高原隧道施工机械发动机功效试验研究

陈宏伟 柴海博

（中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006）

1 引言

随着我国建筑业逐步迈入现代化施工，工程机械因其施工速度快、效率高等特点代替了人工。但在使用过程中如何保证机械的使用效率一直是施工行业的一个共性问题，尤其是在海拔高、大气压力低、空气密度和含氧量低的高原地区［1］。高原隧道施工中所配备的大型机械多为内燃型，但在高原特殊的自然环境下，发动机因进氧量少而导致燃烧动力不足，从而使有效功率输出显著降低，导致在高原环境下机械利用率明显低于平原上的机械利用率。

基于以上原因，靳生盛［2］通过总结高原施工中的实测数据，探究了工程机械在高原环境下的运行可靠性，并由此制定了相应的预防措施。曹杰［3］等采用倒拖法研究了机油温度和转速对大功率柴油机的机械损失影响规律。朱永全［4］提出了一套在高原环境下大功率内燃机的功率保持技术。冯国盛［5］等以关角隧道为依托，进行了CO与烟雾尾气排放的试验研究。王勇［6］针对高原环境中工程机械利用率不高的情况，深入剖析其原因并提出了应对措施。李瑞发［7］等、董素荣［8］等针对高原地区油耗升高、功率下降等问题，建立高原环境适应性综合性评价模型，并对高原地区典型车用柴油机高原适应性进行评估。姜泽浩［9］等采用模拟试验台探究了海拔对涡轮增压柴油机性能的影响。王旭东［10］等以某型军用车辆柴油机为研究对象，模拟了4 500 m高原条件下该型号柴油机燃用军用柴油和掺混不同比例聚甲氧基二烷基醚型含氧燃料时的燃烧特性。林春城［11］等通过研究各种增压技术，提出二级可调增压技术为高原环境下的最优选择。崔文镇［12］依托祁连山隧道，选取和研制了几种适用于高原长大隧道的施工装备，实际应用效果较好。杨森森［13］通过大量实际调研，并依托高原特长隧道现场试验，与理论分析相结合，基于分析隧道快速施工影响因素，总结了高原长大隧道相关快速施工的方法。申智杰［14］通过总结青藏高原环境对施工机械性能的影响及相关高原施工适应性技术，提出了针对高原施工机械设备的选型思路。尹瑞［15］依托西部高原地区公路施工设备选型指南，从机械的工作能力、经济指标以及环境适应性等方面系统研究了在不同种类的机械组合下，海拔高度对施工机械生产率的一般影响规律，并最终提出了适宜该工程施工环境的机械设备配置。许先亮［16］以新关角隧道为依托，通过文献调研、模糊综合评价法、数学模型排队论法等，研究了高原长大隧道的施工机械设备配套和通风等技术问题。

虽然前人的研究成果很多，但对于施工机械发动机在高原环境下功效的变化规律尚无深入研究。基于此，本文将通过台架模拟试验法来研究不同转速、海拔高度和含氧量下发动机的功效变化规律。

2 试验设计

2.1 试验系统的搭建

发动机性能测试主要分为热力循环计算、实地台架试验法和台架模拟试验法三种。经过综合比选，最后确定采用台架模拟试验法。该方法的优势为：可在平原地区通过高原模拟试验系统来模拟高原环境，且试验具有可重复性。

（1）AVL发动机台架试验台

AVL试验台的主要组成部件为瞬态油耗仪和测功仪。试验台架示意图见图1。

图1 试验台架示意

（2）进气调控系统

基于试验目的和发动机的参数，优选FOTON公司的高原海拔试验舱。以海拔舱模拟高原隧道内的温度、压力等，以独立设计的进气调控系统来模拟发动机的进气系统。进气调控系统见图2。

图2 进气调控系统示意

2.2 参数标定

该试验所涉及的控制参数主要为发动机的转速、海拔高度和含氧量等，每一个参数的变化都会对试验结果的可靠性和准确性有非常显著的影响。其中转速和海拔高度可以通过测功机和海拔舱来进行精确控制，而含氧量则通过在进气口掺氮来实现。

2.3 试验工况及试验步骤

2.3.1 试验工况设置

为了全面系统地分析发动机的外特性指标（即发动机的油门全开时的特性）在平原环境和高原隧道内外环境下的变化规律，设置了如下对比试验：

（1）平原环境发动机外特性试验；

（2）高原环境发动机外特性试验；

（3）高原隧道环境发动机外特性试验。

2.3.2 试验步骤

平原环境下的发动机外特性测试步骤如下：

（1）首先将油门逐步提升至全开状态，并检查进气调控系统的状态、海拔舱的温度是否达到试验标准。

（2）所检查的各项指标达标后开始试验，在试验过程中保持发动机的转速恒定和油门全开，在转速由2 000 r/min调至900 r/min过程中，分别在发动机运转平稳时采集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时发动机的扭矩、功率和油耗等性能参数。

高原环境下，应首先关闭海拔舱，然后开启海拔调整模式，利用大功率抽气机将舱内的空气抽出，使舱内压力逐步调整至试验指定海拔所对应的大气压力，并且可以通过控制系统来对舱内压力进行实时监测，保证舱内压力维持在目标水平。之后的试验步骤与平原环境类似。

