高原用增压柴油机性能开发探究

2018-07-02东风汽车股份有限公司工程车事业部杨建伟

专用汽车 2018年6期

东风汽车股份有限公司工程车事业部杨建伟

针对高原地区特殊环境，对增压型柴油机在高原工作存在的问题进行了阐述，并对在此环境中增压型柴油机的性能变化进行相关论述，指明了高原增压柴油机性能开发的相关机理，开发匹配的增压器是确保高原用柴油机能够正常使用的行之有效的方法。

近年来，随着我国西部大开发以及“一带一路”国家级战略的实施，西部地区经济发展迅猛，给汽车交通运输、工程机械基建设备以及配套动力设施带来了巨大的发展机遇，高原用增压柴油机越来越受到关注，市场前景看好。然而，由于我国西部高原地域面积广阔，地形相对复杂，大部分地域海拔高度为2000～4500m，少数地区海拔高度达5000m以上，如青藏高原，它是我国也是世界上最具代表性的高原，对内燃机环境技术应用的影响具有一定的代表性。因而，高原用增压柴油机的性能也成为中国柴油机市场上各厂家亟待解决的问题。

增压柴油机在高原工作存在的问题

1.柴油机的动力性及经济性大幅下降

高原地区气候环境的主要特点是：大气压力低，空气稀薄，全年平均气温低，昼夜温差大。增压柴油机在高原地区使用时，随着海拔高度的升高，大气压力和空气密度相对下降（见表1），因而进入气缸的空气量大幅度减少，然而由于喷入气缸的燃油量变化不大，结果使气缸内空气与燃油混合的比例即空燃比明显失调，导致氧气含量不足，燃油过浓，不能达到充分燃烧，使燃烧持续期延长，后燃严重，有效燃烧压力下降，最终导致以下问题出现：

a. 动力性能下降，如果海拔高度不断上升，柴油机相应发出的功率和扭矩将持续较大幅度下降，特别是低速区扭矩下降更快；

b. 经济性也相应下降，即比油耗率明显上升；

c. 最大扭矩转速及油耗经济区转速相应提高；

d. 排放烟度增大，排气冒黑烟；

e. 排气温度大幅度上升，接近增压器材料的极限温度；

f. 热负荷增加，受热零件温度上升，冷却系统的负荷加大。

表1 海拔高度与大气参数、水的沸点关系

2.冷却系统早期失效

随着海拔高度的上升，由于大气压力降低，柴油机水套内冷却液的沸点温度下降，冷却液内早期出现蒸汽，在循环中夹带大量气泡，使冷却效率降低。此外，沸腾的冷却液有时会顶开散热器上的压力盖而外溢，使冷却系统不能正常工作，影响柴油机的可靠性。海拔高度、压力盖压力和冷却液沸点温度的关系见表2所示。

表2 海拔高度、压力盖压力和冷却液沸点温度关系

需要说明的是，柴油机热负荷增加是由于燃烧不良造成的，结果使冷却液温度上升，因而在高原地区应提高冷却系统的散热能力，如加大散热器面积，提高风扇转速等。

至于冷却液沸腾，主要是由于大气压力下降造成的，同时也有冷却能力不足的原因。因此应当首先考虑提高散热器压力盖的压力，平原地区常规压力盖压力为50kPa，在海拔3000m以上地区，压力盖压力应当提高到80～100kPa，冷却液沸点温度提高了，也能增大散热器的散热能力。但是压力盖压力过大，对冷却系统的密封不利，使密封垫和散热器处容易发生泄漏。

此外，高原地区由于空气稀薄，由吸风式风扇通过散热器的实际空气流量下降，也是导致散热器散热能力下降的原因之一。

3.柴油机启动困难

随着海拔高度上升，空气密度及空气温度下降，柴油机启动过程中压缩压力和压缩温度下降，再加上高原环境温度相对较低，往往造成柴油机启动困难。要解决高原柴油机启动困难问题，一般有以下技术措施：

a. 提高柴油机的压缩比。这就需要更改柴油机的燃烧室容积，实施比较困难，而且如果柴油机转移到平原地区使用，会造成柴油机爆发超标而影响其可靠性能，但如果柴油机固定在高原使用，生产条件允许的话，提高压缩比的效果是明显的，因此值得考虑。

