鄭永明 閔浪 李世峰

摘 要：搭載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，在高原寒冷環(huán)境下，啟動(dòng)比較困難，且啟動(dòng)時(shí)間也比較長。為了有效解決這一問題，本次試驗(yàn)研究在理論知識分析的基礎(chǔ)之上探討縮短起動(dòng)時(shí)間的具體方案，并在某高海拔地區(qū)進(jìn)行高原起動(dòng)試驗(yàn)和不同海拔高度的道路試驗(yàn)。同時(shí)，隨著海拔的上升，汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性以及可靠性等相關(guān)指標(biāo)都會較大幅度下降，但是只要針對實(shí)際情況，采取相應(yīng)的措施予以處理，能夠顯著減少高原地區(qū)對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的影響。分析表明提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比與起動(dòng)機(jī)功率，可以最大程度上有效提升汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)整方案的科學(xué)合理性，并尋找最佳的可行性方案，能夠縮短發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，提高啟動(dòng)效率。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；高原試驗(yàn)；起動(dòng)試驗(yàn)

中圖分類號：V263.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）05-0265-02

我國高原地區(qū)幅員遼闊，地形因素復(fù)雜，海拔高度在1 000米以上地區(qū)約占國土面積的65%，分布在西部地區(qū)的50個(gè)大中城市中，常駐人員約2億人，汽車保有量在4 500萬輛以上。高原環(huán)境氣候具有大氣壓力低、空氣密度小、氣溫低、晝夜溫差大、水的沸點(diǎn)低等特點(diǎn)。隨著中西部地區(qū)近年來不斷發(fā)展，汽車擁有量也在不斷增加，適合高原使用的運(yùn)輸車輛、工程機(jī)械越來越受到重視，相應(yīng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高原使用性能對用戶來說也更為看重。但是由于高原氣候和環(huán)境因素相對比較特殊，使得平原地區(qū)能正常使用的機(jī)動(dòng)車到高原地區(qū)出現(xiàn)排氣溫度高、功率不足、油耗增加、增壓器破損、冷卻液“開鍋”等水土不服現(xiàn)象?，F(xiàn)代柴油機(jī)汽車的高原適應(yīng)性試驗(yàn)主要是提升低溫運(yùn)行性能、燃油消耗率、耐久性以及環(huán)保性能等。本文對于高原寒冷環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)困難的情況進(jìn)行分析研究并進(jìn)行相關(guān)改善試驗(yàn)研究。同時(shí)在高原地區(qū)進(jìn)行了相應(yīng)的道路實(shí)驗(yàn)，對改善情況進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。

1 高海拔地區(qū)對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的影響

1.1 低溫對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

首先，高原地區(qū)溫度非常低，導(dǎo)致燃油的實(shí)際蒸發(fā)性變得很差，不能和空氣結(jié)合，形成混合氣。同時(shí)，壓縮溫度也變得非常低，不能使柴油自燃。其次，低溫下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的粘度非常大，摩擦損失會急劇增大，并且隨海拔升高空氣稀薄，壓力不斷降低，不利于混合氣的形成，造成冷啟動(dòng)較低海拔地區(qū)困難得多。

1.2 低氣壓對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

高海拔地區(qū)大氣參數(shù)以及水的沸點(diǎn)等都會發(fā)生很大的變化，空氣含氧量降低。隨著海拔的升高，進(jìn)氣量減少，進(jìn)入柴油機(jī)缸內(nèi)的氧氣減少，導(dǎo)致柴油機(jī)壓縮壓力降低，滯燃期急劇增加[1]，造成汽車的功率大幅度下降，油耗也不斷上升。對于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在海拔不斷上升的同時(shí)，變化狀況相對比較小。所以，采用渦輪增壓是比較有效的方法。但是，在平原地區(qū)增壓器壓氣機(jī)特性線是按照馬赫數(shù)M準(zhǔn)則繪制的，隨海拔高度顯著增加，Re數(shù)將逐漸減小。車用柴油機(jī)和工程機(jī)械用的渦輪增壓器均是小型徑流式增壓器[2]。增壓柴油機(jī)會因?yàn)榭諝庵饾u變得稀薄，造成進(jìn)氣量也減少，其實(shí)際輸出功率也會逐漸減少。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)自適應(yīng)的調(diào)節(jié)增加渦輪轉(zhuǎn)速，再加之高原空氣密度較低，散熱變差，導(dǎo)致零部件承受的熱負(fù)荷大幅度增加，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