3 发动机外特性影响性分析

3.1 平原环境下发动机外特性分析

首先在平原环境下测试发动机的原始性能，令发动机开始工作时的转速超过2 000 r/min。试验结果如图3所示。

图3 平原环境下的发动机外特性曲线

从图3中可以看出，功率随发动机转速的提高而逐渐升高，大致分为1 600～2 000 r/min和900～1 600 r/min两段。在1 600～2 000 r/min高转速区间，功率上升较慢，上升幅度约为10 kW；在900～1 600 r/min低转速区间，功率上升较快，上升幅度约为62 kW。转速在2 000 r/min时为最大功率Pmax＝155 kW；当转速n＝1 600 r/min时，功率P＝145 kW；当转速n＝900 r/min时，功率下降至最小值Pmin＝80 kW。

随着转速升高，扭矩呈现先增后减的变化趋势。转速1 400 r/min时为峰值扭矩892 N·m，且在机械正常工作转速（900～1 600 r/min）保持较大输出效率。说明该发动机的整体性能比较优越，可以满足平原环境下的工作需求。

3.2 海拔对发动机外特性的影响

海拔变化导致的氧含量改变会显著影响发动机的动力性能。由图4可知，发动机的扭矩和功率都会随着海拔的升高而逐渐降低，且下降幅度与海拔上升高度表现为正相关。

图4 海拔高度对发动机外特性影响曲线

从图4a可以看出，峰值扭矩点维持在转速1 400 r/min处，且随海拔升高而逐渐降低。另外，随着海拔变化，高转速n＝2 000 r/min时对应的扭矩下降并不明显，从H＝0 m上升到H＝4 000 m高度，ΔT约为75 N·m，下降了10%；而在低转速n＝900 r/min时所对应的扭矩下降则较为明显，ΔT约为275 N·m，下降了32.4%，说明海拔对低转速下发动机的作业性能影响较大。

从图4b可以看出，海拔对不同转速下发动机功率的影响差异性较小。分析其原因，一方面是高海拔处大气压力下降、空气密度降低，从而使进气冲程所吸入发动机缸内的空气总量下降；另一方面，高原环境下氧含量降低导致燃烧所需氧气严重不足，燃烧状况恶化，进而表现为发动机动力不足。对于工程机械设备而言，由于恶劣的作业环境增大了机械作业阻力，致使发动机易产生过载掉速的现象。

3.3 隧道内外环境对发动机外特性的影响

通过在空气中掺氮来模拟高原环境下隧道内的含氧量。由图5可知，海拔4 000 m处，有无掺氮对发动机动力性能影响很明显。掺氮后，不同转速下发动机的功率下降7～20 kW，峰值扭矩降低了17.9%。由此可以看出，隧道内施工产生的粉尘等物质进一步导致氧含量较洞外更低，使发动机的燃烧效率更加恶化，动力输出进一步降低。

图5 有无掺氮对发动机动力性能影响曲线（H=4 000 m）

从图5可以看出，当转速超过1 500 r/min，其扭矩下降的幅度较之前有所降低，且掺氮使得发动机扭矩受高转速影响较小。

当工程机械失速时，一般通过减速增扭来提高发动机的扭矩输出，这在隧道外部（即无掺氮环境）是可以实现的，但在隧道内部（即有掺氮环境），由于扭矩在失速段随转速的变化较为平缓，减速并不能使扭矩实现大幅增长，故在高原隧道内机械作业时会出现无力感，需反复多次才能达到原来一次作业的效果，极大降低了工作效率。

3.4 油耗对比

对比不同环境下的发动机油耗（见图6），可以看出，在平原环境下转速的提高对发动机油耗的影响并不大，转速从900 r/min增长到2 000 r/min的过程中，发动机的燃油消耗率仅提高了28 g/（kW·h）；发动机在高原环境下的油耗明显高于平原环境，在各转速下普遍提升了至少50 g/（kW·h）；在高原隧道内，由于空气含氧量进一步降低，导致发动机燃烧效率更加恶化，油耗更高，但在发动机转速超过1 200 r/min时，燃油消耗率反而降低，这是因为在中、高等转速下发动机的指示热效率逐渐提高，因而高原环境下在隧道内外的燃油消耗随转速的提高而逐渐接近。由此可以说明，在高原隧道环境下，油耗上升会使发动机动力明显下降。

图6 不同环境下的发动机油耗对比曲线

4 结论

通过台架模拟试验法研究了不同转速、海拔高度和含氧量下发动机的功效变化规律，得出以下结论：

（1）随着发动机转速的提高，功率持续增大，而扭矩则呈现出先增后减的变化趋势，扭矩峰值出现在转速n＝1 400 r/min处。

（2）海拔变化导致的氧含量改变会显著影响发动机的动力性能。发动机的扭矩和功率都会随着海拔的升高而逐渐降低，且下降幅度与海拔上升高度表现为正相关。海拔从0 m上升到4 000 m过程中，高转速2 000 r/min时扭矩降低10%，低转速900 r/min时扭矩降低32.4%；海拔对各转速下发动机功率的影响程度差异不大。

（3）在海拔H＝4 000 m处，隧道内外不同环境对发动机的动力性能有显著的影响。相比隧道外，隧道内发动机的扭矩和功率均有降低，峰值扭矩下降了17.9%。

（4）高原环境会明显增大发动机的油耗，且在高原隧道环境下，油耗上升使发动机的动力下降较为明显。

（5）鉴于高原地区施工机械发动机功效有明显降低的现象，建议采用功率恢复型增压技术，通过增压供气以提升气缸充气密度，使缸内燃油燃烧充分，从而使发动机的功效、经济指标及热负荷指标恢复到低海拔标定水平。