車用燃?xì)廨啓C(jī)極寒高原環(huán)境起動(dòng)與工作優(yōu)勢(shì)分析

邢俊文，張更云，姚新民，李軍，喬新勇

(陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系，北京 100072)

0 引言

在低于-10 ℃的寒冷高原環(huán)境下，裝甲車輛的柴油機(jī)動(dòng)力都需要進(jìn)行加溫才能起動(dòng)，少則10 min，多則近1 h，這樣，必然增加了車輛的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時(shí)間，而在瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境，無疑對(duì)于裝甲車輛的戰(zhàn)場生存形成了致命的打擊。而以美國M1A1 坦克和俄羅斯T-80Y 坦克為代表的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力，可以在小于-40 ℃的極寒環(huán)境下，直接起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間小于1 min，而后可以低速行駛投入戰(zhàn)斗或原地進(jìn)行火力反擊，這對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下裝甲車輛的戰(zhàn)場生存力而言是一個(gè)巨大的進(jìn)步，這一事實(shí)已得到試驗(yàn)驗(yàn)證［1］，但為什么燃?xì)廨啓C(jī)比柴油機(jī)在低溫環(huán)境下起動(dòng)有如此大的優(yōu)勢(shì)呢? 這就要從兩種動(dòng)力的工作機(jī)理和對(duì)比中找到答案。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響因素

不管是柴油機(jī)，還是燃?xì)廨啓C(jī)，都是利用燃料燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的，而發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功的標(biāo)志是能夠自行連續(xù)工作，不間斷輸出動(dòng)能對(duì)外做功;起動(dòng)過程通常分為3 個(gè)階段，即暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、燃料燃燒加速、自行穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，燃料燃燒是核心條件，前期準(zhǔn)備和后期延續(xù)均為了燃料起燃及持續(xù)燃燒，燃料不能燃燒也就談不上起動(dòng)成功，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響因素均與燃燒狀態(tài)、環(huán)境條件、起動(dòng)力矩、起動(dòng)阻力等相關(guān)。此外，因燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)的輸出扭矩與轉(zhuǎn)速的工作特性不同，起動(dòng)后，在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的起動(dòng)工況點(diǎn)，帶自由渦輪燃?xì)廨啓C(jī)可輸出軸零轉(zhuǎn)速工作，且隨轉(zhuǎn)速降低而扭矩增大，穩(wěn)定性要優(yōu)于柴油機(jī)。

1.1 燃燒機(jī)理

柴油機(jī)靠壓縮燃料混合氣自燃來工作，根據(jù)柴油自燃溫度220～330 ℃的要求，壓縮終了溫度、混合氣霧化程度及比例必須滿足自燃條件，才能使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料起燃，這是必備和基礎(chǔ)條件。

燃?xì)廨啓C(jī)靠點(diǎn)燃燃料混合氣來工作，根據(jù)柴油閃點(diǎn)溫度50～65 ℃的要求，壓氣機(jī)終了溫度、混合氣霧化程度及比例必須滿足點(diǎn)燃條件，才能使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料起燃，這也是燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)基礎(chǔ)條件。

二者相比，點(diǎn)燃顯然比壓燃更容易滿足。

1.2 起動(dòng)阻力

起動(dòng)阻力矩通常由摩擦、氣動(dòng)和慣性阻力矩組成，摩擦與慣性阻力矩受發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦力和潤滑油黏度影響，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大、摩擦力越大，黏度越大，起動(dòng)阻力就越大，起動(dòng)就越困難。氣動(dòng)阻力矩與氣體壓縮程度及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)，壓力越大，曲軸或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，氣動(dòng)阻力矩也就越大。

柴油機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)件包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、輔助系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置、主離合器主動(dòng)部分等，傳動(dòng)鏈上部件多，曲軸轉(zhuǎn)速2 000～4 000 r/min，因低速重載的強(qiáng)度要求高，軸系旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增大，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就變得很大。同時(shí)，各機(jī)構(gòu)機(jī)件材質(zhì)不同，膨脹系數(shù)也不同，曲軸和軸瓦間等配合部位的間隙容易受溫度變化的影響。而且，潤滑油黏度隨溫度變化比較大，低溫會(huì)導(dǎo)致其流動(dòng)性變差，摩擦表面供油不足，增加曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩，影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能［2］。

燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)件包括壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高低壓渦輪、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置等，不與輸出動(dòng)力渦輪及減速箱等機(jī)構(gòu)相連，傳動(dòng)鏈上部件少，核心轉(zhuǎn)子速度達(dá)幾萬轉(zhuǎn)，同功率下與柴油機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)件相比，載荷大幅降低，軸系旋轉(zhuǎn)件質(zhì)量變輕，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會(huì)變得很小，但轉(zhuǎn)速高，起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間需長一些。同時(shí)，航空機(jī)件材質(zhì)好，高速轉(zhuǎn)子軸承受溫度影響小，潤滑油也為航空專用油，低溫黏度變化比較小，旋轉(zhuǎn)阻力矩增加不大。

以382 kW 的12150L 高速柴油機(jī)為例，其曲軸摩擦阻轉(zhuǎn)矩在5 ℃氣溫環(huán)境下為1 196 N·m，-15 ℃環(huán)境下增大到2 305 N·m;而920 kW 的GTD1250 燃?xì)廨啓C(jī)，其高壓渦輪轉(zhuǎn)子最大摩擦阻轉(zhuǎn)矩為12 N·m，可用一根手指撥動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。二者相比，柴油機(jī)起動(dòng)摩擦阻力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃?xì)廨啓C(jī)，特別在低溫環(huán)境下，柴油機(jī)成倍增大，而燃?xì)廨啓C(jī)稍有增加，變化很小。

1.3 起動(dòng)力矩

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)離不開外部動(dòng)力去推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、持續(xù)加速，直至其能夠自行穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)為止。電起動(dòng)方式通常是主要起動(dòng)方式，它由電瓶供電，經(jīng)起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，克服起動(dòng)阻力，按起動(dòng)程序和要求運(yùn)轉(zhuǎn)，該起動(dòng)力矩取決于電瓶和起動(dòng)電機(jī)的性能;空氣起動(dòng)方式是由高壓氣源或氣瓶提供壓縮空氣，推動(dòng)活塞或轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)直至發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng);該起動(dòng)力矩取決于壓縮空氣氣壓和流量。

1.3.1 電瓶性能

電瓶作為起動(dòng)電源使用，必須具有足夠大的起動(dòng)容量和盡可能小的內(nèi)阻，才能供給起動(dòng)電機(jī)足夠大的起動(dòng)力矩，克服起動(dòng)阻力矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。由于溫度對(duì)電瓶容量和內(nèi)阻影響比較大，特別是低溫環(huán)境下，鉛酸蓄電池容量下降近40%以上，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)。為改善電瓶性能，可采用輔助動(dòng)力發(fā)電單元或電瓶保溫加溫等技術(shù)，彌補(bǔ)電瓶性能的不足。

1.3.2 起動(dòng)電機(jī)

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)迅速可靠地起動(dòng)，要求起動(dòng)轉(zhuǎn)速足夠高，一般要求汽油機(jī)最低曲軸轉(zhuǎn)速50～75 r/min，柴油機(jī)為200～300 r/min，燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)速26 000 r/min 以上。這就要求起動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生足夠的起動(dòng)力矩，達(dá)到足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。對(duì)于三軸燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)，還采用了兩級(jí)電機(jī)拖動(dòng)加速，拖動(dòng)時(shí)間近半分鐘左右。溫度變化會(huì)影響到電機(jī)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力矩，低溫環(huán)境下還要考慮到起動(dòng)電機(jī)阻力矩增加的影響。

1.3.3 空氣起動(dòng)

柴油機(jī)空氣起動(dòng)力矩取決于氣壓和起動(dòng)次數(shù)，在安全氣壓內(nèi)，氣壓越大起動(dòng)力矩越大。

燃?xì)廨啓C(jī)空氣起動(dòng)需要專門的空氣起動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)氣裝置，由于起動(dòng)拖動(dòng)時(shí)間長，其起動(dòng)力矩不僅于氣壓相關(guān)，與儲(chǔ)氣量也有關(guān)系。

