發動機高原環境適應性難題及對應方案研究

0 緒論

我國中西部高原地區占據我國國土面積65%，海拔1km，2km和3km以上地域分別占國土面積的58%，33%和26%

。同時，我國西部地域的高原地帶與多國接壤，具備很高的軍事戰略地位。因此，發動機高原適應性研究刻不容緩。本文就近幾年國內外學者針對高原環境對于發動機適應性的研究采取的關鍵技術進行概括，并基于國內外研究對發動機未來高原適應性研究趨勢提供一些合理性建議。

水利事業單位部門預算與決算結合的實務探索…………………………………………… 蓋志杰，聶 勇(12.35)

1.2.2 Delphi法確定指標權重 由于各指標在綜合評價中所起的作用不盡相同，因此綜合評價中的關鍵問題是指標的權重問題。權重的客觀與否，決定著評價的好壞。而實際操作中，我們總希望能夠用較簡單的方法獲得較客觀的權重。因此本文使用Delphi專家評議法[17]求解各評價指標的權重。

1 高原環境對發動機的影響

1.1 高原環境特點

我國高原地區相對平原來說的差異性具體表現為空氣中氧含量的濃度低，溫度以及溫差較大，風沙天氣在一年中出現頻率較高等，這種環境就要求發動機必須能夠滿足高原環境下的特殊使用要求

。高原環境中空氣密度、大氣溫度、大氣壓力等各項參數隨高度變化如圖1所示。

1.2 高原環境對發動機影響

汽車能否在高原環境下穩定運行以及發揮它的最大效率與其發動機的高原適應性有巨大的關系。因此,掌握高原環境對車用發動機的影響規律,對于研究車用發動機的高原環境適應性有著非常重要的意義

。其中高原環境對發動機影響主要有以下幾個方面：

（4）基于GIS的選線工作輔助系統，其可靠性與計算結果準確性及現有數據信息有直接關系，同時也會受到用戶自身選擇與判斷的影響。只有正確的選擇與判斷，才能充分發揮工具應有的作用和效果。

1.2.1 發動機功率影響

四沖程發動機功率

和壓力

的關系：

然而對于單極的VGT增壓方式來實現高原柴油機動力提升是難以辦到的，其只能恢復一定海拔的柴油機功率性能，因此，更多的學者開始研究二級可調增壓技術來提高發動機高原環境下的動力性能研究。

(1)

二級可調增壓系統在低轉速下，流量分配閥將廢氣全部分給低壓級增壓器，由于其流量小和轉動慣量低的原因，因此可以有效提高低轉速下壓力。在高轉速下，流量分配閥開啟將部分廢氣給低壓渦輪，隨著廢氣增多，高低壓增壓器同時工作，此刻高低壓增壓器成并聯狀態，而其壓氣機始終為串聯工作。

從式(1)可以看出，發動機功率與平均指示壓力以及曲軸轉速和發動機總容積成正比，而發動機總容積是一定的，因此

與

成正比關系，而平均指示壓力

與充氣系數

又有以下關系：

(2)

式中：

-理論混合物的熱值；

-指示效率；

-過量空氣系數。

通過式(2)可以看出：對于過量空氣系數，當大氣壓力下降時，進氣溫度和阻力以及進氣終了氣缸壓力和進氣壓力比值保證不變，則可認為充氣系數基本不變。因此平均指示壓力主要與充氣系數有關，從圖1可知氣壓及空氣密度隨海拔升高而降低，因此這種環境下的發動機進氣量減少，功率降低。

根據眾多學者研究海拔高度對發動機功率具體影響，得到一下結論：海拔每升高1km，非增壓發動機功率下降8%～13%，燃油消耗率上升6%～9%；增壓發動機功率下降1%～8%，油耗增加1%～6%

。

1.2.2 發動機熱負荷的影響

治療中的監測：治療過程中每2～3個月檢查第二性征以及測量身高；首劑3個月末復查GnRH激發試驗，如LH激發值在青春前期值則表示劑量合適；此后，對女童只需定期復查基礎血清雌二醇（E2）濃度或陰道涂片（成熟指數），男童則復查血清睪酮基礎水平以判斷性腺軸功能的抑制狀況。每6～12個月復查骨齡1次，女童同時復查子宮、卵巢B超。

3.2.1 家庭人均月收入 本研究結果顯示，家庭人均月收入是穩定期精神分裂癥患者心理彈性的主要影響因素(P<0.05)，收入越高，其心理彈性得分越高，與研究結果相似[17]。分析原因可能是，精神分裂癥尚不能根治，且會導致患者工作能力的喪失，長期的康復和治療，患者要面臨較大的經濟負擔及對家庭的負罪感，這些均會加重患者心理應激反應，降低其心理彈性水平，提示臨床精神科工作者應關注家庭人均月收入較差患者，盡可能采用一些療效相當且費用較低的藥物，減少非必要的檢查，進而提升其心理彈性水平。

