盧亞輝，張 晶，王微

（1.北京特種車(chē)輛研究所，北京 100072； 2.總裝備部后勤部司令部，北京 100720）

引言

高原環(huán)境總體呈現(xiàn)降雨較少，空氣干燥、稀薄，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，氣溫較低等特點(diǎn)，加之地形復(fù)雜、交通不便的影響因素，對(duì)裝甲車(chē)輛的動(dòng)力性能產(chǎn)生較大影響。裝甲車(chē)輛在高原地區(qū)使用易出現(xiàn)輸出功率下降、燃油消耗量增加、起動(dòng)困難等現(xiàn)象。某型裝甲車(chē)輛在高原環(huán)境使用，加溫起動(dòng)使用頻率明顯高于平原地區(qū)，長(zhǎng)期使用過(guò)程中多次出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊燒蝕、拉缸等故障。這些問(wèn)題一定程度上影響了裝備的正常使用，制約了裝備能力的發(fā)揮。

本文以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合典型裝甲車(chē)輛高原環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從動(dòng)力及經(jīng)濟(jì)性、冷卻效能和起動(dòng)性能三方面，探索了高原環(huán)境對(duì)裝甲車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)性能的影響機(jī)理，為分析解決裝甲車(chē)輛高原環(huán)境使用中的實(shí)際問(wèn)題提供支撐，在此基礎(chǔ)上對(duì)開(kāi)展裝甲車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)提出了建議。

1 對(duì)動(dòng)力及經(jīng)濟(jì)性的影響機(jī)理

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率

海拔升高，大氣壓力降低，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)霧化和燃燒過(guò)程，造成缸內(nèi)燃燒過(guò)程后移；同時(shí)大氣溫度降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的滯燃期增大；隨著大氣密度的降低，直接導(dǎo)致缸內(nèi)平均有效壓力下降，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率與空氣密度、充氣系數(shù)、過(guò)量空氣系數(shù)和機(jī)械效率等參數(shù)相關(guān)，即：

式中：ρ0—空氣密度；l0—完全燃燒1kg燃料的理論空氣量；Hu—燃料的低熱值；Vh—?dú)飧坠ぷ魅莘e；i—?dú)飧讛?shù)目；ηv—充氣系數(shù)；ηi—指示熱效率；α—過(guò)量空氣系數(shù)；ηm—機(jī)械效率；n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)指定的情況下，缸數(shù)和工作容積是一定的，燃料低熱值及完全燃燒1kg燃料的理論空氣量決定于燃料的成份，與海撥環(huán)境無(wú)關(guān)。因此，高原環(huán)境條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率主要由以下幾個(gè)參數(shù)決定：

1.1.1 指示熱效率與過(guò)量空氣系數(shù)的比值ηi/α

指示熱效率ηi表示單位燃料量放出的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橹甘竟Φ姆至?，?/α則正比于進(jìn)入氣缸的燃料量，所以ηi/α即正比于一個(gè)循環(huán)中燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ娜繜崃俊?/p>

一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)在α=2.5～3.5時(shí)，ηi達(dá)最大值，此時(shí)燃燒最完全。當(dāng)α從這一數(shù)值開(kāi)始減小時(shí)，將使燃燒不完全，后燃也增加，ηi逐漸下降。反之，當(dāng)α從這一數(shù)值再增大時(shí)，由于循環(huán)供油量小，霧化不良，又引起燃燒不完全，ηi又逐漸下降。

當(dāng)大氣壓力下降，決定了進(jìn)氣壓力pin下降，一方面，致使壓縮行程終點(diǎn)的氣體壓力pe下降，導(dǎo)致著火延遲期τi變長(zhǎng)，使缸內(nèi)燃燒過(guò)程后移，指示熱效率下降。同時(shí)，由于進(jìn)氣壓力下降，導(dǎo)致壓氣機(jī)入口處空氣密度的下降，使進(jìn)入缸內(nèi)的空氣質(zhì)量流量降低。由于此時(shí)的循環(huán)供油量仍保持不變，使缸內(nèi)形成燃?xì)饣旌线^(guò)濃的情況，導(dǎo)致燃燒不完全，ηi逐漸下降，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

此外，大氣壓力下降，使缸內(nèi)背壓降低，燃油的霧化過(guò)程變壞，進(jìn)而影響可燃混和氣體的形成，也將使ηi下降，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

1.1.2 空氣密度

高原環(huán)境大氣壓力降低，空氣密度ρ0下降，根據(jù)式（1）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率也將降低。由于空氣密度的變化，高原環(huán)境下進(jìn)氣量不足，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不完全，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)力并排黑煙。

1.1.3 充氣系數(shù)