1.4 霧化要求

柴油機(jī)燃料霧化質(zhì)量會(huì)影響到混合氣形成、自燃和完全穩(wěn)定燃燒，是促進(jìn)燃燒的先決條件。霧化程度與噴嘴方式、噴油壓力、環(huán)境溫度、缸內(nèi)壓力和溫度相關(guān)［3-8］。

燃?xì)廨啓C(jī)燃料霧化質(zhì)量會(huì)影響到混合氣的余氣系數(shù)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群头€(wěn)定燃燒，是燃燒室穩(wěn)定燃燒的重要基礎(chǔ)。根據(jù)燃油霧化原理分為壓力霧化(機(jī)械霧化) 和空氣霧化兩大類。在燃燒室進(jìn)口壓力和溫度較低時(shí)，可采用外部壓縮空氣進(jìn)行霧化，以獲得穩(wěn)定燃燒的燃燒室混合氣條件［9］。

二者相比，柴油機(jī)噴油壓力高、霧化好，但燃燒時(shí)間極短，壓燃起動(dòng)對(duì)霧化要求極高;燃?xì)廨啓C(jī)噴油壓力低，霧化差，但燃料經(jīng)點(diǎn)燃后始終處于連續(xù)燃燒狀態(tài)，采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)加上壓縮空氣霧化方式，容易實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃及燃燒持續(xù)穩(wěn)定，對(duì)霧化質(zhì)量要求相對(duì)較低。

1.5 燃燒狀態(tài)

對(duì)于柴油機(jī)，燃料噴入氣缸燃燒室后，分散成許多細(xì)小油滴，這些油滴經(jīng)過加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、與空氣混合、分解、氧化后，會(huì)自行著火燃燒。著火需要兩個(gè)條件:一是可燃混合氣比例要在著火界限內(nèi)，即余氣系數(shù)在1 附近，富油和貧油都不能著火;二是可燃混合氣必須加熱到自燃溫度，低于該溫度就無法燃燒，該溫度與介質(zhì)壓力、加熱條件、燃料性質(zhì)有關(guān)，其中，燃油自燃溫度范圍見圖1，與壓力相關(guān)。首次著火后，通常很粗暴，氣缸內(nèi)壓力和溫度很不穩(wěn)定，很容易發(fā)生失火和熄火現(xiàn)象，必須繼續(xù)保持穩(wěn)定的暖機(jī)轉(zhuǎn)速和合適噴油量，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒和持續(xù)自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 燃油自燃溫度范圍Fig.1 Autoignition temperature range of fuel

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，燃油噴射進(jìn)燃燒室，霧化的油珠吸收熱量蒸發(fā)，并且通過擴(kuò)散的方式與空氣進(jìn)行摻混形成混合氣，比例適當(dāng)?shù)幕旌蠚猓谶_(dá)到閃點(diǎn)溫度時(shí)，經(jīng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃，只有點(diǎn)燃后的燃油火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c進(jìn)氣氣流速度達(dá)到平衡時(shí)，燃燒室內(nèi)才能保持穩(wěn)定燃燒。混合氣的燃燒條件有兩個(gè): 一是比例適當(dāng)，從理論上講，余氣系數(shù)為1，混合氣的比例是最恰當(dāng)?shù)模炔回氂鸵膊桓挥停?dāng)余氣系數(shù)小于1 時(shí)，混合氣富油，當(dāng)余氣系數(shù)大于1 時(shí)，混合氣貧油;二是達(dá)到著火溫度，混合氣的著火溫度隨組成混合氣的燃料與氧化劑種類的不同而不同，并且與混合氣的壓力大小有關(guān)。點(diǎn)火包括能量釋放、火焰點(diǎn)燃和傳播三個(gè)過程，通過使用點(diǎn)火裝置觸發(fā)一團(tuán)熱的氣體核心，釋放能量;蒸發(fā)點(diǎn)火器附近的液體燃油、加熱混合氣，并觸發(fā)包圍點(diǎn)火器的火焰筒內(nèi)的第一把火。

