改善汽車柴油發動機高原起動性能的實驗分析

鄭永明 閔浪 李世峰

摘 要：搭載柴油發動機的汽車，在高原寒冷環境下，啟動比較困難，且啟動時間也比較長。為了有效解決這一問題，本次試驗研究在理論知識分析的基礎之上探討縮短起動時間的具體方案，并在某高海拔地區進行高原起動試驗和不同海拔高度的道路試驗。同時，隨著海拔的上升，汽車柴油發動機的動力性以及可靠性等相關指標都會較大幅度下降，但是只要針對實際情況，采取相應的措施予以處理，能夠顯著減少高原地區對汽車發動機產生的影響。分析表明提高發動機的壓縮比與起動機功率，可以最大程度上有效提升汽車柴油發動機的起動性能。通過實驗進一步驗證調整方案的科學合理性，并尋找最佳的可行性方案，能夠縮短發動機起動時間，提高啟動效率。

關鍵詞：柴油發動機；高原試驗；起動試驗

中圖分類號：V263.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）05-0265-02

我國高原地區幅員遼闊，地形因素復雜，海拔高度在1 000米以上地區約占國土面積的65%，分布在西部地區的50個大中城市中，常駐人員約2億人，汽車保有量在4 500萬輛以上。高原環境氣候具有大氣壓力低、空氣密度小、氣溫低、晝夜溫差大、水的沸點低等特點。隨著中西部地區近年來不斷發展，汽車擁有量也在不斷增加，適合高原使用的運輸車輛、工程機械越來越受到重視，相應的柴油發動機高原使用性能對用戶來說也更為看重。但是由于高原氣候和環境因素相對比較特殊，使得平原地區能正常使用的機動車到高原地區出現排氣溫度高、功率不足、油耗增加、增壓器破損、冷卻液“開鍋”等水土不服現象。現代柴油機汽車的高原適應性試驗主要是提升低溫運行性能、燃油消耗率、耐久性以及環保性能等。本文對于高原寒冷環境下發動機低溫冷啟動困難的情況進行分析研究并進行相關改善試驗研究。同時在高原地區進行了相應的道路實驗，對改善情況進行實車驗證。

1 高海拔地區對柴油發動機產生的影響

1.1 低溫對發動機性能的影響

首先，高原地區溫度非常低，導致燃油的實際蒸發性變得很差，不能和空氣結合，形成混合氣。同時，壓縮溫度也變得非常低，不能使柴油自燃。其次，低溫下柴油發動機機油的粘度非常大，摩擦損失會急劇增大，并且隨海拔升高空氣稀薄，壓力不斷降低，不利于混合氣的形成，造成冷啟動較低海拔地區困難得多。

1.2 低氣壓對發動機性能的影響

高海拔地區大氣參數以及水的沸點等都會發生很大的變化，空氣含氧量降低。隨著海拔的升高，進氣量減少，進入柴油機缸內的氧氣減少，導致柴油機壓縮壓力降低，滯燃期急劇增加[1]，造成汽車的功率大幅度下降，油耗也不斷上升。對于渦輪增壓發動機，在海拔不斷上升的同時，變化狀況相對比較小。所以，采用渦輪增壓是比較有效的方法。但是，在平原地區增壓器壓氣機特性線是按照馬赫數M準則繪制的，隨海拔高度顯著增加，Re數將逐漸減小。車用柴油機和工程機械用的渦輪增壓器均是小型徑流式增壓器[2]。增壓柴油機會因為空氣逐漸變得稀薄，造成進氣量也減少，其實際輸出功率也會逐漸減少。同時發動機控制系統自適應的調節增加渦輪轉速，再加之高原空氣密度較低，散熱變差，導致零部件承受的熱負荷大幅度增加，影響發動機的壽命。

對于車用增壓柴油機運行點的選擇，要結合汽車的實際使用環境狀況來定。不同區域之間是不同的。如美國地區的基礎建設比較好，道路狀況也相對比較好，高速公路非常多，大多屬于平原地區，很少有山區地形，整體海拔較低，所以，可在氣壓機最高效率區放置最大功率點。在歐洲國家，雖然公路也比較發達，但是因為丘陵和高山比較多，因此，汽車一定要具備一定的高海拔適應能力與爬坡能力。所以，其在選擇匹配方面也不同，額定功率大約在65%等效率曲線的附近，這主要是根據道路的具體情況來決定的。

我國高速公路雖然近年來也得到了迅速發展，但是整體而言，因為山地較多，且地理環境惡劣，所以路面條件比較差。因此，將最大扭矩點置于壓氣機最高效率區域之內，額定功率和歐洲相比，差距不大。

2 模擬和實地高海拔地區實驗對比分析

模擬海拔變化狀況實驗主要采用的是在帶有進排氣海拔模擬設備的發動機臺架試驗室進行，大氣壓力在不同環境下的模擬實驗，但是會忽略一些方面的影響因素，如水的沸點變化情況、進氣溫度變化狀況與冷卻風量的變化狀況等。所以，在固定海拔點通過模擬實驗，所開發出的發動機并不能真正滿足高原的具體應用環境狀況。氣壓機進氣阻力如果小于10pa的時候，壓氣機端的機油密封逐漸消失，實驗無法對海拔在3 000m以上的環境下，發動機性能受到的影響和實際情況進行真實的模擬。因此，為了最大程度上保障發動機的實際性能，應當進行各海拔下實地起動性能試驗。

