高原地区车辆柴油机使用状况实车测试分析

何 星， 王宪成， 李若亭， 孙志新， 李 奇

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

高原地区特殊的气候环境和路面状况，对车辆柴油机的使用造成了严重影响，导致柴油机出现启动困难、功率下降、燃油消耗量增加及热负荷加剧等问题，使得车辆机动性显著下降。目前，国内学者主要采用数值仿真与环境台架模拟试验相结合的方法开展柴油机高原地区环境影响分析及改进技术研究[1-4]。由于测试参数体系不全、实车不解体检测困难，缺乏高原实车测试数据等，无法全面分析及评价高原地区车辆柴油机的实际使用状况。因此，针对某重型车辆柴油机高原地区使用现况，笔者立足于柴油机及其辅助系统结构和实车不解体测试原则，采用模块化思想设计出车了载监测系统，结合高原地区车辆实际训练任务剖面，对柴油机及其辅助系统的运行状态参数进行实车检测，以此掌握车辆柴油机技术状况变化规律和柴油机使用工况特点，为车辆柴油机高原环境影响分析及使用规范制定提供技术手段。

1 高原环境对柴油机影响分析

1.1 柴油机进气量减少

高原地区大气压力低，空气密度小，柴油机进气量少，造成缸内燃气燃烧不充分，燃烧持续时间长，后燃严重，经常出现“冒黑烟”现象，使得冷却液和润滑油温度偏高，柴油机的动力性和经济性降低明显，排放恶化。

1.2 冷却液沸点降低

随着大气压力不断降低，在膨胀水箱的蒸汽活门开启压力不变的情况下，大气压力的降低导致冷却系压力降低，冷却液沸点降低，车辆在高原地区行驶过程中，冷却系统极易出现“开锅”的现象，导致车辆无法长时间持续工作而需及时停车降温，车辆机动性及可靠性降低。

1.3 冷却空气质量流量降低

车辆在高原地区行驶，空气的体积流量与风扇的转速成正比，由于高原大气密度的减小使得冷却空气质量流量下降，导致水散热器与空气间的对流换热减少，柴油机本体及冷却系统热负荷加剧。

2 车载监测系统设计

2.1 测试参数体系建立

车辆柴油机技术状况车载监测系统，主要用于在车辆行驶过程中对柴油机使用工况和辅助系统技术状况参数进行测试。由于实车技术状况测试参数众多，为避免众多传感器与主机之间连接线的错综复杂，提高测试系统的抗干扰能力，在此采用模块化的设计思想，根据测试参数性质及其相应传感器安装的位置[5-6]，将测试参数体系分成数个小测试单元，在每个单元内，对传感器信号进行整理、滤波及A/D转换后，通过通讯总线将数据传输至主机显示并存储，监测系统参数体系如图1所示。

图1 车载监测参数体系

2.2 车载监测系统结构

车载监测系统由主机、4个测试单元、传感器及连接线等组成，测试单元为油品单元、驾驶舱单元和2个动力舱单元，监测中不需要人员操作并可实时记录数据。主机是车载监测系统的核心，负责所有数据的收集、显示、整理和存储，由嵌入式主板、触摸屏、固态硬盘、电源模块、连接线及壳体组成。通过模拟实车输出电压信号对车载监测系统进行了标定，误差小于1%，主要传感器型号、测点及量程如表1所示，实车安装位置如图2所示。

表1 实车测试参数及传感器

图2 监测系统及在实车上的安装

2.3 系统软件设计

车载监测系统应用程序设计分为3个主要功能模块，即系统自检、状态监测和数据处理模块。系统自检模块主要负责在程序启动时，检查系统软硬件自身状态，并提示故障；状态监测模块主要负责在车辆工作时，通过数据采集卡等硬件设备实时监测动力装置相关参数，将其状态监测信息显示在屏幕上；状态数据处理模块主要完成数据的采集、计算、存储以及与信息平台的信息交互。

主机首先对系统进行初始化，然后进行自检，主要判断各模块单元中传感器的安装是否正确，并标记出现错误的通道及其相对应的检测项目，再判断转速是否大于500 r/min，若条件成立，则进入状态监测阶段，主机循环与各单元模块进行通讯，读取各模块采集到的数据，并显示、存储。