在高原地區，當發動機功率保持不變時，隨著海拔的不斷升高，意味著需要更多的空氣來支持燃料燃燒提供動力，這就意味著需要更高壓比的空氣，從而使發動機溫度提高。而且高原地區發動機由于氧含量少的原因也會使燃耗不足，壓縮后的混合氣達不到著火點，使得柴油不能及時著火燃燒；并且缸內一部分燃料因缺氧燃燒不完全，使可燃混合氣濃度過高。這些都導致高原運行發動機缸內燃燒滯后，熱負荷加劇

。根據相關經驗：海拔每升高1km，增壓發動機在相同噴油量的條件下排氣溫度升高約20～30℃

。

解決策略：科學本質的教學需要在學習的過程中提出相應的反思性活動與要求，還需有指向目標的過程與途徑。教師換個角度，先找出中心主題，幫助學生梳理出“血流方向”與“血液中含氧情況”等知識結構中的關鍵詞，再展開聯想，最后構建概念圖（圖5）。圖中兩條主線清晰、直觀展示，可以幫助學生理清思路，為學生后續的自我糾錯找準方法。

1.2.3 發動機燃油燃燒及排放的影響

眾所周知，發動機是靠燃油與空氣混合為一定比例的可燃混合氣燃燒來產生動力進行運轉的。一般發動機燃燒設計時都是以標準空氣氧含量來設計的，因此在高原環境中氧濃度降低，使可燃混合氣中燃料成分過多使混合氣濃度變高

。過濃的可燃混合氣會造成燃燒不完全，從而產生大量的CO、NO化合物等有害氣體，并在活塞頂部和火花塞處產生大量的積碳，使功率下降、動力不足、油耗升高。

2 發動機高原改措施

2.1 對配氣、供油角度調整

當配氣相位與發動機的實際轉速匹配，使充氣系數提高，才能使發動機性能最優。

對于調整配氣相位來適應高原環境的研究已然比較成熟，果繼輝

以東方汽車6100-I型發動機為例，通過反復試驗，發現在云南高原海拔1990m的區域其配氣相位整體提前2～4°，其動力性及經濟性更優。廣汽雅閣發動機采用了兩級式配氣相位調整裝置，簡稱VTEC。VTEC就是根據發動機轉速的變化調整配氣正時和氣門升程，使進入氣缸的混合氣利用其流速慣性以及滿足發動機高低轉速的需求，從而達到發動機動力性和經濟性

。因此對于配氣相位和發動機轉速合理匹配研究已經成功用于實際中。

對于供油提前角的調整，不同海拔條件下噴油定時對最大燃燒壓力隨海拔變化影響極大。一般海拔在2～3km時，供油提前角可提前1～2°，在3～4km時，可提前2～4°。噴油提前可使預混燃燒量的增多，使燃燒壓力增大，改善燃燒。

2.2 采用增壓設備

增壓器多用于無爆燃情況的柴油機上，以增大進氣量來改善發動機性能，汽油機一般不采用這種方式，因此本文對于增壓設施對發動機高原適應性改進主要針對為柴油機。高原柴油機采用增壓器后，發動機的充氣系數增加，燃料與氧氣比例變得正常，使燃燒較之以前變得更加充分，使其功率上升 ，燃料耗損降低

。而目前對于提高增壓器的技術也越來越多，主要有以下幾種被學者所研究。

2.2.1 帶放氣閥增壓器

放氣閥調節是采用的最早也是最為廣泛的調節方式，因此其研究也最為廣泛。

對于帶放氣閥的增壓器研究，葉飛帆

通過實驗發現帶放氣閥的增壓器對于柴油機性能提升是有效的，更加適用于不經常運行的全負荷柴油機。張然治

對帶放氣閥的增壓器進行進一步的優化分析。周崢

等基于放氣閥的基本原理，通過ECU控制閥的開度，使增壓能力可根據實際工況調整，避免因增壓過高導致汽油機爆震。Andreas等人

通過對比真空和電子旁通閥特性，建立4缸汽油機MVEM模型，用于預測廢氣門和增壓壓力的瞬態行為。這些瞬態響應針對不同條件進行研究并深入了解系統的屬性。蔣曉鳳

通過研究發現帶電控閥的增壓器能夠在全工況范圍內對增壓能力進行調節，并采取一些措施改善增壓器匹配性能。

如果等不急，不如我來先精選當天最喜歡的幾款佳釀，先來感受這個明年就要迎來175周年紀念的標桿品牌的新一年之作。

Cheong J等人

通過實驗研究VGT對柴油機影響，并將VGT的滿載性能結果與機械控制廢氣門渦輪增壓器的情況進行比較，結果表面在相同的最大氣缸壓力和排氣煙度限制內，低速扭矩最大可提高約44%。Segawa K等人