3 汽車柴油機高原臺架運行實驗

為了保障增壓柴油機能夠適用于我國高原地區，通過相關試驗設備與條件，在高原地區開展試驗。初期，實驗環節是在20m的低海拔區域進行，并結合實際情況，進行發動機的性能分析與研發改進。之后在海拔為2 206m的地區與海拔3 800m的區域進行性能對比，并采取相應的改進措施[4]。

3.1 經濟性和可靠性試驗

試驗數據顯示，改進發動機在各個海拔下動力性和經濟性提升良好，且能夠最大程度上適應不同海拔條件下的增壓柴油機。海拔每升高1 000m，燃油的實際消耗率大約為1.55g/kw.h，增壓器的實際轉速大約增加了6%左右，渦輪前排溫度大約上升了30℃左右。首先，高原使用的渦輪增壓器一定要具備耐高溫的性能；其次，流量的實際范圍也應當適度的增加；最后，在選擇的時候還要增加高海拔的使用特性。試驗主要采取的是固定油門法，其可靠性與經濟性指標見表1。

試驗數據結果可反映出，因溫度因素的影響，需要對增壓器實施進氣補償措施。在海拔約為20m的環境下，空燃相對較高；在海拔約為2 206米的環境下，發動機的標定功率和最大扭矩未受到很大的影響；在海拔3 800m的環境下，其制定功率和最大扭矩受到的影響也是非常小的，但是空燃也比較低。海拔在不斷升高的同時，空氣越來越稀薄，已經不能再有效滿足燃料的正常需求，導致扭矩逐漸下降。相關試驗數據顯示，柴油發動機的經濟性和可靠性也能夠滿足在海拔3 800m以下的環境中使用。在海拔為3 800m的時候，1 000r/min的排溫已經慢慢達到了96℃，逐漸接近增壓器的極限，安全轉速也慢慢達到了極限。如果在更高海拔條件下進行使用，則應當根據實際需求進行相應的改進[5]。

3.2 冷機起動試驗

在試驗過程中，海拔在超過2 000m的情況下，冷機起動過程中，會冒白煙，過一段時間熱機后，白煙會逐漸消失。海拔在升高的同時，冒煙的時間也會逐漸延長。在海拔3 800m的環境下，溫度為10℃左右。當海拔升高的情況下，發動機的壓氣機壓力與溫度都不斷在下降，這樣便造成溫度和壓縮終了壓力也相應下降，著火的溫度也會因為壓力的下降逐漸增加。當海拔高度達到一定程度時，冷機起動之后會有大量的黑煙以及白煙。汽車柴油機還應當考慮更多的高原情況，該類型柴油機和高原實際需求相比，壓縮不足，起動時的實際功率更低。海拔高度一旦超過2 000m時，氣缸中的壓縮空氣量無法有效保障起動時燃燒[6]。

3.3 柴油機高原實車道路試驗

針對該類型柴油發動機的試驗結果，根據存在的不足地方，對活塞、增壓器、起動機、空氣加熱器等零部件的實際參數進行了改進，具體如表2所示。

通過采取相應的改進措施之后，發動機裝在卡車上，在高原道路進行試驗。海拔5 200m左右，在試驗過程中，發動機能夠滿足設計需求，且具備一定的經濟性與可靠性，起動性能夠有效滿足設計目標。

4 結語

此次試驗主要對渦輪增壓發動機在不同海拔環境下的工作狀況進行了研究，從而保障在高海拔區域環境下汽車發動機可以穩定工作和運行。在高海拔區域采用增壓柴油機，額定功率為66%以上，從而保障高速情況下不會超速，低速狀態下不喘振，進一步提升發動機的功率，并適當增加冷啟動裝置，在保障大氣壓力降低的環境下，具備足夠的啟動著火能量。同時，還需要提升汽車發動機的壓縮比，可以采用高壓縮比氣缸蓋，盡量縮小燃燒室，從而提高壓縮比。如采用特制的鋁缸蓋，且散熱性比較好，可以將壓縮比提高。對于普通的汽缸蓋，在高原地區使用，也需要將壓縮比提高。另外，還可以采用增壓設備，柴油機由于無爆燃限制，可以優化增壓器增加充氣量，從而有效改善發動機的經濟性和動力性。

通過改變不同海拔和不同溫度條件進行了深入的分析與研究，進一步探討了汽車柴油機的起動性能隨著海拔的不斷變化從而呈現的特點和規律性。深入探究改善高原地區汽車發動機起動性的方法，對保障高海拔區域汽車發動機正常穩定工作有著重要的意義。

參考文獻：

[1]楊艷慶.柴油機高原冷啟動方法探討與分析[J].柴油機設計與制造，2019（1）：1-3.

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

[3]鄭永春，陳其志，鄭國世.車用柴油機高原冷起動試驗研究[C]//2015年APC聯合學術年會.2019.

[4]高桐生.發動機高原特性模擬試驗臺的設計[J].汽車工程.2019，33（4）：22-23.

[5]高軒，劉澤坤，董素榮.低氣壓低溫環境對柴油機起動性能的影響及改進措施[J].內燃機與配件，2016（5）：1-3.

[6]崔毅，鄧康耀，田中旭.增壓發動機高原性能模擬試驗方法及其實施裝置[J].2018，45（4）：33-34.

（責任編輯：李凌峰）