浅谈高原环境对柴油机的影响及改进措施

冯天星 陈萍 王国庆

摘 要：车辆在高原运行时，由于高原的特殊环境使其各方面性能指标受到很大影响。针对我国高原地区车辆柴油机使用现状，分析高原环境对柴油机造成的影响及危害，并提出相应的改进措施。

关键词：柴油机;高原性能;改进措施

我国新疆西藏地区的边防部队长期在高原驻守，演训，汽车和装甲车上高原后动力不足一直是个难题。本文主要论述高原环境对柴油机的影响，并对车辆在高原的适应性提出相应的改进措施。

1 高原地区气候环境特点

我国地域辽阔，而且地形复杂，其中高原面积占了国土面积的37%，是世界上高原面积最大的国家。青藏高原是我国最大的高原地区，其面积约250万km²，平均海拔超过4 000 m，被称为“世界屋脊”。

高原地区的地理条件和气候条件与平原大不相同，高原地区有着大气压力低、空气密度小、紫外线强、温度低、昼夜温差大、风沙大等特点，对柴油机的性能产生重大影响，研究显示，海拔高度每上升1 000 m，发动机功率约下降8%～10%，最低比油耗增加3%～4%，所以柴油机在高原的适应性直接影响着车辆的经济性、动力性、可靠性和耐久性，进而影响整车的运输效率和作业效率。

2 高原环境对柴油机性能的影响

西方国家高原面积较少且海拔较低，对柴油发动机在高原工作的相关问题研究较少，美国最高峰惠特尼山4 418 m，俄罗斯最高峰厄尔布鲁士峰5 600 m，自然他们就不会研制为高原作战而专门设计的装备。我国高原面积辽阔，工程建设和交通运输车辆经常变海拔工作，所以科研工作者围绕着发动机的高原适应问题进行了大量的研究。由于外界气压、气温和沙尘等条件的影响，导致存在以下几个问题：

2.1 低气温对柴油机的影响

随着海拔的升高，大气温度逐渐降低，致使柴油机粘度增加，起动阻力拒增大，燃油消耗率增加。海拔升高，温度随之降低，蓄电池内部化学反应变慢，内阻增大，端电压降低，导致放电率下降，致使启动力矩降低。并且燃油粘度增加，形成的混合气质量差，柴油机的燃烧会受到影响。

2.2 低气压对柴油机的影响

随着海拔的升高，大气压力下降，导致柴油机燃烧室气密度下降，过量空气系数降低，燃烧过程缓慢，热效率利用较低，导致柴油机排放量增加，动力性能下降。

另外“开锅”现象也是我们要注意的，一般柴油发动机冷却水的温度是在90℃左右，但随着海拔的升高，气压逐渐降低，冷却液的沸点也在逐渐降低，所以低气压的情况下极容易出现“开锅”，导致柴油机机体过热，燃烧异常，摩擦磨损加剧，进而使柴油机整体性能下降，甚至缩短使用寿命，所以有必要保持一定的冷却水温度。

2.3 沙尘对柴油机的影响

新疆西藏部分地区年降水稀少，空气干燥，蒸发量大，车辆行驶时尘土飞扬，此时空气中尘土含量可达15 g/m3，空气中灰尘较多，大量的颗粒就会在滤清器外表面上堆积，引起进气压力降低，充气量严重不足，造成发动机功率下降。长时间在此环境中工作会使沙尘进入到发动机内部，使发动机各机件磨损加剧，缩短使用寿命。另外，高原的强紫外线也会加速机组表面橡胶、塑料、油漆等高分子老化，龟裂。