火焰從點(diǎn)著的一個(gè)頭部向相鄰頭部傳播，直到點(diǎn)燃整個(gè)燃燒窒。如圖2 所示，燃?xì)廨啓C(jī)有可能因混合氣比例和氣流速度不合適，超出邊界而發(fā)生熄火。圖2 中:AB 線段表示氣流速度過小，低于A 點(diǎn)，貧油極限隨氣流速度減小而減小，沿AB 線變化;AC 線段表示氣流速度過小，低于A 點(diǎn)，燃燒室如果采用蒸發(fā)管后，霧化質(zhì)量不會(huì)因氣流速度減小而變差，貧油極限隨氣流速度減小而繼續(xù)增大，沿AC 線變化;C2max表示燃燒室穩(wěn)定燃燒所允許的最大進(jìn)口氣流速度。

圖2 燃機(jī)熄火特性關(guān)系圖Fig.2 Boundary conditions of gas turbine flameout

2 低溫環(huán)境對(duì)起動(dòng)過程的影響

在低溫環(huán)境下，燃油的流動(dòng)性、霧化都會(huì)變差，潤滑油黏度增加，電瓶性能下降，導(dǎo)致起動(dòng)阻力增加，起動(dòng)力矩下降，燃油著火難，起動(dòng)難，嚴(yán)重影響到坦克裝甲車輛的寒區(qū)快速機(jī)動(dòng)。

2.1 柴油機(jī)

在低于-10 ℃的環(huán)境下，柴油機(jī)必須進(jìn)行加溫保溫，才能正常起動(dòng)工作，特別是在-30 ℃以下，加溫長達(dá)50 min 以上，柴油機(jī)才能起動(dòng)。低溫對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)的影響體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面:

1) 氣缸內(nèi)活塞壓縮終點(diǎn)溫度低，缸體散熱快，難以達(dá)到柴油自燃溫度。低溫環(huán)境使進(jìn)氣溫度降低，也增大了起動(dòng)前氣缸內(nèi)外溫度差，使得壓縮終了空氣溫度偏低，且散熱快而不易保持，難以達(dá)到柴油的自燃溫度而正常起動(dòng)［10］，經(jīng)某柴油機(jī)試驗(yàn)表明，缸內(nèi)壓縮終了溫度達(dá)到427 ℃以上，才能實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定燃燒，對(duì)應(yīng)的環(huán)境進(jìn)氣溫度為10 ℃［2］。也就是說，低于10 ℃，原則上柴油機(jī)都需要加溫保溫，才能可靠起動(dòng)。

2) 機(jī)油黏度增大，起動(dòng)阻力矩增大。對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，在低溫條件下主要受潤滑油黏度的影響。在摩擦阻力中，活塞與氣缸、曲軸各軸承的摩擦力是主要的，約占啟動(dòng)摩擦力60%以上。隨著溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油黏度增大，曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，影響起動(dòng)性能。

3) 柴油黏度增大。在低溫條件下，柴油黏度增加，表面張力加大，導(dǎo)致燃油輸送不通暢和噴油的霧化質(zhì)量變差，易造成斷油熄火或延長著火滯后期。

4) 蓄電池工作能力變?nèi)酢Ｐ铍姵氐淖罴压ぷ鳒囟仍?0～40 ℃范圍，隨著環(huán)境溫度的降低，蓄電池的輸出能力也相應(yīng)的下降，在-30 ℃時(shí)，20 h 放電率只有額定輸出的34%左右;蓄電池容量也在降低，如65 式蓄電池在30 ℃時(shí)的啟動(dòng)容量為35 A·h，但在-18 ℃的啟動(dòng)容量只有21 A·h 容量，降低40%;同時(shí)，蓄電池端電壓下降也比較快，電解液電阻隨溫度降低而增大，使蓄電池內(nèi)部電壓降增加，端電壓明顯下降，限制了起動(dòng)電流。

低溫啟動(dòng)需要的啟動(dòng)功率大，而蓄電池工作能力反而下降，啟動(dòng)機(jī)無力拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)或不能達(dá)到最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，致使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難。

在低溫環(huán)境下，確保蓄電池選型符合要求并充滿電，低溫啟動(dòng)困難時(shí)，應(yīng)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行測量，保證蓄電池電壓符合低溫環(huán)境條件下的下降曲線特性要求，必要時(shí)可采用蓄電池加熱裝置［11］。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)