b. 提高柴油机启动转速。在平原地区柴油机启动转速一般不低于120r/min，在高原地区转速最好不低于200 r/min，因此应提高起动机的功率。

c. 调整柴油机的喷油提前角。目前在平原地区的柴油机，由于考虑排放需要，提前角均偏低，因在高原地区，柴油机的着火延迟期增长，增大喷油提前角是十分必要的。一般海拔高度在2000～3000m时，可提前1°～2 °，在3 000～4 000m时，可提前2 °～4 °。

d. 增加进气预热装置。采用平原地区使用的冷启动辅助装置，特别是进气预热装置，可有效解决柴油机的启动困难问题。

4.增压器出现超速现象

在高原地区，柴油机全速全负荷运转时，增压器的转速会明显提高，海拔越高，增压器的转速提高越多，并出现增压器超速现象。根据统计，海拔每上升1000m，增压器转速约提高6%，此外，由于空燃比下降，排气温度上升，海拔每上升1000m，排气温度将上升20～30℃，在海拔3000m以上的高原上，增压器可能在超速和超温下工作，这对增压器及柴油机的可靠性十分不利。

增压器转速上升的原因，主要是由增压器涡轮机的“膨胀比”（Pt/P0）增加造成的。由于海拔上升，大气压力P0下降，即涡轮机的出口压力下降，而涡轮前的排气进口压力Pt虽然随着大气压力下降也有所降低，但下降幅度相对较小，因此使膨胀比Pt/P0随海拔上升而提高，导致增压器的转速相应提高，增压器压比随海拔变化趋势如图1所示。

图1 增压器压比随海拔变化趋势

此外，空气稀薄，压气机的做功能量下降，也是造成增压器转速上升的原因之一，对于增压器的进气量而言，增压器转速的提高，相应增加了进气量，使柴油机在高原上的动力损失得到了部分补偿，这正是增压器的优点之所在和高原上的优势，但在高原上，增压器的工作负荷增加，影响了它的可靠性。

高原增压柴油机的主要性能变化

为了使柴油机能适合高原环境工况使用，在目标使用环境条件下进行开发是行之有效的方法，（但高原地区环境恶劣，不具备相关试验开发条件，因此，往往需要采取模拟海拔变化试验的方法进行前期的相关试验，待在平原的试验有了初步明确的结果，再把柴油机转移到高原使用地区，进行实地的性能测试和各项指标的认证，从而达到最终的开发目的。）

以某6102自然吸气柴油机的高原试验结果为例（见表3），可以看出，自然吸气柴油机在高原上使用，其动力性和经济性损失非常严重，因此必须采用增压，否则将会造成能源的极大浪费。

采用增压器后，在高原上的性能得到大大补偿，但要完全恢复到原有平原地区的性能指标，也是不可能的。以某6BTA增压柴油机高原试验结果为例（表4），可以看出，由平原至海拔3800m，功率损失5.3%，平均海拔高度每增加1000m功率下降1.39%；最大扭矩损失2.8%，平均海拔高度每增加1000m扭矩损失约0.74%。由平原至海拔高度4500m，功率损失7.95%，平均海拔高度每1000m功率下降1.76%；最大扭矩损失8.91%，平均海拔高度每增加1000m最大扭矩下降约1.98%。从试验数据也不难发现，海拔高度越高，每上升1000m功率损失的百分比也有所扩大。

表3 6102柴油机高原试验结果

表4 6BTA增压柴油机高原试验结果

高原柴油机增压器性能开发的机理

高原用增压柴油机的开发是在平原用增压柴油机的基础上进行的，工作重点以更换和选择增压器或燃油泵及喷油器为主。同时要对燃油泵的供油量、喷油提前角和增压器旁通阀开启压力等进行调整。一般情况下，对于原机的燃烧系统、缸盖进气道、进排气歧管等均保持不变。