為實現渦輪葉輪和噴嘴葉片的最有組合，對噴嘴流量和渦輪流量的平衡進行研究，結果表面：噴嘴與渦輪葉輪的喉部面積比對噴嘴關閉位置的渦輪效率和最大流量有很大影響。Barkhage R

等人研究了葉片開度、空燃比和壓力條件對啟動能力、穩態扭矩、瞬態響應對不同條件下渦輪性能的影響。

2.2.2 可變截面渦輪技術

要結合鄉鎮農業統計工作實際，建立健全農業統計工作制度體系，明確統計工作目標、具體實施方法、流程和標準要求等，加強責任分工落實和績效獎懲機制建設，鼓勵各地區結合實際，做好新時期農業統計工作，將其和地方政績考核全面掛鉤，切實提升基層農業統計部門水平。

可變截面渦輪VGT(Variable Geometry Turbocharger)技術核心是導流葉片在低轉速和排氣量的工況下可以關閉，從而增大發動機的進氣壓力

。

一年一度的秋季運動會落下了帷幕，如何利用總結運動會這個機會來增強同學們的集體榮譽感呢？我打算改變以前只是我一個人總結的做法，讓所有人參與進來。

傳統渦輪增壓發動機解決渦輪遲滯現象主要使用小尺寸的輕質渦輪。小渦輪在低轉速下由于其小的轉動慣量可達到理想工作轉速從而改善渦輪遲滯。然而小渦輪在高轉速下由于排氣截面較小使排氣阻力增大，使發動機功率和扭矩受阻。而大尺寸渦輪與之相反，在高轉速下表現良好，但低轉速下渦輪遲滯加劇。基于此，VGT技術便應運而生，并在眾多學者的不斷研究中加以完善。

通過上述研究發現，傳統帶有放氣閥的增壓系統是一種傳統的調節方式，在冷啟動和爆震控制方面有一定的不足，而且不能根據工況做出調整，因此眾多學者又對不同渦輪增壓技術進行更深層次的研究。

3.模型的設定。本文借鑒李越冬等（2014）研究內控重大缺陷與審計定價之間相關性的研究模型，并加入固定資產與應收類賬戶占總資產比例對其進行修正，構建如下模型進行研究。

4)構建的多傳感器信息的煤礦懸臂式掘進機空間位姿監測系統，為懸臂式掘進機定向掘進和截割斷面自動成形控制奠定了良好基礎。

2.2.3 二級可調增壓技術增壓

式中：

-曲軸轉速；

-工作容積。

二級增壓技術對于一些大貨車以及轎車上已經有了廣泛的應用，然而對于一些高原地區的二級增壓技術的研究和應用相對較少，其中主要有如下研究：

通過上述研究發現，VGT在柴油機應用以更普及，對于發動機整體性提升以及尾氣污染物的排放的降低也有一定的作用，然而其成本相對較高，相對來說難以普及。但VGT在汽油機上應用較少，原因是汽油機排氣溫度(1000℃左右)遠遠大于柴油機排氣溫度(400℃左右)，而VGT技術所采用的材料難以承受汽油機的排氣溫度，因此VGT技術在柴油機應用更加廣泛。總體來說，VGT技術對于發動機性能提升起到很好作用，因此對于發動機在高原地區的良好運行也有著重大作用。

劉系暠

等人通過研究發現采用二級增壓可以使柴油機在海拔5.5km時最大轉矩和標定點功率相對單級時分別提高15.5%和27.2%，并且低速轉矩提高，高效率區不超速。劉瑞林

將VGT技術與二級可調增壓技術結合，并進行高原匹配仿真分析。結果表面組合技術可有效提升柴油機高原環境下的動力性和經濟性以及適應性。二級可調增壓和柴油機匹配也有眾多學者進行了深入的研究。然而，柴油機運行工況復雜，要求不同工況下二級可調增壓系統都能提供精確的增壓壓力，僅靠匹配是不夠的，更需要二級可調增壓系統調節

。Li H

等人考察了不同海拔高度下增壓壓力和發動機功率的變化情況，采用原廠增壓器和與之相匹配的低壓增壓器構建了可調式兩級增壓系統。介紹了增壓壓力恢復的閥門控制策略，這些策略構成了功率恢復方法的基礎。結果表明，該系統能有效地恢復不同速度和不同高度下的增壓壓力。劉瑞林

等人建立了基于DOE的二級增壓柴油機仿真模型，從DOE過程得到的響應面分析得出各因素對響應值的影響規律，為以后的標定工作提供一定的指導。ABB Turbo System與 公司

