陳宏偉 柴海博

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

隨著我國建筑業(yè)逐步邁入現(xiàn)代化施工，工程機械因其施工速度快、效率高等特點代替了人工。但在使用過程中如何保證機械的使用效率一直是施工行業(yè)的一個共性問題，尤其是在海拔高、大氣壓力低、空氣密度和含氧量低的高原地區(qū)［1］。高原隧道施工中所配備的大型機械多為內(nèi)燃型，但在高原特殊的自然環(huán)境下，發(fā)動機因進氧量少而導(dǎo)致燃燒動力不足，從而使有效功率輸出顯著降低，導(dǎo)致在高原環(huán)境下機械利用率明顯低于平原上的機械利用率。

基于以上原因，靳生盛［2］通過總結(jié)高原施工中的實測數(shù)據(jù)，探究了工程機械在高原環(huán)境下的運行可靠性，并由此制定了相應(yīng)的預(yù)防措施。曹杰［3］等采用倒拖法研究了機油溫度和轉(zhuǎn)速對大功率柴油機的機械損失影響規(guī)律。朱永全［4］提出了一套在高原環(huán)境下大功率內(nèi)燃機的功率保持技術(shù)。馮國盛［5］等以關(guān)角隧道為依托，進行了CO與煙霧尾氣排放的試驗研究。王勇［6］針對高原環(huán)境中工程機械利用率不高的情況，深入剖析其原因并提出了應(yīng)對措施。李瑞發(fā)［7］等、董素榮［8］等針對高原地區(qū)油耗升高、功率下降等問題，建立高原環(huán)境適應(yīng)性綜合性評價模型，并對高原地區(qū)典型車用柴油機高原適應(yīng)性進行評估。姜澤浩［9］等采用模擬試驗臺探究了海拔對渦輪增壓柴油機性能的影響。王旭東［10］等以某型軍用車輛柴油機為研究對象，模擬了4 500 m高原條件下該型號柴油機燃用軍用柴油和摻混不同比例聚甲氧基二烷基醚型含氧燃料時的燃燒特性。林春城［11］等通過研究各種增壓技術(shù)，提出二級可調(diào)增壓技術(shù)為高原環(huán)境下的最優(yōu)選擇。崔文鎮(zhèn)［12］依托祁連山隧道，選取和研制了幾種適用于高原長大隧道的施工裝備，實際應(yīng)用效果較好。楊森森［13］通過大量實際調(diào)研，并依托高原特長隧道現(xiàn)場試驗，與理論分析相結(jié)合，基于分析隧道快速施工影響因素，總結(jié)了高原長大隧道相關(guān)快速施工的方法。申智杰［14］通過總結(jié)青藏高原環(huán)境對施工機械性能的影響及相關(guān)高原施工適應(yīng)性技術(shù)，提出了針對高原施工機械設(shè)備的選型思路。尹瑞［15］依托西部高原地區(qū)公路施工設(shè)備選型指南，從機械的工作能力、經(jīng)濟指標(biāo)以及環(huán)境適應(yīng)性等方面系統(tǒng)研究了在不同種類的機械組合下，海拔高度對施工機械生產(chǎn)率的一般影響規(guī)律，并最終提出了適宜該工程施工環(huán)境的機械設(shè)備配置。許先亮［16］以新關(guān)角隧道為依托，通過文獻調(diào)研、模糊綜合評價法、數(shù)學(xué)模型排隊論法等，研究了高原長大隧道的施工機械設(shè)備配套和通風(fēng)等技術(shù)問題。

雖然前人的研究成果很多，但對于施工機械發(fā)動機在高原環(huán)境下功效的變化規(guī)律尚無深入研究?；诖?，本文將通過臺架模擬試驗法來研究不同轉(zhuǎn)速、海拔高度和含氧量下發(fā)動機的功效變化規(guī)律。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗系統(tǒng)的搭建

發(fā)動機性能測試主要分為熱力循環(huán)計算、實地臺架試驗法和臺架模擬試驗法三種。經(jīng)過綜合比選，最后確定采用臺架模擬試驗法。該方法的優(yōu)勢為：可在平原地區(qū)通過高原模擬試驗系統(tǒng)來模擬高原環(huán)境，且試驗具有可重復(fù)性。

（1）AVL發(fā)動機臺架試驗臺

AVL試驗臺的主要組成部件為瞬態(tài)油耗儀和測功儀。試驗臺架示意圖見圖1。

圖1 試驗臺架示意

（2）進氣調(diào)控系統(tǒng)

基于試驗?zāi)康暮桶l(fā)動機的參數(shù)，優(yōu)選FOTON公司的高原海拔試驗艙。以海拔艙模擬高原隧道內(nèi)的溫度、壓力等，以獨立設(shè)計的進氣調(diào)控系統(tǒng)來模擬發(fā)動機的進氣系統(tǒng)。進氣調(diào)控系統(tǒng)見圖2。