在-43 ℃的環(huán)境下，燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)于常溫下起動(dòng)困難一些，但借助高壓空氣霧化，可以實(shí)現(xiàn)直接起動(dòng);起動(dòng)后，燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)短時(shí)間自加溫，便可驅(qū)動(dòng)車輛低速行駛。低溫環(huán)境對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)的影響體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面:

1) 滑油黏度增大，起動(dòng)阻力矩增大［12］。在低溫條件下受潤滑油黏度的影響，各轉(zhuǎn)子及附件驅(qū)動(dòng)的阻力矩增大，影響起動(dòng)性能［13］。

2) 柴油黏度增大，霧化質(zhì)量變差。在低溫條件下，柴油黏度增加，表面張力加大，導(dǎo)致噴油霧化質(zhì)量變差，需要借助高壓空氣霧化，才能確保點(diǎn)燃成功。

3) 蓄電池工作能力變?nèi)酢Ｅc柴油機(jī)相同，利用蓄電池的電起動(dòng)系統(tǒng)受低溫影響，起動(dòng)力矩下降，影響起動(dòng)。為此，應(yīng)選擇低溫性能好的蓄電池或輔助燃機(jī)動(dòng)力發(fā)電單元來解決該問題。

2.3 對(duì)比分析

在低溫環(huán)境下，燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)相比，更易于起動(dòng)，對(duì)比分析原因如下:

1) 燃油點(diǎn)火溫度遠(yuǎn)低于自燃溫度，極寒條件下，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)利用高壓空氣霧化很容易達(dá)到點(diǎn)燃燃燒條件，而柴油機(jī)不經(jīng)過加溫保溫過程，氣缸內(nèi)很難達(dá)到壓縮自燃的穩(wěn)定燃燒溫度條件，即使利用進(jìn)氣加溫或起動(dòng)液等措施實(shí)現(xiàn)即時(shí)燃燒起動(dòng)，其過程也非常粗暴，必然因潤滑油低溫黏度過大導(dǎo)致的潤滑不周，而發(fā)生拉缸和燒曲軸軸瓦的故障，嚴(yán)重影響柴油機(jī)正常工作及壽命。

2) 航空潤滑油黏度低于機(jī)油黏度，燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柴油機(jī)的，燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)阻力矩也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柴油機(jī)。比如，燃機(jī)使用的4109 號(hào)航空潤滑油凝點(diǎn)為不低于-60 ℃，-40 ℃條件下運(yùn)動(dòng)黏度不大于3 000 mm2/s;柴油機(jī)使用的5W-40 潤滑油傾點(diǎn)不高于-55 ℃，-40 ℃條件下低溫泵送動(dòng)力黏度不大于60 000 mPa·s，該溫度下密度設(shè)為0.84 g/cm3，則換算運(yùn)動(dòng)黏度為71 429 mm2/s，遠(yuǎn)大于航空潤滑油。

3) 蓄電池低溫下工作能力下降對(duì)兩種發(fā)動(dòng)機(jī)影響是一樣的，均會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)力矩下降。

綜上所述，柴油機(jī)在低溫下正常起動(dòng)幾乎是不可能的，必須經(jīng)過長時(shí)間加溫和保溫才能實(shí)現(xiàn);而燃?xì)廨啓C(jī)可實(shí)現(xiàn)極寒條件下正常起動(dòng)，具有天然的起動(dòng)性優(yōu)勢(shì)。

3 高原環(huán)境對(duì)起動(dòng)及工作過程的影響

在高原環(huán)境下，隨著海拔升高，氣壓降低，空氣密度下降，空氣含氧量下降，如表1 所示，直接影響到氣缸或燃燒室內(nèi)燃燒的進(jìn)氣量和進(jìn)氣壓力，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降;同時(shí)，海拔高、空氣稀薄也影響到冷卻系的散熱能力，水沸點(diǎn)降低，如表2 所示，柴油機(jī)容易產(chǎn)生過熱;高原地區(qū)日照時(shí)間長、無霜期短、空氣干燥，處處伴隨著低溫和沙塵環(huán)境，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和損傷也是致命的。

