劉瑞林，周 磊，劉 楠，周廣猛，張眾杰，張文建

(1.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)，天津300161;3.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033)

我國高原地區(qū)占地面積廣，具有大氣壓力低、空氣含氧量少、晝夜溫差大、平均氣溫低等特點(diǎn)，軍用車輛柴油機(jī)在使用過程中會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力性下降、經(jīng)濟(jì)性變差、啟動(dòng)困難、冷卻系統(tǒng)散熱效率低、排放惡化等問題［1－7］。

研究高海拔地區(qū)大氣條件對(duì)柴油機(jī)性能的影響，是開展軍用車輛高原環(huán)境適應(yīng)性研究的基礎(chǔ)和前提，為改善柴油機(jī)燃燒過程、降低燃油消耗和排放污染以及開發(fā)設(shè)計(jì)適合高原地區(qū)使用的高原型柴油機(jī)提供參考依據(jù)［8－11］。該研究對(duì)于我軍發(fā)展新一代適用高原戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的機(jī)動(dòng)平臺(tái)、改進(jìn)現(xiàn)役車型的高原環(huán)境適應(yīng)性、提高車輛裝備高原戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)和保障能力具有重要意義。

本文利用自行研制的內(nèi)燃機(jī)高海拔(低氣壓)模擬試驗(yàn)臺(tái)［12－13］，對(duì)某渦輪增壓柴油機(jī)在0～5 000 m不同海拔高度時(shí)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析海拔高度對(duì)柴油機(jī)性能的影響，得出柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性隨海拔的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)在內(nèi)燃機(jī)高海拔(低氣壓)模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該模擬試驗(yàn)臺(tái)主要由測(cè)功機(jī)、控制系統(tǒng)、進(jìn)排氣模擬系統(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℃ ～常溫范圍內(nèi)的大氣壓力和溫度。該試驗(yàn)利用進(jìn)氣節(jié)流、真空泵排氣抽真空的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣不同海拔大氣壓力的模擬，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)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

渦輪增壓柴油機(jī)性能模擬試驗(yàn)選擇最高模擬海拔5 000 m，同時(shí)選擇0、1 000、2 000、3 000、4 000 m其他5個(gè)不同海拔，可基本覆蓋我國絕大部分公路海拔高度。模擬試驗(yàn)研究渦輪增壓柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性，并分別研究1 500 r/min和2 700 r/min轉(zhuǎn)速下的部分負(fù)荷特性。試驗(yàn)中測(cè)量進(jìn)氣流量、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 高海拔對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性的影響

隨著海拔升高，大氣壓力下降，空氣密度降低，柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致燃燒過程惡化，直接影響柴油機(jī)的動(dòng)力性能。圖1為不同海拔渦輪增壓柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線。

圖1 柴油機(jī)不同海拔全負(fù)荷速度特性曲線

可以看出，隨著海拔升高，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率均下降，且具有以下特點(diǎn)。

(1)柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩、額定功率隨海拔升高而下降。海拔5 000 m與0 m相比，最大轉(zhuǎn)矩降低13.0%，額定功率降低18.1%。

海拔高度的變化對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性影響較大，主要是因?yàn)?隨著海拔升高，大氣壓力降低，增壓壓力降低，導(dǎo)致進(jìn)氣量減少(如圖2所示);同時(shí)，為了防止渦輪在高原超溫、超速，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)降低也導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性明顯下降。

圖2 不同海拔進(jìn)氣流量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

(2)不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)功率與轉(zhuǎn)矩隨海拔高度不同下降幅度不同。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，海拔5 000 m相對(duì)于海拔0 m功率和轉(zhuǎn)矩下降32.6%;當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 700 r/min時(shí)，海拔5 000 m相對(duì)于海拔0 m功率和轉(zhuǎn)矩下降18.1%。

海拔高度對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速動(dòng)力性能的影響不同，主要是因?yàn)?隨著海拔升高，盡管大氣密度降低導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，但同時(shí)渦輪背壓也隨之降低，膨脹比增加，使渦輪增壓器做功能力相對(duì)提高，起到了空氣補(bǔ)償?shù)淖饔?。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓補(bǔ)償效果好，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)廢氣能量不足，渦輪增壓器工作能力迅速下降，因而柴油機(jī)動(dòng)力性能下降迅速。

(3)柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩隨海拔升高呈現(xiàn)不同的下降規(guī)律，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速隨海拔升高逐漸向高速區(qū)移動(dòng)(如圖3所示)。海拔低于2 000 m時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩下降幅度較小，每升高1 000 m，最大轉(zhuǎn)矩平均下降2.5%;海拔超過2 000 m，最大轉(zhuǎn)矩呈線性下降，每升高1 000 m，最大轉(zhuǎn)矩平均下降4.8%。最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速由海拔0 m時(shí)的1 400 r/min升高到海拔5 000 m時(shí)的1 800 r/min。