在忽略配氣相位的影響下，可推導(dǎo)出充氣系數(shù)為：

式中：

T0—大氣溫度；ΔT—進(jìn)氣溫升；ε—壓縮比；Δpa—進(jìn)氣過(guò)程的壓力損失；Δpr—排氣過(guò)程的壓力損失；p0—大氣壓力。

大氣壓力p0下降，充氣效率降低，則使發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率降低。而大氣溫度降低，會(huì)使充氣系數(shù)降低，但在低溫條件下，空氣密度增大，雖然使進(jìn)入氣缸中的充量的相對(duì)量有所下降，但絕對(duì)量有所升高。因此，在低溫條件下，應(yīng)看低溫引起的空氣密度變化和充氣系數(shù)變化的綜合作用。

1.2 對(duì)廢氣渦輪增壓器的影響

在廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣提供的能量由渦輪轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，此功由壓氣機(jī)吸收，產(chǎn)生所需要的空氣量及相應(yīng)的增壓壓力。

發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)由于流經(jīng)渦輪的廢氣流量降低，使渦輪在低轉(zhuǎn)速區(qū)提供的功率下降，而壓氣機(jī)消耗功率與渦輪提供功率相同。因此，低轉(zhuǎn)速區(qū)壓氣機(jī)提供的增壓后壓力無(wú)明顯改善，廢氣渦輪增壓器在低轉(zhuǎn)速區(qū)的補(bǔ)償效果不明顯。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于高原環(huán)境使缸內(nèi)燃燒后移，其排氣能量要高于平原狀態(tài)。另一方面，大氣壓力降低，使渦輪出口背壓下降，渦輪補(bǔ)償功率將進(jìn)一步增大，使壓氣機(jī)后的增壓壓力提高，增大進(jìn)氣流量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有所恢復(fù)。但由于燃燒后移，導(dǎo)致渦輪超高速運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪增壓器的機(jī)械負(fù)荷增大。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

高原環(huán)境條件通過(guò)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩發(fā)生變化。同時(shí)對(duì)于帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于高原環(huán)境條件下發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器的聯(lián)合運(yùn)行特性曲線發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性曲線也發(fā)生改變。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩的關(guān)系為：

式中：M—扭矩；N—功率；n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)的功率隨著海撥高度的升高而降低，相應(yīng)的其扭矩整體也同樣隨海撥升高而降低。對(duì)于廢氣渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，由于大氣壓力和空氣密度減小，缸內(nèi)燃燒不完全，排出的廢氣能量較低，給渦輪提供的廢氣焓低，其補(bǔ)償效果不明顯。某型裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)模擬4500m高原外特性試驗(yàn)，標(biāo)定點(diǎn)功率下降15%～20%，最大扭矩點(diǎn)向高轉(zhuǎn)速區(qū)偏移。

1.4 燃油消耗量

一方面，大氣密度下降，充氣量降低，發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率下降，比油耗升高。另一方面，由于高海撥條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低和冷卻系統(tǒng)易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，在使用中車(chē)輛常處于低擋位高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，也使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量增大。

圖1為模擬環(huán)境臺(tái)架試驗(yàn)曲線，海拔4500m時(shí)的比油耗曲線相對(duì)于平原狀態(tài)總體為上升趨勢(shì)。

高原環(huán)境實(shí)車(chē)試驗(yàn)表明：車(chē)輛各參數(shù)處于良好平衡狀態(tài)正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要保持在2100～2400r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速區(qū)，燃油消耗量增大。

從以上分析可以得知：車(chē)輛在海拔4500米正常行駛時(shí)，一方面，由于空氣密度下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降，為了獲得適當(dāng)?shù)臓恳Γl(fā)動(dòng)機(jī)不得不增大噴油量以提高扭矩，從而使燃油消耗量增大；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)向高轉(zhuǎn)速區(qū)偏移，燃油消耗率也較平原地區(qū)增大。廢氣渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)尤其明顯，為了獲得更多的進(jìn)氣補(bǔ)償，渦輪增壓器需要獲得更多的廢氣能量，為了保證進(jìn)氣補(bǔ)償作用的發(fā)揮，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將較平原高，這也將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量增加。

2 對(duì)冷卻效能的影響機(jī)理

2.1 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的影響

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡方程，單位時(shí)間供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃料所具有的熱量分配情況可表示為：

式中：QT—供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃料具有的熱量；Qe—轉(zhuǎn)化為有效功的熱量；Qc—冷卻介質(zhì)帶走的熱量；Qr—廢氣帶走的熱量；Qb—燃料不完全燃燒的熱損失；Qs—余項(xiàng)損失。

圖1 模擬高原環(huán)境臺(tái)架試驗(yàn)曲線

對(duì)于采用機(jī)械加油齒桿的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)的噴油量與平原相同，則供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃料具有的熱量是相同的。但轉(zhuǎn)化為有效功的熱量隨海撥高度上升而降低，因此，冷卻介質(zhì)帶走的熱量和廢氣帶走的熱量都將上升。