圖2 進氣調(diào)控系統(tǒng)示意

2.2 參數(shù)標(biāo)定

該試驗所涉及的控制參數(shù)主要為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、海拔高度和含氧量等，每一個參數(shù)的變化都會對試驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性有非常顯著的影響。其中轉(zhuǎn)速和海拔高度可以通過測功機和海拔艙來進行精確控制，而含氧量則通過在進氣口摻氮來實現(xiàn)。

2.3 試驗工況及試驗步驟

2.3.1 試驗工況設(shè)置

為了全面系統(tǒng)地分析發(fā)動機的外特性指標(biāo)（即發(fā)動機的油門全開時的特性）在平原環(huán)境和高原隧道內(nèi)外環(huán)境下的變化規(guī)律，設(shè)置了如下對比試驗：

（1）平原環(huán)境發(fā)動機外特性試驗；

（2）高原環(huán)境發(fā)動機外特性試驗；

（3）高原隧道環(huán)境發(fā)動機外特性試驗。

2.3.2 試驗步驟

平原環(huán)境下的發(fā)動機外特性測試步驟如下：

（1）首先將油門逐步提升至全開狀態(tài)，并檢查進氣調(diào)控系統(tǒng)的狀態(tài)、海拔艙的溫度是否達到試驗標(biāo)準(zhǔn)。

（2）所檢查的各項指標(biāo)達標(biāo)后開始試驗，在試驗過程中保持發(fā)動機的轉(zhuǎn)速恒定和油門全開，在轉(zhuǎn)速由2 000 r/min調(diào)至900 r/min過程中，分別在發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)時采集2 000 r/min、1 900 r/min、1 800 r/min、1 700 r/min、1 600 r/min、1 500 r/min、1 400 r/min、1 300 r/min、1 200 r/min、1 100 r/min、1 000 r/min和900 r/min時發(fā)動機的扭矩、功率和油耗等性能參數(shù)。

高原環(huán)境下，應(yīng)首先關(guān)閉海拔艙，然后開啟海拔調(diào)整模式，利用大功率抽氣機將艙內(nèi)的空氣抽出，使艙內(nèi)壓力逐步調(diào)整至試驗指定海拔所對應(yīng)的大氣壓力，并且可以通過控制系統(tǒng)來對艙內(nèi)壓力進行實時監(jiān)測，保證艙內(nèi)壓力維持在目標(biāo)水平。之后的試驗步驟與平原環(huán)境類似。

3 發(fā)動機外特性影響性分析

3.1 平原環(huán)境下發(fā)動機外特性分析

首先在平原環(huán)境下測試發(fā)動機的原始性能，令發(fā)動機開始工作時的轉(zhuǎn)速超過2 000 r/min。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 平原環(huán)境下的發(fā)動機外特性曲線

從圖3中可以看出，功率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而逐漸升高，大致分為1 600～2 000 r/min和900～1 600 r/min兩段。在1 600～2 000 r/min高轉(zhuǎn)速區(qū)間，功率上升較慢，上升幅度約為10 kW；在900～1 600 r/min低轉(zhuǎn)速區(qū)間，功率上升較快，上升幅度約為62 kW。轉(zhuǎn)速在2 000 r/min時為最大功率Pmax＝155 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速n＝1 600 r/min時，功率P＝145 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速n＝900 r/min時，功率下降至最小值Pmin＝80 kW。

隨著轉(zhuǎn)速升高，扭矩呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。轉(zhuǎn)速1 400 r/min時為峰值扭矩892 N·m，且在機械正常工作轉(zhuǎn)速（900～1 600 r/min）保持較大輸出效率。說明該發(fā)動機的整體性能比較優(yōu)越，可以滿足平原環(huán)境下的工作需求。

3.2 海拔對發(fā)動機外特性的影響

海拔變化導(dǎo)致的氧含量改變會顯著影響發(fā)動機的動力性能。由圖4可知，發(fā)動機的扭矩和功率都會隨著海拔的升高而逐漸降低，且下降幅度與海拔上升高度表現(xiàn)為正相關(guān)。

圖4 海拔高度對發(fā)動機外特性影響曲線

從圖4a可以看出，峰值扭矩點維持在轉(zhuǎn)速1 400 r/min處，且隨海拔升高而逐漸降低。另外，隨著海拔變化，高轉(zhuǎn)速n＝2 000 r/min時對應(yīng)的扭矩下降并不明顯，從H＝0 m上升到H＝4 000 m高度，ΔT約為75 N·m，下降了10%；而在低轉(zhuǎn)速n＝900 r/min時所對應(yīng)的扭矩下降則較為明顯，ΔT約為275 N·m，下降了32.4%，說明海拔對低轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的作業(yè)性能影響較大。

