何 星， 王憲成， 李若亭， 孫志新， 李 奇

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

高原地區(qū)特殊的氣候環(huán)境和路面狀況，對車輛柴油機(jī)的使用造成了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致柴油機(jī)出現(xiàn)啟動(dòng)困難、功率下降、燃油消耗量增加及熱負(fù)荷加劇等問題，使得車輛機(jī)動(dòng)性顯著下降。目前，國內(nèi)學(xué)者主要采用數(shù)值仿真與環(huán)境臺架模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法開展柴油機(jī)高原地區(qū)環(huán)境影響分析及改進(jìn)技術(shù)研究[1-4]。由于測試參數(shù)體系不全、實(shí)車不解體檢測困難，缺乏高原實(shí)車測試數(shù)據(jù)等，無法全面分析及評價(jià)高原地區(qū)車輛柴油機(jī)的實(shí)際使用狀況。因此，針對某重型車輛柴油機(jī)高原地區(qū)使用現(xiàn)況，筆者立足于柴油機(jī)及其輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)車不解體測試原則，采用模塊化思想設(shè)計(jì)出車了載監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合高原地區(qū)車輛實(shí)際訓(xùn)練任務(wù)剖面，對柴油機(jī)及其輔助系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)車檢測，以此掌握車輛柴油機(jī)技術(shù)狀況變化規(guī)律和柴油機(jī)使用工況特點(diǎn)，為車輛柴油機(jī)高原環(huán)境影響分析及使用規(guī)范制定提供技術(shù)手段。

1 高原環(huán)境對柴油機(jī)影響分析

1.1 柴油機(jī)進(jìn)氣量減少

高原地區(qū)大氣壓力低，空氣密度小，柴油機(jī)進(jìn)氣量少，造成缸內(nèi)燃?xì)馊紵怀浞?，燃燒持續(xù)時(shí)間長，后燃嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)“冒黑煙”現(xiàn)象，使得冷卻液和潤滑油溫度偏高，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性降低明顯，排放惡化。

1.2 冷卻液沸點(diǎn)降低

隨著大氣壓力不斷降低，在膨脹水箱的蒸汽活門開啟壓力不變的情況下，大氣壓力的降低導(dǎo)致冷卻系壓力降低，冷卻液沸點(diǎn)降低，車輛在高原地區(qū)行駛過程中，冷卻系統(tǒng)極易出現(xiàn)“開鍋”的現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛無法長時(shí)間持續(xù)工作而需及時(shí)停車降溫，車輛機(jī)動(dòng)性及可靠性降低。

1.3 冷卻空氣質(zhì)量流量降低

車輛在高原地區(qū)行駛，空氣的體積流量與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速成正比，由于高原大氣密度的減小使得冷卻空氣質(zhì)量流量下降，導(dǎo)致水散熱器與空氣間的對流換熱減少，柴油機(jī)本體及冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷加劇。

2 車載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測試參數(shù)體系建立

車輛柴油機(jī)技術(shù)狀況車載監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于在車輛行駛過程中對柴油機(jī)使用工況和輔助系統(tǒng)技術(shù)狀況參數(shù)進(jìn)行測試。由于實(shí)車技術(shù)狀況測試參數(shù)眾多，為避免眾多傳感器與主機(jī)之間連接線的錯(cuò)綜復(fù)雜，提高測試系統(tǒng)的抗干擾能力，在此采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)測試參數(shù)性質(zhì)及其相應(yīng)傳感器安裝的位置[5-6]，將測試參數(shù)體系分成數(shù)個(gè)小測試單元，在每個(gè)單元內(nèi)，對傳感器信號進(jìn)行整理、濾波及A/D轉(zhuǎn)換后，通過通訊總線將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)顯示并存儲，監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)體系如圖1所示。

圖1 車載監(jiān)測參數(shù)體系

2.2 車載監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載監(jiān)測系統(tǒng)由主機(jī)、4個(gè)測試單元、傳感器及連接線等組成，測試單元為油品單元、駕駛艙單元和2個(gè)動(dòng)力艙單元，監(jiān)測中不需要人員操作并可實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。主機(jī)是車載監(jiān)測系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的收集、顯示、整理和存儲，由嵌入式主板、觸摸屏、固態(tài)硬盤、電源模塊、連接線及殼體組成。通過模擬實(shí)車輸出電壓信號對車載監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，誤差小于1%，主要傳感器型號、測點(diǎn)及量程如表1所示，實(shí)車安裝位置如圖2所示。

表1 實(shí)車測試參數(shù)及傳感器

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)及在實(shí)車上的安裝

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車載監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)分為3個(gè)主要功能模塊，即系統(tǒng)自檢、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)自檢模塊主要負(fù)責(zé)在程序啟動(dòng)時(shí)，檢查系統(tǒng)軟硬件自身狀態(tài)，并提示故障；狀態(tài)監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)在車輛工作時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)力裝置相關(guān)參數(shù)，將其狀態(tài)監(jiān)測信息顯示在屏幕上；狀態(tài)數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、存儲以及與信息平臺的信息交互。

