張眾杰，董素榮，周廣猛，許 翔，林春城，劉瑞林

(1.軍事交通學(xué)院 學(xué)員旅，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161;3.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

高原地區(qū)大氣壓力低，空氣中含氧量少，晝夜 溫差大，平均氣溫低，紫外線輻射強(qiáng)，風(fēng)沙大。在這種環(huán)境下行駛的汽車，其柴油機(jī)功率下降，燃油消耗率增加，啟動(dòng)性能變差，冷卻系統(tǒng)散熱能力下降，碳煙排放增大［1-4］。目前，對于自然吸氣和渦輪增壓柴油機(jī)的高海拔性能研究較多［5-9，12］，但對于電控柴油機(jī)在高海拔(低氣壓)條件下的性能模擬試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。隨著現(xiàn)代工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，電控共軌技術(shù)已經(jīng)成為柴油機(jī)發(fā)展的重要方向。因此，開展電控柴油機(jī)高海拔性能模擬試驗(yàn)，對改善柴油車高原適應(yīng)性，提高其高原運(yùn)輸能力，具有重要意義。鑒于此，本文在自行研制的內(nèi)燃機(jī)高原環(huán)境性能模擬試驗(yàn)臺(tái)［1，5］上，進(jìn)行了0 ～5 500 m不同海拔CA6DL 電控柴油機(jī)的性能模擬試驗(yàn)，以研究不同海拔對該電控柴油機(jī)進(jìn)氣特性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置和方案

電控柴油機(jī)特性試驗(yàn)在內(nèi)燃機(jī)高原環(huán)境性能模擬試驗(yàn)臺(tái)［5］上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺(tái)主要由測功機(jī)、進(jìn)排氣模擬裝置、控制系統(tǒng)，以及壓力、轉(zhuǎn)速、溫度、流量等傳感器組成;可以模擬海拔0 ～6 000 m、-45 ℃到常溫范圍內(nèi)的大氣壓力和溫度;利用進(jìn)氣節(jié)流、真空泵排氣抽真空實(shí)現(xiàn)對電控柴油機(jī)進(jìn)排氣不同海拔大氣壓力的模擬，同時(shí)利用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣壓力的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)中，電控柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 CA6DL 電控柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

電控柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)選擇0、3 000、5 500 m 等3 個(gè)不同海拔，基本覆蓋我國絕大部分公路。每個(gè)海拔下，進(jìn)行全負(fù)荷速度特性試驗(yàn)，以及1 300 r/min 和2 100 r/min 的負(fù)荷特性試驗(yàn)。試驗(yàn)中，測量進(jìn)氣流量、增壓前后壓力、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量、排氣溫度等參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高海拔(低氣壓)對電控柴油機(jī)進(jìn)氣特性的影響

(1)不同海拔外特性試驗(yàn)中，進(jìn)氣流量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化如圖1 所示?？梢钥闯?，隨著海拔的升高，大氣壓力下降，空氣密度降低，電控柴油機(jī)的進(jìn)氣流量逐漸下降。中、高轉(zhuǎn)速區(qū)進(jìn)氣流量下降幅度較大，低轉(zhuǎn)速區(qū)下降幅度較小。標(biāo)定轉(zhuǎn)速(2 100 r/min)下，海拔5 500 m 時(shí)的進(jìn)氣流量與海拔0 m 時(shí)相比下降了26.7%。進(jìn)氣流量的下降使參加燃燒的實(shí)際空氣量減少、燃燒惡化，造成電控柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降。

(2)不同海拔外特性試驗(yàn)中，進(jìn)氣壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化如圖2 所示?？梢钥闯觯嗤D(zhuǎn)速下，進(jìn)氣壓力隨海拔升高而下降。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，海拔5 500 m時(shí)的進(jìn)氣壓力與海拔0 m 時(shí)相比下降了33.3%。此外，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)氣壓力在低速區(qū)增加較快，在中、高轉(zhuǎn)速區(qū)(1 300 ～2 100 r/min)基本維持不變。

圖1 進(jìn)氣流量隨海拔高度的變化

圖2 進(jìn)氣壓力隨海拔高度的變化

2.2 高海拔(低氣壓)對電控柴油機(jī)動(dòng)力性的影響

圖3 為不同海拔條件下電控柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線?？梢钥闯?，隨著海拔升高，電控柴油機(jī)動(dòng)力性主要有以下2 個(gè)特點(diǎn)。

圖3 不同海拔電控柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線

(1)隨著海拔升高，電控柴油機(jī)的動(dòng)力性下降明顯。海拔5 500 m 時(shí)的標(biāo)定功率與海拔0 m 時(shí)相比，下降13.6%。

海拔高度變化對電控柴油機(jī)的動(dòng)力性影響較大，主要因?yàn)?隨著海拔升高，大氣壓力降低，進(jìn)氣壓力降低，導(dǎo)致進(jìn)氣量減小;同時(shí)，為了防止渦輪在高原超溫、超速運(yùn)轉(zhuǎn)［10］，需要減小循環(huán)噴油量，進(jìn)氣量和循環(huán)噴油量的同時(shí)降低，導(dǎo)致電控柴油機(jī)的動(dòng)力性明顯下降。

(2)相對高轉(zhuǎn)速區(qū)，海拔高度對電控柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)的動(dòng)力性影響較大。在海拔5 500 m、轉(zhuǎn)速1 200 r/min以上時(shí)，電控柴油機(jī)的有效功率下降不超過20%;但在800 ～1 100 r/min 時(shí)，電控柴油機(jī)的有效功率下降42.1% ～62.4%。

