高原环境对装甲车辆动力系统性能影响机理研究

卢亚辉，张 晶，王微

（1.北京特种车辆研究所，北京 100072； 2.总装备部后勤部司令部，北京 100720）

引言

高原环境总体呈现降雨较少，空气干燥、稀薄，太阳辐射较强，气温较低等特点，加之地形复杂、交通不便的影响因素，对装甲车辆的动力性能产生较大影响。装甲车辆在高原地区使用易出现输出功率下降、燃油消耗量增加、起动困难等现象。某型装甲车辆在高原环境使用，加温起动使用频率明显高于平原地区，长期使用过程中多次出现发动机气缸垫烧蚀、拉缸等故障。这些问题一定程度上影响了装备的正常使用，制约了装备能力的发挥。

本文以理论计算为基础，结合典型装甲车辆高原环境试验数据，从动力及经济性、冷却效能和起动性能三方面，探索了高原环境对装甲车辆动力系统性能的影响机理，为分析解决装甲车辆高原环境使用中的实际问题提供支撑，在此基础上对开展装甲车辆动力系统高原环境适应性试验提出了建议。

1 对动力及经济性的影响机理

1.1 发动机功率

海拔升高，大气压力降低，影响了发动机缸内雾化和燃烧过程，造成缸内燃烧过程后移；同时大气温度降低，导致发动机的滞燃期增大；随着大气密度的降低，直接导致缸内平均有效压力下降，最终影响发动机输出功率。

对于四冲程发动机而言，发动机的有效功率与空气密度、充气系数、过量空气系数和机械效率等参数相关，即：

式中：ρ0—空气密度；l0—完全燃烧1kg燃料的理论空气量；Hu—燃料的低热值；Vh—气缸工作容积；i—气缸数目；ηv—充气系数；ηi—指示热效率；α—过量空气系数；ηm—机械效率；n—发动机转速。

在发动机结构指定的情况下，缸数和工作容积是一定的，燃料低热值及完全燃烧1kg燃料的理论空气量决定于燃料的成份，与海拨环境无关。因此，高原环境条件下，发动机的功率主要由以下几个参数决定：

1.1.1 指示热效率与过量空气系数的比值ηi/α

指示热效率ηi表示单位燃料量放出的热量转变为指示功的分量，而1/α则正比于进入气缸的燃料量，所以ηi/α即正比于一个循环中燃料转变为功的全部热量。

一般来说，柴油机在α=2.5～3.5时，ηi达最大值，此时燃烧最完全。当α从这一数值开始减小时，将使燃烧不完全，后燃也增加，ηi逐渐下降。反之，当α从这一数值再增大时，由于循环供油量小，雾化不良，又引起燃烧不完全，ηi又逐渐下降。

当大气压力下降，决定了进气压力pin下降，一方面，致使压缩行程终点的气体压力pe下降，导致着火延迟期τi变长，使缸内燃烧过程后移，指示热效率下降。同时，由于进气压力下降，导致压气机入口处空气密度的下降，使进入缸内的空气质量流量降低。由于此时的循环供油量仍保持不变，使缸内形成燃气混合过浓的情况，导致燃烧不完全，ηi逐渐下降，从而使发动机功率下降。

此外，大气压力下降，使缸内背压降低，燃油的雾化过程变坏，进而影响可燃混和气体的形成，也将使ηi下降，发动机功率下降。

1.1.2 空气密度

高原环境大气压力降低，空气密度ρ0下降，根据式（1）可知，发动机的有效功率也将降低。由于空气密度的变化，高原环境下进气量不足，导致缸内燃烧不完全，发动机无力并排黑烟。