表1 大氣壓、空氣密度和海拔高度的關(guān)系［14］Table 1 Relationship between atmospheric pressure/density and altitude［14］

表2 大氣溫度、水沸點(diǎn)和海拔高度的關(guān)系［14］Table 2 Relationship between atmospheric temperature/boiling point of water and altitude［14］

3.1 柴油機(jī)

高原環(huán)境因空氣稀薄、氣溫低影響著柴油機(jī)的燃燒和熱交換過程，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、燃燒惡化、易過熱和難啟動(dòng)，不能持續(xù)正常工作。

1) 空氣稀薄使燃燒過程惡化，功率下降，不能持續(xù)正常工作。由于高原地區(qū)空氣密度低、氣壓下降快，含氧量低，使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮終了的壓力下降，充氣系數(shù)減小，在供油量不改變的情況下，過量空氣系數(shù)降低，混合氣變濃，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程惡化，后燃嚴(yán)重、燃燒不完全，冒黑煙［15］，排氣溫度升高，功率降低，燃料消耗率增加，且易使活塞頂部、燃燒室、排氣門處產(chǎn)生積炭，排氣歧管燒紅、燒裂，廢氣抽塵器的銅石棉墊燒壞，水散熱器的出水膠管烤壞［14］。因此，裝甲車輛在高原地區(qū)使用，不僅降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能，而且嚴(yán)重地影響發(fā)動(dòng)機(jī)持久正常地工作。

按照大氣環(huán)境功率修正公式計(jì)算可得某型自然進(jìn)氣柴油機(jī)功率修正系數(shù)隨海拔高度變化關(guān)系如圖3 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)上升到海拔5 000 m，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況溫度25 ℃有效功率應(yīng)下降39.3%［16］;環(huán)境溫度5 ℃發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率應(yīng)下降45.1%［16］，可以發(fā)現(xiàn)大氣壓和環(huán)境溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率影響很大。因此，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)采用增壓等技術(shù)措施，在努力減小其高原上的有效功率下降幅度。

圖3 某柴油機(jī)計(jì)算高度特性［16］Fig.3 Relationship between calculated power and altitude for a diesel engine［16］

要避免燃燒惡化，使柴油機(jī)能夠持續(xù)工作，必須合理減油或限制供油量，工作在與稀薄進(jìn)氣量匹配的燃燒狀態(tài)下，表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)無力、功率嚴(yán)重不足，坦克設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)性不能實(shí)現(xiàn)，這種狀態(tài)也是不正常且無法接受的。

2) 空氣稀薄影響熱轉(zhuǎn)換，柴油機(jī)易過熱。散熱條件變差。發(fā)動(dòng)機(jī)散熱是依靠空氣這一媒介傳播出去的，在高原地區(qū)由于空氣密度低，在日照氣溫高的條件下不利于散熱，使發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱性能下降;另外氣缸體、散熱片、散熱器等部件接觸空氣機(jī)會(huì)減少，機(jī)體表面的熱量難以帶走，熱交換效果差［14］。增加散熱空氣的流量可以改善散熱條件，但因大氣環(huán)境條件所限，該措施難以實(shí)現(xiàn)，且代價(jià)大、效果差。

冷卻液沸點(diǎn)降低。冷卻液的溫度直接影響燃燒過程和傳熱損失，同時(shí)與機(jī)油溫度、機(jī)油黏度和摩擦損失密切相關(guān)。在裝甲車輛的使用過程中，保持一定冷卻水溫是非常必要的。一般裝甲車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度在90 ℃左右，由表2 知，在平均海拔4 000 m 以上的西藏地區(qū)，當(dāng)冷卻水溫度還沒有達(dá)到正常工作溫度(90 ℃) 時(shí)冷卻水已經(jīng)沸騰，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零件冷卻不足，機(jī)體過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒異常，機(jī)油變質(zhì)和零件磨損加劇，進(jìn)而導(dǎo)致整機(jī)性能惡化，可靠性和壽命降低［14］。水冷閉式循環(huán)系統(tǒng)可通過加壓來改善或提高冷卻液的沸點(diǎn)，但壓力不能太大、效果也不明顯。