對于車用增壓柴油機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的選擇，要結(jié)合汽車的實(shí)際使用環(huán)境狀況來定。不同區(qū)域之間是不同的。如美國地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)比較好，道路狀況也相對比較好，高速公路非常多，大多屬于平原地區(qū)，很少有山區(qū)地形，整體海拔較低，所以，可在氣壓機(jī)最高效率區(qū)放置最大功率點(diǎn)。在歐洲國家，雖然公路也比較發(fā)達(dá)，但是因?yàn)榍鹆旰透呱奖容^多，因此，汽車一定要具備一定的高海拔適應(yīng)能力與爬坡能力。所以，其在選擇匹配方面也不同，額定功率大約在65%等效率曲線的附近，這主要是根據(jù)道路的具體情況來決定的。

我國高速公路雖然近年來也得到了迅速發(fā)展，但是整體而言，因?yàn)樯降剌^多，且地理環(huán)境惡劣，所以路面條件比較差。因此，將最大扭矩點(diǎn)置于壓氣機(jī)最高效率區(qū)域之內(nèi)，額定功率和歐洲相比，差距不大。

2 模擬和實(shí)地高海拔地區(qū)實(shí)驗(yàn)對比分析

模擬海拔變化狀況實(shí)驗(yàn)主要采用的是在帶有進(jìn)排氣海拔模擬設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)室進(jìn)行，大氣壓力在不同環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)，但是會忽略一些方面的影響因素，如水的沸點(diǎn)變化情況、進(jìn)氣溫度變化狀況與冷卻風(fēng)量的變化狀況等。所以，在固定海拔點(diǎn)通過模擬實(shí)驗(yàn)，所開發(fā)出的發(fā)動(dòng)機(jī)并不能真正滿足高原的具體應(yīng)用環(huán)境狀況。氣壓機(jī)進(jìn)氣阻力如果小于10pa的時(shí)候，壓氣機(jī)端的機(jī)油密封逐漸消失，實(shí)驗(yàn)無法對海拔在3 000m以上的環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)性能受到的影響和實(shí)際情況進(jìn)行真實(shí)的模擬。因此，為了最大程度上保障發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行各海拔下實(shí)地起動(dòng)性能試驗(yàn)。

3 汽車柴油機(jī)高原臺架運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

為了保障增壓柴油機(jī)能夠適用于我國高原地區(qū)，通過相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備與條件，在高原地區(qū)開展試驗(yàn)。初期，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是在20m的低海拔區(qū)域進(jìn)行，并結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的性能分析與研發(fā)改進(jìn)。之后在海拔為2 206m的地區(qū)與海拔3 800m的區(qū)域進(jìn)行性能對比，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施[4]。