主機(jī)首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行自檢，主要判斷各模塊單元中傳感器的安裝是否正確，并標(biāo)記出現(xiàn)錯(cuò)誤的通道及其相對應(yīng)的檢測項(xiàng)目，再判斷轉(zhuǎn)速是否大于500 r/min，若條件成立，則進(jìn)入狀態(tài)監(jiān)測階段，主機(jī)循環(huán)與各單元模塊進(jìn)行通訊，讀取各模塊采集到的數(shù)據(jù)，并顯示、存儲。

3 高原實(shí)車測試結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件及要求

采用車載監(jiān)測系統(tǒng)開展高原地區(qū)車輛柴油機(jī)原地空轉(zhuǎn)試驗(yàn)和車輛行駛試驗(yàn)，試驗(yàn)場地大氣壓力為58.92 kPa，大氣溫度為25.3 ℃，選取的車輛、場地及駕駛員具體情況如下：

1) 參試車輛技術(shù)狀況良好，各儀表指示正常，柴油、潤滑油及冷卻液等符合要求，試驗(yàn)場地為西藏某地區(qū)，平均海拔高度為4 500 m，路面均為土路，坡度變化緩慢，利于車輛通行；

2) 車輛行駛跑道為橢圓形，全長約3 km，跑道內(nèi)有土嶺、連續(xù)彎道、限制路、上下坡以及平直路段；

3) 由5名駕駛員開展車輛行駛試驗(yàn)，通過車載監(jiān)測系統(tǒng)對柴油機(jī)技術(shù)狀況參數(shù)進(jìn)行實(shí)車采集，采樣頻率為5 Hz；

4)要求駕駛員在行駛過程中合理使用擋位，確保柴油機(jī)水溫、油溫在70～90 ℃之間，油壓不能達(dá)到報(bào)警值，否則應(yīng)停車檢查調(diào)整。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 原地空轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)分析

按要求啟動(dòng)柴油機(jī)后(水溫≥50 ℃，油溫≥50 ℃)，穩(wěn)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min，保持變速箱擋位為空擋，每增加200 r/min進(jìn)行一組測試，每組測試時(shí)間為1 min，直到額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)原地空轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)

由圖3可知：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從600 r/min增加到2 000 r/min的過程中，燃油消耗量不斷升高，最大值為34.19 kg/h，相比平原地區(qū)增加了45.6%，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性差；水溫和油溫變化不大，分別穩(wěn)定在57 ℃和66 ℃左右；油壓呈現(xiàn)出先增加后減少的變化規(guī)律，最大值為0.69 MPa，相比平原地區(qū)下降了30%，最小值為0.47 MPa，相比平原地區(qū)下降了20%，柴油機(jī)油壓偏低；渦前溫度不斷增加，最高為199.33 ℃；壓氣機(jī)前壓力則不斷降低，最小值為56.33 kPa；壓氣機(jī)后壓力和增壓壓比不斷增加，最大值分別為61.89 kPa和1.10，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 400 r/min時(shí)，由于低轉(zhuǎn)速負(fù)荷小及高原進(jìn)氣量少的原因，導(dǎo)致壓比小于1，渦輪增壓器的增壓效果差。

3.2.2 行駛過程測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)道路駕駛要求，駕駛員依地形、車況合理駕駛車輛并應(yīng)在一定時(shí)間限制內(nèi)完成，確保車輛良好機(jī)動(dòng)性能的發(fā)揮。其測試結(jié)果如圖4所示。

在圖4(a)中，車輛行駛過程中平均速度為12.06 km/h，行駛時(shí)間為14.91 min。前6 min主要行駛緩上坡路面，部分路面具有大小不同的坑洼，車速、轉(zhuǎn)速和燃油消耗量變化劇烈，轉(zhuǎn)速主要位于1 000～2 000 r/min，車速分布在10～20 km/h之間，燃油消耗量為10～70 kg/h；在第6～10 min，車輛行駛在下坡路面，車速、轉(zhuǎn)速和燃油消耗量相對較高，最高車速為38.6 km/h，燃油消耗為87.6 kg/h，轉(zhuǎn)速為1 900 r/min；第10 min之后車輛主要行駛在土嶺、連續(xù)彎道、限制路等路段，車速、轉(zhuǎn)速和燃油消耗量較小，車速分布于0～6 km/h，轉(zhuǎn)速保持在1 000 r/min，燃油消耗量為10～25 kg/h。

圖4 行駛過程測試數(shù)據(jù)

在圖4(b)中，水溫、油溫隨著時(shí)間呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，水溫保持在70～93 ℃，油溫分布于78～92 ℃，符合車輛使用要求。油壓隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而不斷變化，總體處于較低水平，且隨著油溫的升高，油壓不斷降低，前5 min主要分布在0.5～0.59 MPa，之后隨著油溫的升高下降明顯，位于0.42～0.53 MPa之間，平均油壓為0.49 MPa，不能滿足車輛柴油機(jī)的正常行駛的要求(0.6～1.0 MPa)，造成柴油機(jī)各摩擦副潤滑不良、熱負(fù)荷加劇。