工作負(fù)荷大。在高原山地，由于坡上行駛較多，裝甲車常以較大負(fù)荷工作，加以空氣稀薄，燃燒惡化，因此，冷卻液吸收的熱量增多。同時(shí)，西藏地區(qū)空氣密度小，因而單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)散熱器的空氣質(zhì)量流量大大降低。這些不利因素超過了因海拔上升而氣溫下降給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的好處，因此，裝甲車輛在使用中易使發(fā)動(dòng)機(jī)過熱。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱轉(zhuǎn)換性能差，還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件因散熱不良造成局部潤滑不利，使機(jī)構(gòu)、部件產(chǎn)生半干摩擦，進(jìn)而增加運(yùn)動(dòng)阻力，增加耗油量，損壞部件，造成故障，影響正常使用。

3) 較低的大氣溫度導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難。高原地區(qū)無霜期短，隨著海拔增高，大氣溫度也在降低，同樣因低溫環(huán)境影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。

4) 沙塵的影響。西藏高原是典型的荒漠地帶，干燥多風(fēng)，空氣含塵率高，為1 000～3 000 mg/m3，柴油機(jī)工作時(shí)，沙塵顆粒淤積在空氣濾清器的濾蕊外表面，增加了進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力。進(jìn)氣阻力的增大將使柴油機(jī)吸入空氣量不足，造成燃燒不完全，冒黑煙，功率下降，油耗增加同時(shí)，部分沙塵顆粒透過濾清器在柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)件的摩擦表面之間形成磨料，加劇零件磨損，降低柴油機(jī)使用壽命。

3.2 燃?xì)廨啓C(jī)

高原環(huán)境因空氣稀薄、氣溫低也會(huì)影響到燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒和熱交換過程［9，17-19］，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、易過熱和難啟動(dòng)，但通過加強(qiáng)散熱和壓縮空氣霧化，可確保燃?xì)廨啓C(jī)在高原上持續(xù)正常工作。

1) 空氣稀薄使進(jìn)氣量減少，壓力降低，燃燒所需空氣含氧量降低，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

如圖4 所示，渦軸燃?xì)廨啓C(jī)的功率隨海拔高度升高而降低，在4 000 m 處，功率約為平原地區(qū)的70%左右，這個(gè)無法避免。為此，要同時(shí)滿足高原和平原兩種工況，就需要按照高原工況設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)的最佳工況點(diǎn)，而在下降到低于某一高度時(shí)，進(jìn)行功率限制，具體措施是通過控制供油量和限制渦輪前溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，避免平原狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)功率過高而損壞機(jī)件。

圖4 某渦軸燃?xì)廨啓C(jī)高度特性Fig.4 Relationship between power and altitude for a turboshaft engine

高原環(huán)境還需要調(diào)節(jié)燃燒室噴油量［20］和渦輪前溫度來控制燃燒狀態(tài)，并配合壓縮空氣霧化起動(dòng)，可確保高原上燃?xì)廨啓C(jī)正常起動(dòng)與工作。

2) 空氣稀薄也會(huì)影響燃機(jī)熱轉(zhuǎn)換。燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部散熱主要靠氣膜冷卻，絕大部分熱量隨排氣帶走，沒有冷卻液，不會(huì)因空氣稀薄而受到影響。少部分熱量經(jīng)潤滑油循環(huán)，經(jīng)散熱器帶走，這部分散熱會(huì)因空氣密度低而受到影響，如果考慮到這一因素，設(shè)計(jì)上加強(qiáng)動(dòng)力艙散熱循環(huán)，增加廢氣引射等裝置，可以有效解決這一問題，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力艙熱平衡。

3) 較低的大氣溫度影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。高原地區(qū)伴隨著高寒，同樣因低溫環(huán)境影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。

4) 沙塵的影響。高原地區(qū)空氣含塵率高，要求發(fā)動(dòng)機(jī)抗沙塵性能好。燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，沙塵顆粒大部分由粒子分離器帶走排出車外，少部分會(huì)進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器和回?zé)崞鳎菀讻_擊損壞葉片，淤積在葉片和回?zé)崞鞅砻妫瑢?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生致命影響［21］。