從圖4b可以看出，海拔對不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率的影響差異性較小。分析其原因，一方面是高海拔處大氣壓力下降、空氣密度降低，從而使進氣沖程所吸入發(fā)動機缸內(nèi)的空氣總量下降；另一方面，高原環(huán)境下氧含量降低導(dǎo)致燃燒所需氧氣嚴(yán)重不足，燃燒狀況惡化，進而表現(xiàn)為發(fā)動機動力不足。對于工程機械設(shè)備而言，由于惡劣的作業(yè)環(huán)境增大了機械作業(yè)阻力，致使發(fā)動機易產(chǎn)生過載掉速的現(xiàn)象。

3.3 隧道內(nèi)外環(huán)境對發(fā)動機外特性的影響

通過在空氣中摻氮來模擬高原環(huán)境下隧道內(nèi)的含氧量。由圖5可知，海拔4 000 m處，有無摻氮對發(fā)動機動力性能影響很明顯。摻氮后，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的功率下降7～20 kW，峰值扭矩降低了17.9%。由此可以看出，隧道內(nèi)施工產(chǎn)生的粉塵等物質(zhì)進一步導(dǎo)致氧含量較洞外更低，使發(fā)動機的燃燒效率更加惡化，動力輸出進一步降低。

圖5 有無摻氮對發(fā)動機動力性能影響曲線（H=4 000 m）

從圖5可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 500 r/min，其扭矩下降的幅度較之前有所降低，且摻氮使得發(fā)動機扭矩受高轉(zhuǎn)速影響較小。

當(dāng)工程機械失速時，一般通過減速增扭來提高發(fā)動機的扭矩輸出，這在隧道外部（即無摻氮環(huán)境）是可以實現(xiàn)的，但在隧道內(nèi)部（即有摻氮環(huán)境），由于扭矩在失速段隨轉(zhuǎn)速的變化較為平緩，減速并不能使扭矩實現(xiàn)大幅增長，故在高原隧道內(nèi)機械作業(yè)時會出現(xiàn)無力感，需反復(fù)多次才能達到原來一次作業(yè)的效果，極大降低了工作效率。

3.4 油耗對比

對比不同環(huán)境下的發(fā)動機油耗（見圖6），可以看出，在平原環(huán)境下轉(zhuǎn)速的提高對發(fā)動機油耗的影響并不大，轉(zhuǎn)速從900 r/min增長到2 000 r/min的過程中，發(fā)動機的燃油消耗率僅提高了28 g/（kW·h）；發(fā)動機在高原環(huán)境下的油耗明顯高于平原環(huán)境，在各轉(zhuǎn)速下普遍提升了至少50 g/（kW·h）；在高原隧道內(nèi)，由于空氣含氧量進一步降低，導(dǎo)致發(fā)動機燃燒效率更加惡化，油耗更高，但在發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min時，燃油消耗率反而降低，這是因為在中、高等轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的指示熱效率逐漸提高，因而高原環(huán)境下在隧道內(nèi)外的燃油消耗隨轉(zhuǎn)速的提高而逐漸接近。由此可以說明，在高原隧道環(huán)境下，油耗上升會使發(fā)動機動力明顯下降。

圖6 不同環(huán)境下的發(fā)動機油耗對比曲線

4 結(jié)論

通過臺架模擬試驗法研究了不同轉(zhuǎn)速、海拔高度和含氧量下發(fā)動機的功效變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，功率持續(xù)增大，而扭矩則呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，扭矩峰值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速n＝1 400 r/min處。

（2）海拔變化導(dǎo)致的氧含量改變會顯著影響發(fā)動機的動力性能。發(fā)動機的扭矩和功率都會隨著海拔的升高而逐漸降低，且下降幅度與海拔上升高度表現(xiàn)為正相關(guān)。海拔從0 m上升到4 000 m過程中，高轉(zhuǎn)速2 000 r/min時扭矩降低10%，低轉(zhuǎn)速900 r/min時扭矩降低32.4%；海拔對各轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率的影響程度差異不大。

（3）在海拔H＝4 000 m處，隧道內(nèi)外不同環(huán)境對發(fā)動機的動力性能有顯著的影響。相比隧道外，隧道內(nèi)發(fā)動機的扭矩和功率均有降低，峰值扭矩下降了17.9%。

（4）高原環(huán)境會明顯增大發(fā)動機的油耗，且在高原隧道環(huán)境下，油耗上升使發(fā)動機的動力下降較為明顯。

（5）鑒于高原地區(qū)施工機械發(fā)動機功效有明顯降低的現(xiàn)象，建議采用功率恢復(fù)型增壓技術(shù)，通過增壓供氣以提升氣缸充氣密度，使缸內(nèi)燃油燃燒充分，從而使發(fā)動機的功效、經(jīng)濟指標(biāo)及熱負荷指標(biāo)恢復(fù)到低海拔標(biāo)定水平。