某重型柴油機高原性能試驗

李海慶，殷海紅，姜文革，房瑞雪

（1.濰坊職業學院機電工程學院，山東 濰坊 262737；2.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

隨著西部大開發的日益深入，西部地區對中、重型車輛的需求量逐年遞增，汽車保有量在4500 萬輛以上。高原地區空氣稀薄、大氣壓力低，發動機在高原地區運行時進氣量不足，會導致柴油機動力性下降、經濟性升高等問題，也會導致發動機排溫高、增壓器超速等安全性問題[1-3]。為了確保發動機在高原地區運行的安全，同時也為了研究高原地區對發動機動力性、經濟性的影響趨勢，濰柴動力股份有限公司引進了發動機移動試驗臺架，可以在高原上做臺架試驗，采集大量的高原試驗數據，分析發動機的高原性能，在保證發動機安全運行的前提下，尋找提高效率，降低油耗的方法[4-9]。

1 柴油機試驗儀器和設備

1.1 試驗用柴油機

試驗用發動機為WP10.336E50 柴油機，其主要技術參數見表1。

表1 發動機主要技術參數

1.2 試驗用測試設備

試驗用測試設備為江蘇南通力達公司生產的發動機移動試驗臺架，該移動臺架包括臺架模塊和試驗保證模塊。移動試驗臺架可以作為一個集裝箱放到整車上，整車把移動臺架拉到規定的海拔高度后，進行發動機臺架試驗。圖1 為試驗用測試設備的外形圖。

圖1 試驗用測試設備外形圖

2 試驗方法

選擇平原及高原地區（考慮試驗成本，本次高原試驗選擇2800 m、3500 m 和4100 m 3 個有代表性的海拔高度）進行外特性試驗，采集各海拔情況下的試驗數據，分析不同海拔高度對發動機經濟性和動力性的影響趨勢。同時在高原地區需要根據增壓器許用最高轉速（1.6×104r/min）和發動機最高排氣溫度限值（550 ℃）進行增壓器保護。表2 為三個海拔下的大氣壓力值，隨著海拔升高，大氣壓力成直線下降。

表2 各海拔大氣壓力

3 試驗結果與分析

3.1 增壓器保護試驗

為保證柴油機運行安全，增壓器轉速和發動機排氣溫度應小于增壓器許用最高轉速（1.6×104r/min）和發動機最高排氣溫度（550 ℃）。通過在海拔2800 m、3500 m、4100 m 對柴油機進行增壓器保護試驗，標定增壓器保護油量MAP 進行標定以實現對噴油量的控制試驗結果如圖2。通過與外特性油量MAP（圖3）比較發現，在海拔2800 m、3500 m 和4100 m 增壓器都沒有超速現象，未對發動機進行油量限制，具體的噴油量一覽表見表3。

圖2 增壓器保護油量MAP

圖3 外特性油量MAP

表3 噴油量一覽表

3.2 動力性對比分析

隨著海拔的升高，大氣壓力逐漸減小，發動機進氣歧管的壓力也減小，從而導致進入發動機的進氣量減小，進而導致過量空氣系數降低，發動機燃燒不充分，熱效率降低，最終使發動機輸出的功率降低。功率降低情況在發動機低轉速（小于1000 r/min）處最明顯，發動機在4100 m 處，運行在1000 r/min 轉速時，功率比平原降低32.5%，嚴重的情況會導致啟動困難。而在1100 r/min～1500 r/min 處，隨著海拔的升高，功率降低緩和，2800 m/3500 m/4100 m 的功率幾乎一致，功率最高比平原降低11.5%。發動機在1500 r/min 以上，隨著海拔的升高，功率幾乎沒有降低，這主要是隨著海拔的升高增壓器沒有超速，不用通過減少噴油器的油量來保護增壓器，而發動機在高速情況下進氣量足夠，所以進氣壓力不是影響發動機功率的主要原因，燃燒情況占功率輸出的主導因素。不同海拔下功率對比圖見圖4，不同海拔下發動機進氣歧管壓力對比圖見圖5。

圖4 不同海拔下功率對比圖

圖5 不同海拔下進氣壓力對比圖

3.3 經濟性對比分析

隨著海拔的升高，空氣密度減小，大氣壓力降低，發動機低速時進氣歧管壓力明顯降低，使得進入發動機氣缸的空氣量相應減少，導致氣缸內過量空氣系數降低。過量空氣系數的不合理直接影響發動機的正常燃燒，燃燒過程中后燃現象增多，燃燒持續期增加，最高爆發壓力減小，導致燃燒效率降低，最終使得發動機燃油消耗率升高，經濟性變差，特別是在1400 r/min 以下，海拔4100 m 處比平原高達22%。

高海拔帶來的發動機缸內燃燒惡劣的情況不僅導致燃油消耗率升高，經濟性變差，同時還會導致發動機的排氣溫度升高，特別在1100 r/min 以下，渦輪后排氣溫度升高至發動機的極限溫度（550 ℃），如果超過發動機極限溫度，需要通過降低噴油器噴油量等措施來保護發動機。

不同海拔下燃油消耗率對比圖（圖6），不同海拔下最高爆發壓力對比圖（圖7），不同海拔下發動機渦輪后排氣溫度對比圖見8。

圖6 不同海拔下燃燒消耗率對比圖

圖7 不同海拔下最高爆發壓力對比圖

圖8 不同海拔下渦輪后排氣溫度對比圖

4 結論

通過發動機在平原和海拔在2800 m、3500 m、4100 m 分別進行外特性試驗，采集發動機試驗數據并分析，得到以下結論：

（1）隨著海拔的升高，大氣壓力變小，發動機進氣負壓變大，增壓器會出現超速的現象。避免超速的方法有兩種：一種是通過限制發動機噴油器的噴油量降低扭矩來降低增壓器的轉速；另一種是通過對增壓器的合理優化（比如采用高性能的材料、高效率的渦輪等），提供更好的性能來滿足高原地區的動力性和經濟性。

（2）由于高原地區大氣壓力低，空氣稀薄而導致柴油機進氣不足，發動機在1000 r/min 以下出現功率明顯的下降，最高下降32.5%。而高速區域功率下降不明顯，一是因為發動機運行在高速進氣量比較充足，與大氣壓力的變化對高速影響不大；二是還因為該增壓器在高海拔未出現超速情況，沒有進行增壓器保護，未減小噴油器的油量。

（3）隨著海拔的升高，空氣密度減小，大氣壓力降低，發動機低速時進氣歧管壓力明顯降低，使得進入發動機氣缸的空氣量相應減少，導致氣缸內過量空氣系數降低。過量空氣系數的不合理直接影響發動機的正常燃燒，燃燒過程中后燃現象增多，燃燒持續期增加，最高爆發壓力減小，導致燃燒效率降低，最終使得發動機燃油消耗率升高，經濟性變差，特別是在1400 r/min 以下，海拔4100 m 處比平原高達22%。

（4）高海拔帶來的發動機缸內燃燒惡劣的情況不僅導致燃油消耗率升高，經濟性變差，同時還會導致發動機的排氣溫度升高，特別在1100 r/min 以下，渦輪后排氣溫度升高至發動機的極限溫度（550 ℃），如果超過發動機極限溫度，需要通過降低噴油器噴油量等措施來保護發動機。