如果发动机仅在海拔高度2000m左右的地区使用，则在青海某研究所进行全面的性能验证试验就可以了。所以，高原机的开发试验往往需要先后在两地或多地进行。

影响高原柴油机功率恢复的关键部件就是增压器，一台在平原地区与柴油机匹配良好的增压器，一到高原地区，它的表现就不一定好了。因为高原地区大气压力和空气密度下降，使得增压器和柴油机的联合运行线的位置发生变化，海拔高度越高，变化越大，不但离开了压气机的高效区，而且向喘振线和超速区靠拢，使增压器工作恶化，因此必须更换增压器，并按使用地区海拔高度，重新进行匹配试验。如有条件，应准备多个方案的增压器，以便进行性能对比，从中获得最佳的组合。

图2是增压器压气机的“压比和流量特性曲线”，它反映了增压器的涡轮、压气机和发动机三者联合的综合效果，是增压器与发动机匹配好坏程度的重要标志，也是全面评价发动机性能不可缺少的重要曲线。

图2 压比和流量特性曲线图

一般情况下，在平原地区匹配增压器时，运行线离喘振线约留有流量范围10%～15%的余量，一到高原地区这个余量就没有了，低速端的喘振现象就会出现，而高速端的问题是增压器超速，还会同时出现超温，严重影响增压器的可靠性，从而不得不限制发动机使用的海拔高度。匹配更换增压器的目的就是希望拓宽增压器的流量范围，扩大高效区面积，使联合运行线离开喘振线和超速区。如图3所示。

图3 涡轮增压器和内燃机联合运行线

对于车用增压器而言，在平原和高原地区，总的原则是相同的，但在高原上，对增压器的性能要求更高了，在某些参数或结构上就要作出相应调整和改进。

a. 采用双通道脉冲增压。实践证明，增压器的涡轮壳采用双通道脉冲增压，可充分利用废气能量，在高原性能试验对比中，指标优越。

b. 采用带有旁通放气阀的增压器。众所周知，涡轮增压器的转速与发动机的转速没有直接联系的，运行点是根据增压器压气机的功率与涡轮机的功率相平衡而建立的，增压器的转速是随着发动机的功率增大而增大的，但当发动机加载转速下降需要大扭矩时，涡轮的做功能力却明显衰退，使增压器转速和流量大幅度下降，造成高低速之间供气量比例不均的矛盾。

采用旁通阀的原理，就是首先把增压器和柴油机的匹配点立足在最大扭矩点上，优先满足低速区最大扭矩所需要的空气量，而在发动机高速时，为了防止增压器超速和控制增压压力，在增压压力的作用下，推开旁通放气阀，放掉一部分废气，从而使增压压力降下来，保证了高速时发动机的可靠性。

c. 选择“零”断面较小的增压器涡轮壳。“零”断面就是涡轮前排气入口的最小断面，这是决定涡轮增压器性能很关键的尺寸参数之一。对于高原用增压器，其涡轮壳的零断面就必须小于平原用涡轮壳的零断面，这是因为海拔越高，大气压力下降，排气能量相应下降，为了保证低速时的扭矩，缩小零断面可以使低速时增压器转速上升，而且海拔越高，大气压力越低，零断面的趋向应更小。

d. 选用流量范围宽广和效率高的压气机。一台增压柴油机，如果要在高原上维持与平原上的同等输出功率，则必须增大增压器的规格，大幅度提高增压比和压气机的容积流量。多数情况下，往往在原有增压器的同一产品系列内进行选择，即保持原有压气机叶轮直径不变，而调整叶轮的进出口尺寸参数或者采用新的叶片形状参数和进气端的结构设计，从而扩大流量范围和提高增压效率。但并不是说，流量越大越好，还取决于它与涡轮的合理匹配，要使增压器压气机、涡轮壳和发动机三者联合工作达到最佳状态。

e. 采用增压空空中冷技术。采用增压型的柴油机，在全速全负荷工作时，增压器的进气温度一般可达140℃以上，这对柴油机的动力性及热负荷十分不利，如果增加空空中冷，其进气温度可以控制在50℃左右，对提高发动机的性能和可靠性也十分有利。首先，进气温度的下降，可以大幅度降低发动机的热负荷和排气温度，据统计，进气温度每下降1℃，排气温度可下降2℃～3℃，这将明显降低增压器的涡前温度。此外，降低进气温度对改善缸内燃烧和减少排放也是大有裨益的，所以，条件允许情况下，在高原上采用空空中冷型增压柴油机也是一个方向。