1.1.3 充气系数

在忽略配气相位的影响下，可推导出充气系数为：

式中：

T0—大气温度；ΔT—进气温升；ε—压缩比；Δpa—进气过程的压力损失；Δpr—排气过程的压力损失；p0—大气压力。

大气压力p0下降，充气效率降低，则使发动机有效功率降低。而大气温度降低，会使充气系数降低，但在低温条件下，空气密度增大，虽然使进入气缸中的充量的相对量有所下降，但绝对量有所升高。因此，在低温条件下，应看低温引起的空气密度变化和充气系数变化的综合作用。

1.2 对废气涡轮增压器的影响

在废气涡轮增压发动机中，发动机排气提供的能量由涡轮转变为机械功，此功由压气机吸收，产生所需要的空气量及相应的增压压力。

发动机在低转速区由于流经涡轮的废气流量降低，使涡轮在低转速区提供的功率下降，而压气机消耗功率与涡轮提供功率相同。因此，低转速区压气机提供的增压后压力无明显改善，废气涡轮增压器在低转速区的补偿效果不明显。

当发动机正常运转后，由于高原环境使缸内燃烧后移，其排气能量要高于平原状态。另一方面，大气压力降低，使涡轮出口背压下降，涡轮补偿功率将进一步增大，使压气机后的增压压力提高，增大进气流量，使发动机的功率有所恢复。但由于燃烧后移，导致涡轮超高速运转，涡轮增压器的机械负荷增大。

1.3 发动机扭矩

高原环境条件通过直接影响发动机输出功率，使发动机的扭矩发生变化。同时对于带涡轮增压器的发动机而言，由于高原环境条件下发动机和涡轮增压器的联合运行特性曲线发生变化，发动机扭矩特性曲线也发生改变。发动机的功率与扭矩的关系为：

式中：M—扭矩；N—功率；n—发动机转速。

发动机的功率随着海拨高度的升高而降低，相应的其扭矩整体也同样随海拨升高而降低。对于废气涡轮增压器的发动机而言，在低转速区，由于大气压力和空气密度减小，缸内燃烧不完全，排出的废气能量较低，给涡轮提供的废气焓低，其补偿效果不明显。某型装甲车辆发动机模拟4500m高原外特性试验，标定点功率下降15%～20%，最大扭矩点向高转速区偏移。

1.4 燃油消耗量

一方面，大气密度下降，充气量降低，发动机指示热效率下降，比油耗升高。另一方面，由于高海拨条件下，发动机功率降低和冷却系统易出现过热现象，在使用中车辆常处于低挡位高转速状态，也使发动机的燃油消耗量增大。

图1为模拟环境台架试验曲线，海拔4500m时的比油耗曲线相对于平原状态总体为上升趋势。

高原环境实车试验表明：车辆各参数处于良好平衡状态正常行驶时，发动机转速主要保持在2100～2400r/min，发动机处于高转速区，燃油消耗量增大。

从以上分析可以得知：车辆在海拔4500米正常行驶时，一方面，由于空气密度下降，发动机的功率下降，为了获得适当的牵引力，发动机不得不增大喷油量以提高扭矩，从而使燃油消耗量增大；另一方面，发动机向高转速区偏移，燃油消耗率也较平原地区增大。废气涡轮增压的发动机尤其明显，为了获得更多的进气补偿，涡轮增压器需要获得更多的废气能量，为了保证进气补偿作用的发挥，发动机的转速将较平原高，这也将导致发动机的燃油消耗量增加。

2 对冷却效能的影响机理

2.1 对发动机热负荷的影响

根据发动机热平衡方程，单位时间供给发动机燃料所具有的热量分配情况可表示为：

式中：QT—供给发动机燃料具有的热量；Qe—转化为有效功的热量；Qc—冷却介质带走的热量；Qr—废气带走的热量；Qb—燃料不完全燃烧的热损失；Qs—余项损失。

图1 模拟高原环境台架试验曲线

对于采用机械加油齿杆的发动机而言，由于发动机每循环的喷油量与平原相同，则供给发动机燃料具有的热量是相同的。但转化为有效功的热量随海拨高度上升而降低，因此，冷却介质带走的热量和废气带走的热量都将上升。