3 高原实车测试结果与分析

3.1 试验条件及要求

采用车载监测系统开展高原地区车辆柴油机原地空转试验和车辆行驶试验，试验场地大气压力为58.92 kPa，大气温度为25.3 ℃，选取的车辆、场地及驾驶员具体情况如下：

1) 参试车辆技术状况良好，各仪表指示正常，柴油、润滑油及冷却液等符合要求，试验场地为西藏某地区，平均海拔高度为4 500 m，路面均为土路，坡度变化缓慢，利于车辆通行；

2) 车辆行驶跑道为椭圆形，全长约3 km，跑道内有土岭、连续弯道、限制路、上下坡以及平直路段；

3) 由5名驾驶员开展车辆行驶试验，通过车载监测系统对柴油机技术状况参数进行实车采集，采样频率为5 Hz；

4)要求驾驶员在行驶过程中合理使用挡位，确保柴油机水温、油温在70～90 ℃之间，油压不能达到报警值，否则应停车检查调整。

3.2 测试数据分析

3.2.1 原地空转测试数据分析

按要求启动柴油机后(水温≥50 ℃，油温≥50 ℃)，稳定柴油机转速为600 r/min，保持变速箱挡位为空挡，每增加200 r/min进行一组测试，每组测试时间为1 min，直到额定转速2 000 r/min，测试结果如图3所示。

图3 柴油机原地空转测试数据

由图3可知：柴油机转速从600 r/min增加到2 000 r/min的过程中，燃油消耗量不断升高，最大值为34.19 kg/h，相比平原地区增加了45.6%，柴油机经济性差；水温和油温变化不大，分别稳定在57 ℃和66 ℃左右；油压呈现出先增加后减少的变化规律，最大值为0.69 MPa，相比平原地区下降了30%，最小值为0.47 MPa，相比平原地区下降了20%，柴油机油压偏低；涡前温度不断增加，最高为199.33 ℃；压气机前压力则不断降低，最小值为56.33 kPa；压气机后压力和增压压比不断增加，最大值分别为61.89 kPa和1.10，当转速低于1 400 r/min时，由于低转速负荷小及高原进气量少的原因，导致压比小于1，涡轮增压器的增压效果差。

3.2.2 行驶过程测试数据分析

根据道路驾驶要求，驾驶员依地形、车况合理驾驶车辆并应在一定时间限制内完成，确保车辆良好机动性能的发挥。其测试结果如图4所示。

在图4(a)中，车辆行驶过程中平均速度为12.06 km/h，行驶时间为14.91 min。前6 min主要行驶缓上坡路面，部分路面具有大小不同的坑洼，车速、转速和燃油消耗量变化剧烈，转速主要位于1 000～2 000 r/min，车速分布在10～20 km/h之间，燃油消耗量为10～70 kg/h；在第6～10 min，车辆行驶在下坡路面，车速、转速和燃油消耗量相对较高，最高车速为38.6 km/h，燃油消耗为87.6 kg/h，转速为1 900 r/min；第10 min之后车辆主要行驶在土岭、连续弯道、限制路等路段，车速、转速和燃油消耗量较小，车速分布于0～6 km/h，转速保持在1 000 r/min，燃油消耗量为10～25 kg/h。

图4 行驶过程测试数据

在图4(b)中，水温、油温随着时间呈现出先增加后减小的趋势，水温保持在70～93 ℃，油温分布于78～92 ℃，符合车辆使用要求。油压随发动机转速的变化而不断变化，总体处于较低水平，且随着油温的升高，油压不断降低，前5 min主要分布在0.5～0.59 MPa，之后随着油温的升高下降明显，位于0.42～0.53 MPa之间，平均油压为0.49 MPa，不能满足车辆柴油机的正常行驶的要求(0.6～1.0 MPa)，造成柴油机各摩擦副润滑不良、热负荷加剧。