為此，車用燃?xì)廨啓C(jī)要求空氣濾清器的除塵能力強(qiáng)，除塵效率在99%以上，同時(shí)，壓氣機(jī)和渦輪要具備抗沙塵沖擊的強(qiáng)度，燃機(jī)內(nèi)部要設(shè)置自動(dòng)除塵裝置，避免沙塵淤積帶來的危害。

3.3 對(duì)比分析

在高原環(huán)境下，燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)相比，更易于工作，對(duì)比分析原因如下:

1) 空氣稀薄導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒惡化、功率下降，不能持久正常工作，而燃?xì)廨啓C(jī)也會(huì)功率下降，下降幅度相當(dāng)，但可以正常工作。

2) 空氣稀薄導(dǎo)致柴油機(jī)易過熱，造成故障，影響正常使用;而燃?xì)廨啓C(jī)沒有冷卻液，絕大部分散熱經(jīng)排氣帶走，少部分散熱經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可避免過熱現(xiàn)象，不影響正常使用。

3) 較低的大氣溫度影響發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，但燃?xì)廨啓C(jī)低溫起動(dòng)性能要好于柴油機(jī)。

4) 沙塵對(duì)兩種發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)有影響，對(duì)于柴油機(jī)，這種影響是不可避免的，只能通過勤保養(yǎng)清洗空濾來解決，導(dǎo)致保養(yǎng)間隔不超過4 h;對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，設(shè)計(jì)不當(dāng)，影響也是致命的，比如，M1 坦克在伊拉克戰(zhàn)爭中造成的發(fā)動(dòng)機(jī)AGT-1500 故障中80%源于沙塵損壞葉片，其原因在于濾清裝置效率低，采用了單級(jí)離心和多級(jí)軸流的組合壓氣機(jī)、普通葉輪，對(duì)沙塵的防護(hù)不好。但設(shè)計(jì)好，就能避免類似問題，比如GTD-1250 燃?xì)廨啓C(jī)，采用了高效的旋風(fēng)筒濾清裝置，以及雙級(jí)離心壓氣機(jī)和閉式葉輪，增加葉片強(qiáng)度，有效過濾和阻止了沙塵的破壞，同時(shí)，內(nèi)置自動(dòng)除塵裝置，不設(shè)回?zé)崞鳎ＷC了進(jìn)入沙塵不會(huì)滯留，較好解決了這一難題，能夠在沙塵中持續(xù)長時(shí)間工作，不需要天天清洗保養(yǎng)。

4 結(jié)論

燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)車應(yīng)用在國外已歷經(jīng)幾十年，而國內(nèi)才剛剛起步，相關(guān)規(guī)律的探索研究還需要多方面深入挖掘，本文通過車用燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)在低溫和高原環(huán)境下起動(dòng)和工作的機(jī)理對(duì)比分析，并結(jié)合文獻(xiàn)［1］對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)坦克的相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到車用燃?xì)廨啓C(jī)在特殊環(huán)境下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)結(jié)論如下:

1) 在低于-30 ℃的極寒環(huán)境下，由于燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力點(diǎn)燃容易，壓力霧化效果好，無冷卻液，可直接發(fā)動(dòng)后車輛低速平穩(wěn)行駛，戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時(shí)間短，可隨時(shí)應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況;而柴油機(jī)動(dòng)力無法實(shí)現(xiàn)。

2) 在高原環(huán)境下，燃?xì)廨啓C(jī)功率雖然下降，但經(jīng)過燃油調(diào)節(jié)器控制，燃燒狀態(tài)穩(wěn)定，無過熱，無黑煙，起動(dòng)和工作正常，可持久工作;且因功率密度高，可按高原狀態(tài)設(shè)計(jì)并進(jìn)行平原功率限制，確保高原機(jī)動(dòng)性能不降低，明顯優(yōu)于柴油機(jī)。

3) 所得結(jié)果對(duì)于改善裝甲車輛極寒高原環(huán)境下作戰(zhàn)性能有著重要的應(yīng)用價(jià)值。