研究大型柴油機二級增壓技術，可以有效降低油耗和排放。趙長祿

等人按照高原匹配策略匹配了可調二級增壓系統，并搭建了仿真模型。

經過眾多學者的研究，對于高原環境下二級可調增壓已經有了相對成熟的理論體系。然而對于二級可調增壓系統的試驗還沒有開展，因此也無法應用到實際中去。因此，二級可調增壓系統試驗研究將是未來關注的重點。

2.3 采用冷啟動裝置

發動機高原環境下潤滑油由于溫度過低導致其流動性能變差，而且較低的氧氣濃度也導致進氣量的不足達不到柴油燃燒氧氣濃度。因此對發動機冷啟動主要影響為：

因此，不同種類的潤滑劑對氣缸的工作性能都同時有著正面與反面的影響。要做好氣缸的潤滑優化，必須在選擇潤滑劑時綜合考慮各類潤滑劑。要選用含有不飽和成分較少的型號，同時還要添加如合成油聚α烯烴等成分，以更好地提高氣缸的工作性能。

(1)高原環境下氧氣濃度降低，使壓縮終了時刻的壓力和溫度下降，點火延遲，使啟動更加困難。

(2)低溫導致電池放電現象嚴重，儲電不足，且啟動時蓄電池劇烈的放電也會燒毀電池

。

由于上述的影響，使得發動機在高原地區往往需要啟動多次才能成功，針對此問題，可以在發動機中安裝冷啟動系統，啟動前可進行預熱處理來提高啟動成功率。一般冷啟動開啟在油門開啟前，這樣可以有效保護渦輪增壓器，提高發動機使用壽命。

另外還有很多冷啟動輔助的一些裝置，比如使用一些添加乙醚等燃點較低的物質來使燃油燃點降低，此方法雖然可以使啟動時間變短，然而其燃燒粗暴，容易損壞發動機，因此并不適用高原發動機冷啟動。而目前最常用冷啟動輔助裝置為進氣加溫和冷卻液的預熱裝置，通過電阻絲、PTC以及火焰式預熱器進行預熱，使發動機順利啟動。其中典型案例就是東風康明斯在發動機進氣裝置上安裝PTC加熱器

和斯太爾發動機采用預熱器進行進氣加熱

。

進氣預熱優點是使用簡單可靠，能有效降低發動機啟動溫度，啟動效果好，其缺點是結構較為復雜，操作不當會損害預熱塞，進氣密度變小，氧含量降低 ，輔助啟動效果一般，在高原地區不宜使用

。

2.4 含氧燃料使用

含氧燃料就是在發動機燃料中加入酒精、丙酮以及其他含氧化合物，來彌補高原環境缺氧導致充氣量不足的問題。對于此項研究經過眾多學者不斷努力也取得了很大的進步。曹斯琦

對燃用柴油和100%聚甲氧基二丁基醚型含氧燃料(DMB100)的發動機進行高原模擬臺架試驗，結果表明DMB100燃燒上的動力性和經濟性在高原上改進更加明顯。李曉然

用摻混不同體積分數的二乙二醇二甲醚(DGM)的燃油為燃料，通過臺架試驗分析海拔2000～4000m不同摻混比例燃油對發動機性能影響，結果表明使用含氧燃料發動機功率更高，并與DGM添加量成正比，且HC、CO排放明顯降低，對于環境保護起到了一定的作用。

相對于其他解決發動機高原環境下所面臨難題的措施，在燃油中添加適當含氧燃料，是不改變發動機結構情況下，改善發動機在高海拔地區的動力性及經濟性，解決發動機在高海拔地區燃燒不完全的一種重要解決手段。

2.5 其他方法

高原環境另一特點為干燥多風，空氣中塵土較多，而發動機的動力性和經濟性與磨損有著很大聯系，而其磨損與空氣濾清器又有很大關系。

發動機高負荷下使增壓器吸力變大，當濾紙精度不足灰塵穿過濾紙進入發動機氣缸，使發動機磨損加劇，壽命降低

。因此在高原環境下空氣濾清器要經常進行清潔或更換濾芯。另外還可以采用高壓共軌技術和優化噴油器結構，使燃油霧化更好，燃燒更加充分。也可以改變燃燒室形狀或使用新型材料提高氣缸力學性能，增大壓縮比等。

3 結論

(1)對于發動機高原環境適應性研究，更多集中在增壓技術、富氧燃燒技術和冷啟動技術上的研究，并且在一些車型上得到了實際的應用，取得了較好的效果。

(2)我國對于發動機高原環境適用性研究較多，但一些關鍵性技術的研究還相對薄弱，比如增壓器可變截面渦輪技術、電控技術以及燃燒方面的研究。這些方面也制約著我國發動機高原適應性的進一步提升，因此，對于上述方面研究的進一步加強，是未來發動機高原適應改革的重中之重。

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