大氣壓力的降低致使著火延遲期增大，在沒(méi)有改變供油提前角的條件下，著火延遲期進(jìn)入氣缸的燃油量增大將使速燃期的混合燃?xì)庖坏┤紵?，缸?nèi)溫度急驟升高，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。同時(shí)，由于大氣密度的降低，使缸內(nèi)出現(xiàn)不完全燃燒，未參與燃燒的燃油進(jìn)入到緩燃期和后燃期，也將使發(fā)動(dòng)機(jī)各零件的熱負(fù)荷增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷增大，傳遞給冷卻系統(tǒng)的熱量將增大。

2.2 對(duì)冷卻性能的影響

冷卻水的沸點(diǎn)隨大氣壓力的降低而降低，使冷卻水帶走的熱量減少。同時(shí)，大氣密度的下降，流經(jīng)散熱器的空氣流量下降，使氣流帶走的熱量減少，也將降低冷卻系統(tǒng)性能。

假定發(fā)動(dòng)機(jī)本體壁面溫度分布均勻，則考慮發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射、發(fā)動(dòng)機(jī)與外界環(huán)境的熱交換，如圖2則有：

其中發(fā)動(dòng)機(jī)放熱量Q由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷決定，發(fā)動(dòng)機(jī)給冷卻水的傳熱Qint由下式確定：

發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外空氣熱交換由下式確定：

因此，當(dāng)海撥高度上升，缸內(nèi)燃燒溫度升高，則發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給散熱器的熱量Qint上升，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度Twall將上升。

對(duì)于散熱器而言，如圖3：

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套傳熱示意圖

圖3 散熱器傳熱示意圖

散熱器溫度由下式計(jì)算得到：

式中：h—對(duì)流換熱系數(shù)；A—散熱面積；ρ—散熱器材料密度；V—散熱器體積；

空氣和冷卻水流經(jīng)散熱器的對(duì)流換熱系數(shù)由無(wú)量綱數(shù)求出：

式中：Nu為努塞爾數(shù)，Nu＝hl/k；Re為雷諾數(shù)，Nu＝ρul/u；Pr為普朗特?cái)?shù)，Pr＝μCp/k。

由式（8）可知，想要帶走Twall增加的溫升，在不改變結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，冷卻系統(tǒng)有兩個(gè)方法，一是增加冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口的溫差ΔT，另一個(gè)是增大對(duì)流換熱系數(shù)h。對(duì)流換熱系數(shù)由式（9）求出，高海撥條件下雷諾數(shù)下降，導(dǎo)致努塞爾數(shù)下降，使對(duì)流換熱系數(shù)下降。因此，在高原環(huán)境條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給冷卻系統(tǒng)的熱量增加，最終將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出冷卻水的溫差增大。裝甲車(chē)輛在高原環(huán)境條件下使用，發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡水溫高于平原地區(qū)。

3 對(duì)起動(dòng)性能的影響機(jī)理

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)主要是由起動(dòng)力矩、起動(dòng)阻力矩和著火這三個(gè)方面決定的，如圖4所示。

一方面，隨海拔升高，大氣壓力降低，壓縮終了的混合氣壓力和溫度無(wú)法達(dá)到著火條件。另一方面，空氣稀薄，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的空氣質(zhì)量降低，混合氣體過(guò)濃，無(wú)法形成良好局部混合氣體區(qū)域。此外，大氣溫度低，使旋轉(zhuǎn)件間的潤(rùn)滑油粘度增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)阻力矩增大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。同時(shí)起動(dòng)蓄電池提供的起動(dòng)力矩也會(huì)隨大氣溫度降低而下降，加劇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難。

圖4 柴油機(jī)起動(dòng)性的影響因素

外場(chǎng)試驗(yàn)表明：高原地區(qū)工作的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)氣壓力降低，壓縮終了的溫度與壓力降低，首次著火困難，高原環(huán)境條件使用時(shí)，部分柴油發(fā)動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行加溫后才能起動(dòng)。某型裝甲車(chē)輛環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)過(guò)程中，在環(huán)境溫度20℃時(shí)，加溫15min～30min，將水溫加到70℃以上，正常起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 結(jié)論

1）高原環(huán)境氣壓和溫度的綜合作用，使進(jìn)入氣缸的氣體狀態(tài)較平原有很大的差異，致使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程惡化，導(dǎo)致功率下降、熱負(fù)荷增大。對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的測(cè)試和計(jì)算分析是深入研究高原環(huán)境對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)性能影響的必要手段。

2）對(duì)于壓燃式柴油機(jī)而言，高原環(huán)境條件下出現(xiàn)的起動(dòng)困難的很大原因是由于進(jìn)氣狀態(tài)惡化造成的。從改善著火條件的角度提升起動(dòng)的成功率，應(yīng)提高起動(dòng)時(shí)缸內(nèi)混合氣體的質(zhì)量及壓縮終了的氣體壓力及溫度。

3）應(yīng)致力于開(kāi)展高原條件下動(dòng)力及其輔助系統(tǒng)各特征參數(shù)變化規(guī)律的實(shí)車(chē)試驗(yàn)，為深入開(kāi)展高原環(huán)境對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)影響研究及環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

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