這是因?yàn)?，隨著海拔升高，大氣壓力降低，排氣背壓也隨之降低，增壓比增大(如圖4 所示)。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，增壓比隨海拔升高增加較快，使渦輪增壓器做功能力相對提高，起到了一定的補(bǔ)償作用［11］;而在低轉(zhuǎn)速時(shí)(圖4 中用圓圈標(biāo)志區(qū)域)，由于排溫隨著海拔升高不僅沒有增加反而降低(如圖5 所示)，造成電控柴油機(jī)廢氣能量不足，渦輪增壓器工作能力迅速下降，增壓比隨海拔升高而增加較小，因而電控柴油機(jī)的動(dòng)力性下降迅速。

圖4 增壓比隨海拔高度的變化

圖5 排溫隨海拔高度的變化

2.3 高海拔(低氣壓)對電控柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

(1)海拔高度的變化對電控柴油機(jī)低速區(qū)燃油消耗率的影響較大，對高速區(qū)的影響較小(如圖3 所示)。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油消耗率隨海拔升高急劇增加，在海拔5 500 m時(shí)的低轉(zhuǎn)速區(qū)，燃油消耗率增加13.5% ～18.6%;在高轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，海拔高度變化對燃油消耗率的影響較小，增加值在6%以內(nèi)。

這是因?yàn)椋S著海拔升高，大氣壓力下降，相對于高轉(zhuǎn)速區(qū)，電控柴油機(jī)的進(jìn)氣量在低轉(zhuǎn)速時(shí)下降迅速，空燃比減小，混合氣變濃，電控柴油機(jī)的燃油消耗率下降明顯。

(2)電控柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)范圍隨海拔升高變得越來越窄。圖6、圖7 為不同海拔時(shí)電控柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線。可以看出:海拔0 m 條件下，燃油消耗率曲線較為平坦，經(jīng)濟(jì)性區(qū)域較寬;隨著海拔升高，在低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷工況下，進(jìn)氣不足，燃油消耗率增加較大，燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)范圍隨海拔升高變得越來越窄。

可見，海拔高度變化對電控柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性影響明顯。這是由于，燃油消耗量基本保持不變，大氣壓力下降，空氣密度降低，進(jìn)氣量減少，必然導(dǎo)致電控柴油機(jī)燃燒過程惡化，有效熱效率下降，所以燃油消耗率隨海拔的升高而增加。

圖6 柴油機(jī)(2 100 r/min)不同海拔負(fù)荷特性曲線

圖7 柴油機(jī)(1 300 r/min)不同海拔負(fù)荷特性曲線

3 結(jié) 論

(1)海拔高度變化對電控柴油機(jī)的進(jìn)氣特性影響較大。海拔5 500 m 時(shí)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速(2 100 r/min)的進(jìn)氣流量和進(jìn)氣壓力與海拔0 m 時(shí)相比，分別下降了26.7%和33.3%。

(2)海拔高度變化對電控柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)的功率影響較小，對低轉(zhuǎn)速區(qū)的功率影響較大。海拔5 500 m、轉(zhuǎn)速1 200 r/min以上時(shí)，電控柴油機(jī)的有效功率下降不超過20%;但在轉(zhuǎn)速800 ～1 100 r/min時(shí)，電控柴油機(jī)的有效功率下降達(dá)42.1% ～62.4%。

(3)海拔高度變化對電控柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)的燃油消耗率影響較小。當(dāng)海拔5 500 m、低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油消耗率增加13.5% ～18.6%;高轉(zhuǎn)速時(shí)，增加值小于6%。

［1］ 劉瑞林，劉宏威，秦德.渦輪增壓柴油機(jī)高海拔(低氣壓)性能試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，21(3):213-216.

［2］ Shen L Z. Dimensionless Analysis of the Properties of Diesel Engines at Different Atmospheric Pressures［C］// SAE Paper.Detroit，MI，USA，1995，952064.

［3］ Shen L Z. Combustion Process of Diesel Engine Sat Regions with Different Altitude［C］//SAE Paper. Detroit，MI，USA，1995，950857.

［4］ Human D M，Cullman T L，Baines T M. Simulation of high altitude effects on heavy-duty diesel emissions［C］//SAE Paper. Detroit，MI，USA，1990，900883.

［5］ 劉瑞林，周廣猛，許翔，等.SOFIM 電控共軌柴油機(jī)高海拔性能模擬［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010，16(4):303-308.

［6］ 劉瑞林，周廣猛，李駿，等.高壓共軌柴油機(jī)高海拔全負(fù)荷標(biāo)定［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2012，18(3):199-205.

［7］ 周廣猛，劉瑞林，董素榮，等. 高壓共軌柴油機(jī)高海拔(低氣壓)燃燒特性［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30(3):220-226.

［8］ 申立中，沈穎剛，畢玉華，等.不同海拔高度下自然吸氣和增壓柴油機(jī)的燃燒過程［J］. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20(1):49-52.

［9］ 劉瑞林，劉宏威.內(nèi)燃機(jī)高海拔(低氣壓)模擬試驗(yàn)臺(tái)研制［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，5(1):43-46.

［10］ 劉瑞林.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究［M］. 北京:北京理工大學(xué)出版社，2013:97-98.

［11］ 周廣猛.高壓共軌柴油機(jī)高海拔標(biāo)定和燃燒過程研究［D］.武漢:海軍工程大學(xué)，2012.

［12］ 周廣猛，劉瑞林，董素榮，等. 柴油機(jī)高原適應(yīng)性研究綜述［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013(4):1-5.