3 改善柴油机高原适应性的主要措施

3.1 解决功率降低的措施

首先应根据不同的海拔环境，选用满足相应功率的柴油机。几种常用的改进方式如下：

3.1.1 高原增压技术

柴油机增压主要是通过提高进气密度来实现。根据增压方式不同，可分为机械增压、废气涡轮增压、氮气增压、电动增压、复合增压等。

3.1.2 优化柴油机的燃烧技术

高原地区由于海拔高，空气稀薄，气压降低，会使发动机进气不足，功率下降，燃料消耗增加。因此，要调整喷油泵，适当增加供油量，将供油提前角适当提前，有助于改善柴油机的经济性和动力性。通过以上措施，可缩短喷油时间，改善油束雾化及油束在燃烧室的分布，从而提高高原适应性。

针对机械泵柴油机，在高原运行时供油系统可作如下调整：（1）提高泵端压力，优化供油规律;（2）适量增加喷油器开启压力，提高雾化质量，一定程度上改善燃烧过程;（3）调整供油提前角，增加压缩终点温度。通过优化喷油定时，改善燃烧过程;（4）提高供油压力，增加喷油嘴的喷孔数，使燃油更好地雾化，有利于组织燃烧过程;（5）适当调整冒烟限制器（负校正装置），以适应高海拔下控制低速工况的要求;（6）适当调整油泵调速器正校正装置（扭矩凸轮），更有效地控制调试特性。

以上调整，需多项配合调整，并非单一项目调整，需由柴油机专业厂家操作。

3.1.3 电控高压共轨燃油喷射技术

电控高压共轨燃油喷射系统不仅能随海拔的变化实时调整喷油量、喷油提前角、喷油压力，而且可以调整喷油规律，是高原柴油机性能恢复的重要技术之一。

电控高压共轨燃油喷射系统的主要特点：ECU能根据柴油机工况和使用环境对喷油时刻（喷油提前角）、喷油脉宽（噴油量）、喷油压力以及喷油率（多次喷射）进行柔性控制，达到柴油机对喷油率和放热率的理想要求，提高柴油机工作性能。

3.2 冷却性能降低的解决措施

设计大容量水箱可满足高原散热量标准;根据风扇的压力曲线，选取合理的散热风扇;选用低开型节温器，满足温度较低时冷却系统的大循环散热;通过更换高压水箱盖（110 kp），提高水箱内的冷却液沸点，避免水的沸腾。

3.3 高原低温环境启动措施

影响柴油机启动的主要因素：环境温度、进气温度、压缩比和燃烧室形状、可燃混合气的数量和质量、柴油机的瞬时转速、残余废气成分和温度、漏气损失和传热损失。主要通过以下措施：

（1）冷启动液辅助启动。（2）电热塞辅助启动。（3）采用进气预热器，增加进气温度。（4）采用水加热器，升高冷却液温度，给机体加热。（5）增大蓄电池容量，提供充足电量，双机机组可将蓄电池并联使用。（6）蓄电池采用暖风加热器、加热膜等保温装置。（7）超级电容并联蓄电池。

3.4 高原沙漠环境主要解决措施

（1）根据油机厂家给出的温度功率曲线折损情况进行计算选型，加大水冷机组的水箱及风扇。

（2）借鉴工程机械的重度灰尘空气预过滤技术，对进气进行预过滤，最大程度地延长空气滤芯使用寿命，减少空气滤芯的更换，大大延长空气滤清器的维修间隔时间，降低运营成本。

3.5 高原紫外线防护措施

（1）裸露的导线和橡胶油管采用具有抗紫外线辐射性能的波纹管进行防护，增强其抗老化能力。

（2）机组其它裸露部件，在其表面喷涂具有抗紫外线辐射性能的面漆，提高发电机组的抗紫外线辐射能力，从而满足发电机组的抗紫外线要求。

4 总结

综上所述，随着海拔升高，柴油发动机组受到高原低温、低压、缺氧、紫外线等恶劣环境的影响，各方面性能均受影响。解决措施为：选择适应的柴油机型号，选用大功率柴油机或电喷柴油机;对所配套水箱、散热风扇及电气元器件等进行扩容设计;增加加热器等措施改善柴油发电机组启动性能。通过以上措施，可以有效提升柴油机的高原使用性能，提高我军一线部队的机动能力。

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