，柴油機環境適應性研究不斷深入，推動了柴油機燃燒過程研究的進一步發展。柴油機燃燒過程的研究，以提升柴油機高原動力性和燃油經濟性，降低發動機的排放為綜合目標，關鍵技術的發展推動了燃燒特性研究的深入，燃燒特性的研究又進一步推動了關鍵技術在高原應用的進步和發展。總的來說，現有文獻主要集中于海拔對發動機性能的影響規律研究、增壓器優化匹配研究等內容，而不同海拔下燃燒過程研究相對較少[10]。由于歐美國家海拔普遍較低，多低于海拔2 000 m，柴油機高海拔適應性研究較少，已有研究也主要集中于高原排放和替代燃料等技術。哥倫比亞的J. Agudelo[10]，P. Benjumea[11]，美國賓夕法尼亞大學P. L. Perez[12]針對柴油機高原環境下熱力參數變化及高原富氧燃燒等燃燒過程開展了研究。

早在1989年，上海交通大學的李照東[13]就針對柴油機開展了高原放熱規律模擬研究，此后直到2010年，研究一直比較平穩，年均1～2篇研究成果見諸期刊。進入2011年，柴油機燃燒過程研究得到了爆發式增長，以柴油機、高原、燃燒為主要內容的相關文獻數量大大增加，柴油機高原燃燒過程研究已經成為柴油機高原環境適應性研究的熱點問題。相關研究以柴油機關鍵技術的運用對柴油機燃燒過程的影響及柴油機優化為邏輯主線，從自然吸氣柴油機[14-17]，向增壓及增壓中冷柴油機[15,18-25]、高壓共軌柴油機[26-30]、替代燃料柴油機[31-33]、二級可調增壓柴油機[34]等方向逐漸拓展。不僅包括燃燒特征參數隨海拔的變化規律，還進行了噴油、增壓等參數的燃燒優化研究[8,22,24-25,30,34]。當前，企業對新發動機的開發必須進行三高標定，在進行高原標定時，對缸內燃燒壓力進行監控即可。國內柴油機高原燃燒特性的研究主要集中在相關的科研院所。

2 柴油機高原燃燒特性研究基本規律

2.1 高海拔(低氣壓)環境條件對柴油機燃燒過程的影響規律

柴油機高海拔(低氣壓)燃燒特性研究最早針對自然吸氣柴油機，早在1989年李照東[13]就采用了等腰三角形加韋伯函數模型擬合高速直噴式柴油機的放熱規律，建立了高原模擬放熱規律關系式。研究發現：在等負荷工況下，由于高原環境下柴油機進氣壓縮壓力降低，在不改變供油提前角的前提下，柴油機滯燃期增長，燃燒推遲，預混合燃燒所占的比例增大，擴散燃燒比例減小，燃燒開始后壓力、溫度上升得很快，缸內燃燒溫度升高，速燃期縮短。申立中[14]對自然吸氣柴油機的研究結果也進一步驗證了上述結論，但對渦輪增壓柴油機在等負荷工況下的研究結果表明，柴油機的滯燃期、缸內最高燃燒壓力及其對應的曲軸轉角均變化不大，但后燃仍然明顯增加，排溫升高[15]。2016年，劉勝吉[16]進一步通過數值模擬研究給出了自然吸氣柴油機在高原環境下油氣混合過程的變化。結果表明，隨海拔的增加，噴油油束貫穿距變長，油束破碎和蒸發過程減緩，由于燃燒室近壁面處的油氣堆積，不完全燃燒加劇。海拔的升高產生兩方面影響：一是燃燒推遲造成壓力升高比降低，而初始膨脹比跟隨增大；二是缸內氣體溫度增加，使得等熵指數減小。二者均使簡化后的理論循環熱效率下降。此外，隨海拔的升高，缸內溫度和排溫增大，傳熱、排氣等不可逆損失隨之增大，實際循環熱效率也跟隨進一步下降。燃燒的變化對排放也造成了影響，HC，PM明顯增大，CO，NOx變化較小[17]。