圖3 最大轉(zhuǎn)矩、最低燃油消耗率及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速隨海拔變化關(guān)系

(4)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)KT、轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)Kn和發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性系數(shù)φtqn隨海拔升高而下降。如圖4所示，海拔低于2 000 m時(shí)，各系數(shù)下降幅度較小，海拔每升高1 000 m，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)平均下降0.2%，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)平均下降3.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性系數(shù)平均下降3.5%;海拔超過2 000 m，各系數(shù)下降幅度增大，海拔每升高1 000 m，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)平均下降2.1%，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)平均下降7.4%，發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性系數(shù)平均下降9%。

圖4 柴油機(jī)適應(yīng)性系數(shù)隨海拔變化關(guān)系

這是因?yàn)?隨著海拔的升高，柴油機(jī)外特性最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速隨海拔升高而向高轉(zhuǎn)速區(qū)偏移(如圖4所示)，導(dǎo)致Kn下降;海拔高度增加，柴油機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩同時(shí)減小(海拔5 000 m與平原相比，最大輸出轉(zhuǎn)矩平均下降18.1%，標(biāo)定轉(zhuǎn)矩下降13.6%)，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)KT下降幅度較小;KT與Kn隨海拔的升高下降導(dǎo)致φtqn下降幅度顯著。

2.2 高海拔對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

(1)在全負(fù)荷速度特性中，柴油機(jī)燃油消耗率隨海拔升高而增加(如圖1所示)，在低轉(zhuǎn)速區(qū)增加幅度明顯，平均增加幅度達(dá)到17%左右;海拔越高，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)越窄;同時(shí)，達(dá)到最低燃油消耗率時(shí)的轉(zhuǎn)速隨海拔的升高向高轉(zhuǎn)速區(qū)移動(dòng)，由平原的1 600 r/min升高到海拔5 000 m的2 200 r/min。海拔5 000 m與0 m相比，最低燃油消耗率增加10.8%。

(2)圖5(a)為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)時(shí)柴油機(jī)不同海拔的負(fù)荷特性曲線。可以看出，柴油機(jī)排氣溫度、燃油消耗量以及燃油消耗率隨海拔升高而增加，在高負(fù)荷區(qū)較低負(fù)荷增加幅度明顯;同時(shí)，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)隨海拔的升高而變窄，4 000 m海拔與0 m海拔相比，最低燃油消耗率增加7.1%，排氣溫度平均升高約6.0% ～11.0%。

圖5(b)為額定轉(zhuǎn)速(2 700 r/min)的負(fù)荷特性曲線?？梢钥闯?，柴油機(jī)燃油消耗量、燃油消耗率隨海拔升高而增加，海拔4 000 m與0 m相比，最低燃油消耗率增加11.8%。

海拔高度的變化對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性影響明顯，這是因?yàn)?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)致柴油機(jī)燃燒過程惡化，有效熱效率下降，故燃油消耗率隨海拔的升高而增加。

圖5 柴油機(jī)不同海拔負(fù)荷特性曲線

3 結(jié)論

(1)隨著海拔升高，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性逐漸下降，且低速區(qū)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降幅度大于高速區(qū)。海拔5 000 m與海拔0 m相比，最大轉(zhuǎn)矩、額定功率分別降低13.0%、18.1%，最低燃油消耗率增加10.8%;低速(1 000 r/min)時(shí)，轉(zhuǎn)矩和功率下降32.6%，燃油消耗率增加29.8%，高速(2 700 r/min)時(shí)，轉(zhuǎn)矩和功率下降18.1%，燃油消耗率增加8.9%。

(2)柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩隨海拔升高呈現(xiàn)不同的下降規(guī)律，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速隨海拔升高逐漸向高速區(qū)移動(dòng)。海拔低于2 000 m時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩下降幅度較小，海拔每升高1 000 m，最大轉(zhuǎn)矩平均下降2.5%;海拔超過2 000 m，最大轉(zhuǎn)矩呈線性下降，海拔每升高1 000 m，最大轉(zhuǎn)矩平均下降4.8%。最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速由海拔0 m時(shí)的1 400 r/min升高到海拔5 000 m時(shí)的1 800 r/min。

(3)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)、轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性系數(shù)隨海拔升高而下降，且呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。海拔低于2000 m時(shí)，各系數(shù)下降幅度較小，海拔每升高1 000 m，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)平均下降0.2%，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)平均下降3.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性系數(shù)平均下降3.5%;海拔超過2 000 m，各系數(shù)下降幅度增大，海拔每升高1000 m，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)平均下降2.1%，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)平均下降7.4%，發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性系數(shù)平均下降9%。

(4)最低燃油消耗率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨海拔升高逐漸向高轉(zhuǎn)速區(qū)移動(dòng)，由海拔0 m的1 600 r/min升高到海拔5 000 m的2 200 r/min。隨海拔升高，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)逐漸變窄。

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