在图4(c)中，进排气系统中空滤后压力、压气机前压力、压气机后压力和涡前压力随车辆运行而处于波动状态中，随着车辆使用工况(转速、燃油消耗量)强度的增加，空滤后压力和压气机前压力不断减小，主要分布在56.3～58.4 kPa和53.9～58.3 kPa之间，而压气机后压力和涡前压力则不断升高，分布于56～89.1 kPa和60～89.8 kPa之间。通过计算得出空气滤清器阻力分布于0.76～2.68 kPa之间，增压器压比位于0.97～1.65之间，第10 min后车辆在小负荷工况下，废气涡轮增压器增压作用不明显，反而阻碍柴油机的进气流动。

在图4(d)中，进排气系统中压前温度、压后温度、动力舱温度、涡前温度和涡后壁面温度随着车辆使用工况强度增加而升高，其中动力舱温度、压后温度和涡前温度变化比较明显，各参数值分别位于26.9～32.2 ℃、33.8～52.2 ℃和149～639.5 ℃之间，而压后温度和涡后壁面温度变化较缓慢，主要分布于22.5～26.3 ℃和151.3～233.8 ℃。

3.2.3 车辆柴油机使用状态参数统计分析

车辆柴油机使用状态参数是指在仪表盘上显示且能够反映出当前车辆柴油机运行状态的指标，一般包括：柴油机转速、水温、油温、油压、燃油消耗量等。通过对5组测试数据的统计，车辆柴油机使用状态参数的平均值分别为：水温81.78 ℃，油温83.60 ℃，油压0.49 MPa，柴油机转速1 568.87 r/min，燃油消耗量48.46 kg/h。车辆行驶过程中柴油机水温和油温，符合正常行驶要求，平均油压低于0.5 MPa，油压偏低，其主要是由于高原地区柴油机曲轴箱内平均压力低，润滑系内容易出现机油泡沫且机油泵进口压力低，导致机油泵出口油压偏低，影响柴油机的正常使用。柴油机转速平均值低于平原地区，而平均燃油消耗量相比平原地区则更高。

在实车测试中，柴油机使用工况(转速、燃油消耗量)不断变化，为便于测试数据统计及工况分布分析，将转速按200 r/min、燃油消耗量按外特性的10%进行工作区域划分，使用工况平均分布如图5所示。

图5 使用工况平均分布图

由图5可知：车辆行驶过程中柴油机转速分布很少低于800 r/min，比例低于2%，燃油消耗量分布高于81.84 kg/h(60%外特性)的比例低于4.7%。柴油机转速主要分布在1 200～2 000 r/min之间，占80.13%，燃油消耗量集中于27.28(20%外特性)～81.84 kg/h，占73.78%，柴油机使用工况点主要分布于中、高转速和中、低燃油消耗量的工作区域，其中转速1 800～2 000 r/min和燃油消耗量68.2(50%外特性)～81.84 kg/h工作区域内使用工况点数量最多，为11.97%。

4 结论

为改善高原地区车辆柴油机进气不足、排气温度高、油压偏低和燃油消耗量高等使用状况，可针对高原用的车辆柴油机供油系统、燃烧系统、润滑系统、进排气系统及冷却系统整体或关键部件开展改进性研究，提高柴油机高原环境适应能力。

参考文献：

[1] 靳嵘,张俊跃,胡力峰,等. 高原自适应柴油机涡轮增压技术研究[J].内燃机工程,2011,32(8):27-31.

[2] 施新,李文祥.匹配二级顺序增压系统的柴油机高原特性仿真[J].兵工学报,2011,32(4):397-402.

[3] 王宪成,郭猛超,张晶,等. 高原环境重型车用柴油机热负荷性能分析[J].内燃机工程,2012,33(1):49-53.

[4] 李华雷,石磊,邓康耀,等.D6114柴油机高海拔功率恢复计算研究[J].车用发动机,2013,207(4):29-35.

[5] 麻伟忠,黄志瑛.某型装甲车动态信息检测记录仪[J].测控技术,2003(1):12-14.

[6] 王宪成,张根良,和穆,等.车用柴油机技术状态数据实时采集系统设计[J].车用发动机,2011(4):23-26.