通過三維數值模擬能夠進一步發現渦輪增壓柴油機高原環境下燃燒過程的微觀機理。李華瑩[37]通過數值模擬發現：與平原相比，柴油機在高海拔(3 700 m)下，柴油機噴嘴內空穴現象加劇，燃油流動速度增加，噴孔出口燃油分布不均勻度增加；缸內燃燒溫度分布不均勻性增大，燃燒室局部熱負荷偏高。劉永豐[21]研究表明：高原條件壁面累積油膜質量隨海拔的升高而增大；壁面油膜在燃油噴射彈著點處形成，隨著時間推移，油膜向活塞邊緣擴散，在高海拔條件下，燃燒結束時活塞邊緣仍有殘留。高榮剛[20]建立了描述缸內油氣混合過程的中間參數，定量給出了燃油質量分數均方差和不同當量比區間混合氣質量分數隨海拔的變化規律，發現高原環境下較濃混合氣易堆積于燃燒室近壁面處，并形成燃油附壁，從而造成燃燒室中心區空氣利用不足。針對柴油機高原應用出現的缸蓋局部燒蝕問題，張博文[23]研究發現，缸內對流傳熱量隨海拔的上升逐漸下降，缸內輻射和對流的傳熱總量隨海拔的上升而上升，說明了缸內輻射對換熱產生了影響。

采用高壓共軌燃油噴射技術后，在高原環境條件下能夠靈活地實現循環噴油量、共軌壓力和噴油定時的調整，從而改善柴油機的高原燃燒。周廣猛[26]進行了高壓共軌柴油機不同海拔全負荷工況下燃燒特性模擬試驗，研究發現，工況對柴油機燃燒特性隨海拔變化規律具有直接影響，在低速和標定轉速兩個工況下具有代表性。在標定轉速下，由于高原預混合燃燒階段放熱增加，此時放熱率峰值隨海拔的增加而增大。同時缸內燃燒壓力作為標定限制條件，其峰值在高海拔下保持不變。受進氣壓力和噴油參數的雙重影響，隨海拔的升高，低速下最高燃燒壓力點、放熱率重心、峰值放熱率點基本一致，壓力升高率最大點后移，高速下最高燃燒壓力點、最高燃燒溫度點和放熱率峰值點提前。進一步研究[28]發現，優化噴油參數能改善部分負荷工況燃燒相位，補償因氣壓降低造成的缸內燃燒壓力下降，提升熱效率，同時能夠縮小高溫溫度場的范圍，減少后燃，改善柴油機的高原燃燒[29]。通過研究發現：高原環境下，柴油機缸內燃燒溫度升高主要是由于缸內熱容物質減少，缸內累積放熱量的減小對溫度升高具有抑制作用[29]。董素榮[27]通過數值模擬研究發現，隨著海拔的升高，燃燒后期濃混合氣分布區域、燃燒高溫區域以及炭煙形成區域明顯增大。

2.2 柴油機高原燃燒優化基本規律

對柴油機進行高原燃燒優化能夠獲得使柴油機正常工作的最佳噴油結構參數、最佳噴油控制參數、最佳增壓控制參數，從而改善柴油機的燃燒過程，提高高原環境條件下的空氣利用率，提升柴油機的有效熱效率，改善柴油機的動力性和燃油經濟性。

a) 噴油結構參數優化

任兆欣等[22]針對傳統機械泵柴油機，開展了針對高原條件下柴油機氣缸蓋易燒蝕等問題的研究，通過仿真和模擬試驗，提出了適當減小噴油泵最大供油量及采用增大噴孔數、減小孔徑和減小噴霧錐角的噴油器的燃油系統優化方案，4 500 m海拔下，柴油機標定功率降低27%，熱負荷等其他控制參數能夠滿足要求，提高了柴油機高原工作可靠性。合理的噴孔夾角有利于提高缸內空氣與燃料的混合質量，從而改善缸內燃燒。徐華平[24]通過數值模擬研究發現：噴孔夾角增大后，缸內壓力和溫度上升，功率得到一定恢復，柴油機的排放隨之上升。在平原工況的基礎上，增大噴孔夾角有利于提升發動機的動力性和燃油經濟性。

b) 噴油控制參數優化

通過對高原環境下柴油機噴油參數進行優化，能夠改善柴油機缸內燃燒，提升其高原性能。針對機械泵柴油機，徐華平[25]通過數值模擬發現，在高海拔下(4 550 m)噴油提前，缸內燃燒壓力和溫度峰值點增大，燃燒始點和燃燒重心均提前，功率得到恢復，NOx排放上升；缸內預混合燃燒加強，后燃期縮短，燃燒室中心區域空氣也得到更有效利用，發動機動力性提升，燃油經濟性下降。王憲成[8]通過仿真發現，在高海拔下(4 000 m)適當減少供油，提前噴油能夠降低缸內溫度峰值和渦前排溫，在柴油機功率滿足要求的前提下，降低重載柴油機的熱負荷。