在圖4(c)中，進(jìn)排氣系統(tǒng)中空濾后壓力、壓氣機(jī)前壓力、壓氣機(jī)后壓力和渦前壓力隨車輛運(yùn)行而處于波動(dòng)狀態(tài)中，隨著車輛使用工況(轉(zhuǎn)速、燃油消耗量)強(qiáng)度的增加，空濾后壓力和壓氣機(jī)前壓力不斷減小，主要分布在56.3～58.4 kPa和53.9～58.3 kPa之間，而壓氣機(jī)后壓力和渦前壓力則不斷升高，分布于56～89.1 kPa和60～89.8 kPa之間。通過計(jì)算得出空氣濾清器阻力分布于0.76～2.68 kPa之間，增壓器壓比位于0.97～1.65之間，第10 min后車輛在小負(fù)荷工況下，廢氣渦輪增壓器增壓作用不明顯，反而阻礙柴油機(jī)的進(jìn)氣流動(dòng)。

在圖4(d)中，進(jìn)排氣系統(tǒng)中壓前溫度、壓后溫度、動(dòng)力艙溫度、渦前溫度和渦后壁面溫度隨著車輛使用工況強(qiáng)度增加而升高，其中動(dòng)力艙溫度、壓后溫度和渦前溫度變化比較明顯，各參數(shù)值分別位于26.9～32.2 ℃、33.8～52.2 ℃和149～639.5 ℃之間，而壓后溫度和渦后壁面溫度變化較緩慢，主要分布于22.5～26.3 ℃和151.3～233.8 ℃。

3.2.3 車輛柴油機(jī)使用狀態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

車輛柴油機(jī)使用狀態(tài)參數(shù)是指在儀表盤上顯示且能夠反映出當(dāng)前車輛柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)，一般包括：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、油壓、燃油消耗量等。通過對5組測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，車輛柴油機(jī)使用狀態(tài)參數(shù)的平均值分別為：水溫81.78 ℃，油溫83.60 ℃，油壓0.49 MPa，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 568.87 r/min，燃油消耗量48.46 kg/h。車輛行駛過程中柴油機(jī)水溫和油溫，符合正常行駛要求，平均油壓低于0.5 MPa，油壓偏低，其主要是由于高原地區(qū)柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)平均壓力低，潤滑系內(nèi)容易出現(xiàn)機(jī)油泡沫且機(jī)油泵進(jìn)口壓力低，導(dǎo)致機(jī)油泵出口油壓偏低，影響柴油機(jī)的正常使用。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速平均值低于平原地區(qū)，而平均燃油消耗量相比平原地區(qū)則更高。

在實(shí)車測試中，柴油機(jī)使用工況(轉(zhuǎn)速、燃油消耗量)不斷變化，為便于測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及工況分布分析，將轉(zhuǎn)速按200 r/min、燃油消耗量按外特性的10%進(jìn)行工作區(qū)域劃分，使用工況平均分布如圖5所示。

圖5 使用工況平均分布圖

由圖5可知：車輛行駛過程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分布很少低于800 r/min，比例低于2%，燃油消耗量分布高于81.84 kg/h(60%外特性)的比例低于4.7%。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速主要分布在1 200～2 000 r/min之間，占80.13%，燃油消耗量集中于27.28(20%外特性)～81.84 kg/h，占73.78%，柴油機(jī)使用工況點(diǎn)主要分布于中、高轉(zhuǎn)速和中、低燃油消耗量的工作區(qū)域，其中轉(zhuǎn)速1 800～2 000 r/min和燃油消耗量68.2(50%外特性)～81.84 kg/h工作區(qū)域內(nèi)使用工況點(diǎn)數(shù)量最多，為11.97%。

4 結(jié)論

為改善高原地區(qū)車輛柴油機(jī)進(jìn)氣不足、排氣溫度高、油壓偏低和燃油消耗量高等使用狀況，可針對高原用的車輛柴油機(jī)供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)整體或關(guān)鍵部件開展改進(jìn)性研究，提高柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 靳嶸,張俊躍,胡力峰,等. 高原自適應(yīng)柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2011,32(8):27-31.

[2] 施新,李文祥.匹配二級順序增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)高原特性仿真[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(4):397-402.

[3] 王憲成,郭猛超,張晶,等. 高原環(huán)境重型車用柴油機(jī)熱負(fù)荷性能分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2012,33(1):49-53.

[4] 李華雷,石磊,鄧康耀,等.D6114柴油機(jī)高海拔功率恢復(fù)計(jì)算研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2013,207(4):29-35.

[5] 麻偉忠,黃志瑛.某型裝甲車動(dòng)態(tài)信息檢測記錄儀[J].測控技術(shù),2003(1):12-14.

[6] 王憲成,張根良,和穆,等.車用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2011(4):23-26.