3.1 經(jīng)濟(jì)性和可靠性試驗(yàn)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)海拔下動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性提升良好，且能夠最大程度上適應(yīng)不同海拔條件下的增壓柴油機(jī)。海拔每升高1 000m，燃油的實(shí)際消耗率大約為1.55g/kw.h，增壓器的實(shí)際轉(zhuǎn)速大約增加了6%左右，渦輪前排溫度大約上升了30℃左右。首先，高原使用的渦輪增壓器一定要具備耐高溫的性能；其次，流量的實(shí)際范圍也應(yīng)當(dāng)適度的增加；最后，在選擇的時(shí)候還要增加高海拔的使用特性。試驗(yàn)主要采取的是固定油門法，其可靠性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可反映出，因溫度因素的影響，需要對增壓器實(shí)施進(jìn)氣補(bǔ)償措施。在海拔約為20m的環(huán)境下，空燃相對較高；在海拔約為2 206米的環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率和最大扭矩未受到很大的影響；在海拔3 800m的環(huán)境下，其制定功率和最大扭矩受到的影響也是非常小的，但是空燃也比較低。海拔在不斷升高的同時(shí)，空氣越來越稀薄，已經(jīng)不能再有效滿足燃料的正常需求，導(dǎo)致扭矩逐漸下降。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性也能夠滿足在海拔3 800m以下的環(huán)境中使用。在海拔為3 800m的時(shí)候，1 000r/min的排溫已經(jīng)慢慢達(dá)到了96℃，逐漸接近增壓器的極限，安全轉(zhuǎn)速也慢慢達(dá)到了極限。如果在更高海拔條件下進(jìn)行使用，則應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)[5]。

3.2 冷機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)

在試驗(yàn)過程中，海拔在超過2 000m的情況下，冷機(jī)起動(dòng)過程中，會冒白煙，過一段時(shí)間熱機(jī)后，白煙會逐漸消失。海拔在升高的同時(shí)，冒煙的時(shí)間也會逐漸延長。在海拔3 800m的環(huán)境下，溫度為10℃左右。當(dāng)海拔升高的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)壓力與溫度都不斷在下降，這樣便造成溫度和壓縮終了壓力也相應(yīng)下降，著火的溫度也會因?yàn)閴毫Φ南陆抵饾u增加。當(dāng)海拔高度達(dá)到一定程度時(shí)，冷機(jī)起動(dòng)之后會有大量的黑煙以及白煙。汽車柴油機(jī)還應(yīng)當(dāng)考慮更多的高原情況，該類型柴油機(jī)和高原實(shí)際需求相比，壓縮不足，起動(dòng)時(shí)的實(shí)際功率更低。海拔高度一旦超過2 000m時(shí)，氣缸中的壓縮空氣量無法有效保障起動(dòng)時(shí)燃燒[6]。

3.3 柴油機(jī)高原實(shí)車道路試驗(yàn)

針對該類型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)存在的不足地方，對活塞、增壓器、起動(dòng)機(jī)、空氣加熱器等零部件的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，具體如表2所示。

通過采取相應(yīng)的改進(jìn)措施之后，發(fā)動(dòng)機(jī)裝在卡車上，在高原道路進(jìn)行試驗(yàn)。海拔5 200m左右，在試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，且具備一定的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，起動(dòng)性能夠有效滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語

此次試驗(yàn)主要對渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔環(huán)境下的工作狀況進(jìn)行了研究，從而保障在高海拔區(qū)域環(huán)境下汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定工作和運(yùn)行。在高海拔區(qū)域采用增壓柴油機(jī)，額定功率為66%以上，從而保障高速情況下不會超速，低速狀態(tài)下不喘振，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，并適當(dāng)增加冷啟動(dòng)裝置，在保障大氣壓力降低的環(huán)境下，具備足夠的啟動(dòng)著火能量。同時(shí)，還需要提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，可以采用高壓縮比氣缸蓋，盡量縮小燃燒室，從而提高壓縮比。如采用特制的鋁缸蓋，且散熱性比較好，可以將壓縮比提高。對于普通的汽缸蓋，在高原地區(qū)使用，也需要將壓縮比提高。另外，還可以采用增壓設(shè)備，柴油機(jī)由于無爆燃限制，可以優(yōu)化增壓器增加充氣量，從而有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

通過改變不同海拔和不同溫度條件進(jìn)行了深入的分析與研究，進(jìn)一步探討了汽車柴油機(jī)的起動(dòng)性能隨著海拔的不斷變化從而呈現(xiàn)的特點(diǎn)和規(guī)律性。深入探究改善高原地區(qū)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性的方法，對保障高海拔區(qū)域汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定工作有著重要的意義。

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（責(zé)任編輯：李凌峰）