大气压力的降低致使着火延迟期增大，在没有改变供油提前角的条件下，着火延迟期进入气缸的燃油量增大将使速燃期的混合燃气一旦燃烧，缸内温度急骤升高，增大发动机的热负荷。同时，由于大气密度的降低，使缸内出现不完全燃烧，未参与燃烧的燃油进入到缓燃期和后燃期，也将使发动机各零件的热负荷增大，发动机的热负荷增大，传递给冷却系统的热量将增大。

2.2 对冷却性能的影响

冷却水的沸点随大气压力的降低而降低，使冷却水带走的热量减少。同时，大气密度的下降，流经散热器的空气流量下降，使气流带走的热量减少，也将降低冷却系统性能。

假定发动机本体壁面温度分布均匀，则考虑发动机热辐射、发动机与外界环境的热交换，如图2则有：

其中发动机放热量Q由发动机转速和负荷决定，发动机给冷却水的传热Qint由下式确定：

发动机对外空气热交换由下式确定：

因此，当海拨高度上升，缸内燃烧温度升高，则发动机传递给散热器的热量Qint上升，发动机机体温度Twall将上升。

对于散热器而言，如图3：

图2 发动机缸套传热示意图

图3 散热器传热示意图

散热器温度由下式计算得到：

式中：h—对流换热系数；A—散热面积；ρ—散热器材料密度；V—散热器体积；

空气和冷却水流经散热器的对流换热系数由无量纲数求出：

式中：Nu为努塞尔数，Nu＝hl/k；Re为雷诺数，Nu＝ρul/u；Pr为普朗特数，Pr＝μCp/k。

由式（8）可知，想要带走Twall增加的温升，在不改变结构的基础上，冷却系统有两个方法，一是增加冷却系统进出口的温差ΔT，另一个是增大对流换热系数h。对流换热系数由式（9）求出，高海拨条件下雷诺数下降，导致努塞尔数下降，使对流换热系数下降。因此，在高原环境条件下，发动机传递给冷却系统的热量增加，最终将导致发动机进出冷却水的温差增大。装甲车辆在高原环境条件下使用，发动机的平衡水温高于平原地区。

3 对起动性能的影响机理

柴油发动机的起动主要是由起动力矩、起动阻力矩和着火这三个方面决定的，如图4所示。

一方面，随海拔升高，大气压力降低，压缩终了的混合气压力和温度无法达到着火条件。另一方面，空气稀薄，进入发动机缸内的空气质量降低，混合气体过浓，无法形成良好局部混合气体区域。此外，大气温度低，使旋转件间的润滑油粘度增大，发动机的起动阻力矩增大，影响发动机起动。同时起动蓄电池提供的起动力矩也会随大气温度降低而下降，加剧发动机起动困难。

图4 柴油机起动性的影响因素

外场试验表明：高原地区工作的柴油发动机，其进气压力降低，压缩终了的温度与压力降低，首次着火困难，高原环境条件使用时，部分柴油发动机必须进行加温后才能起动。某型装甲车辆环境适应性试验过程中，在环境温度20℃时，加温15min～30min，将水温加到70℃以上，正常起动发动机。

4 结论

1）高原环境气压和温度的综合作用，使进入气缸的气体状态较平原有很大的差异，致使发动机缸内燃烧过程恶化，导致功率下降、热负荷增大。对缸内燃烧过程的测试和计算分析是深入研究高原环境对动力系统性能影响的必要手段。

2）对于压燃式柴油机而言，高原环境条件下出现的起动困难的很大原因是由于进气状态恶化造成的。从改善着火条件的角度提升起动的成功率，应提高起动时缸内混合气体的质量及压缩终了的气体压力及温度。

3）应致力于开展高原条件下动力及其辅助系统各特征参数变化规律的实车试验，为深入开展高原环境对动力系统影响研究及环境适应性试验提供重要的数据支撑。

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