由于高壓共軌柴油機能夠對噴油參數進行“柔性控制”，能夠隨海拔環境條件對循環噴油量、噴油定時和共軌壓力進行修正，有助于改善柴油機高原燃燒。劉瑞林[30]通過燃油系統高海拔模擬試驗標定，提出了高壓共軌柴油機高海拔噴油參數標定策略，即以循環噴油量的調整為主，輔以噴油定時和共軌壓力的調整。隨海拔的增加，在中高轉速下降低循環噴油量，提前噴油，適量增大共軌壓力。在低轉速下大幅降低循環噴油量，推遲噴油，基本保持共軌壓力不變，在高海拔下適量減小共軌壓力。

c) 進氣參數優化

柴油機高原變海拔增壓技術的應用，通過對變海拔全工況下柴油機進氣參數優化，有望從根本上改變柴油機高海拔(低氣壓)運行問題。董素榮[34]開展了不同海拔條件下VGT葉片開度對兩級增壓柴油機燃燒特性影響的模擬試驗研究，結果表明：不同海拔、最大扭矩全負荷工況下，隨著VGT葉片開度的增大，柴油機最高燃燒壓力、平均指示壓力以及瞬時放熱率均降低，滯燃期、速燃期、緩燃期增長，柴油機動力性與經濟性下降；隨著海拔的升高，VGT葉片最佳開度減小。

3 柴油機高原燃燒特性研究的未來方向

a) 研究目標從單工況下功率恢復向變海拔全工況綜合性能提升發展

傳統柴油機高原環境燃燒過程研究，最初是驗證性研究，主要表現為通過在用發動機的高原環境研究，揭示柴油機在高原工作的規律特點，進一步由驗證性研究向以技術應用為主要特征的探索性研究轉變。但無論如何發展，其研究目標主要圍繞諸如標定工況等少量工況下的功率恢復進行，隨著技術的不斷進步和國家節能減排要求的不斷提高，在國Ⅵ排放標準征求意見稿中已將測試環境條件擴展到海拔2 400 m，未來甚至能達到更高海拔，柴油機燃燒過程研究勢必向變海拔全工況下動力性、經濟性、排放性等綜合性能提升方向發展。

b) 研究內容從宏觀規律到微觀過程發展

柴油機高原燃燒特性研究，是探索柴油機燃燒機理，評價關鍵技術應用效果，優化柴油機性能的重要手段。傳統的柴油機高原燃燒特性研究內容主要以開展柴油機缸內燃燒壓力、燃燒溫度、累計放熱率等特征參數隨海拔的變化規律為主要特征，進行宏觀集總參數的變化規律研究。隨著新技術的不斷應用，特別是柴油機排放法規的不斷嚴格，研究內容從宏觀規律的研究向展示燃燒過程噴注的破碎、彌散、蒸發、霧化和燃燒等微觀過程發展，重在揭示柴油機在低密度環境下工作過程及排放物的生成機理。

c) 研究方向向變海拔增壓先進技術應用側重

柴油機變海拔增壓技術的應用，有助于增加變海拔全工況下柴油機的進氣充量，從而全面改善柴油機的缸內燃燒，為柴油機高原功率恢復、經濟性提升等柴油機高原環境適應性研究目標的達成提供了條件。董素榮等[34]已經開展了不同海拔條件下VGT葉片開度對兩級增壓柴油機燃燒特性影響的模擬試驗研究，進行了VGT最佳開度的燃燒優化。而近幾年，劉瑞林[38-39]、李華雷[40]等對二級可調增壓柴油機開展的優化匹配等研究，為未來柴油機高原燃燒特性研究的開展提供了基礎，有望通過進一步研究從根本上解決柴油機高原燃燒問題。