轻型涡轮增压柴油机高海拔性能试验

刘瑞林，周 磊，刘 楠，周广猛，张众杰，张文建

(1.军事交通学院军用车辆系，天津300161;2.军事交通学院研究生管理大队，天津300161;3.海军工程大学动力工程学院，武汉430033)

我国高原地区占地面积广，具有大气压力低、空气含氧量少、昼夜温差大、平均气温低等特点，军用车辆柴油机在使用过程中会出现动力性下降、经济性变差、启动困难、冷却系统散热效率低、排放恶化等问题［1－7］。

研究高海拔地区大气条件对柴油机性能的影响，是开展军用车辆高原环境适应性研究的基础和前提，为改善柴油机燃烧过程、降低燃油消耗和排放污染以及开发设计适合高原地区使用的高原型柴油机提供参考依据［8－11］。该研究对于我军发展新一代适用高原战场环境的机动平台、改进现役车型的高原环境适应性、提高车辆装备高原战场环境条件下的机动作战和保障能力具有重要意义。

本文利用自行研制的内燃机高海拔(低气压)模拟试验台［12－13］，对某涡轮增压柴油机在0～5 000 m不同海拔高度时的动力性和经济性进行试验研究，分析海拔高度对柴油机性能的影响，得出柴油机动力性、经济性随海拔的变化规律。

1 试验装置及方法

试验在内燃机高海拔(低气压)模拟试验台上进行。该模拟试验台主要由测功机、控制系统、进排气模拟系统，以及压力、转速、温度、流量等传感器组成，可以模拟海拔0～6 000 m、－45℃ ～常温范围内的大气压力和温度。该试验利用进气节流、真空泵排气抽真空的方式实现内燃机进排气不同海拔大气压力的模拟，利用自动控制系统实现进排气压力的调节。试验用柴油机主要技术参数见表1。

表1 柴油机主要技术参数

涡轮增压柴油机性能模拟试验选择最高模拟海拔5 000 m，同时选择0、1 000、2 000、3 000、4 000 m其他5个不同海拔，可基本覆盖我国绝大部分公路海拔高度。模拟试验研究涡轮增压柴油机全负荷速度特性，并分别研究1 500 r/min和2 700 r/min转速下的部分负荷特性。试验中测量进气流量、转矩、燃油消耗量、排气温度等参数。

2 试验结果与分析

2.1 高海拔对柴油机动力性的影响

随着海拔升高，大气压力下降，空气密度降低，柴油机进气量减少，导致燃烧过程恶化，直接影响柴油机的动力性能。图1为不同海拔涡轮增压柴油机全负荷速度特性曲线。

图1 柴油机不同海拔全负荷速度特性曲线

可以看出，随着海拔升高，柴油机的转矩和功率均下降，且具有以下特点。

(1)柴油机最大转矩、额定功率随海拔升高而下降。海拔5 000 m与0 m相比，最大转矩降低13.0%，额定功率降低18.1%。

海拔高度的变化对柴油机的动力性影响较大，主要是因为:随着海拔升高，大气压力降低，增压压力降低，导致进气量减少(如图2所示);同时，为了防止涡轮在高原超温、超速，需要减小循环喷油量，进气量和循环喷油量的同时降低也导致柴油机动力性明显下降。

图2 不同海拔进气流量随转速变化关系

(2)不同转速下柴油机功率与转矩随海拔高度不同下降幅度不同。当转速为1 000 r/min时，海拔5 000 m相对于海拔0 m功率和转矩下降32.6%;当转速为2 700 r/min时，海拔5 000 m相对于海拔0 m功率和转矩下降18.1%。

海拔高度对涡轮增压柴油机不同转速动力性能的影响不同，主要是因为:随着海拔升高，尽管大气密度降低导致柴油机进气量减少，但同时涡轮背压也随之降低，膨胀比增加，使涡轮增压器做功能力相对提高，起到了空气补偿的作用。在高转速时，涡轮增压补偿效果好，而在低转速时，柴油机废气能量不足，涡轮增压器工作能力迅速下降，因而柴油机动力性能下降迅速。

(3)柴油机最大转矩随海拔升高呈现不同的下降规律，最大转矩对应转速随海拔升高逐渐向高速区移动(如图3所示)。海拔低于2 000 m时，最大转矩下降幅度较小，每升高1 000 m，最大转矩平均下降2.5%;海拔超过2 000 m，最大转矩呈线性下降，每升高1 000 m，最大转矩平均下降4.8%。最大转矩对应转速由海拔0 m时的1 400 r/min升高到海拔5 000 m时的1 800 r/min。

图3 最大转矩、最低燃油消耗率及其对应转速随海拔变化关系

(4)柴油机转矩适应性系数KT、转速适应性系数Kn和发动机适应性系数φtqn随海拔升高而下降。如图4所示，海拔低于2 000 m时，各系数下降幅度较小，海拔每升高1 000 m，柴油机转矩适应性系数平均下降0.2%，转速适应性系数平均下降3.3%，发动机适应性系数平均下降3.5%;海拔超过2 000 m，各系数下降幅度增大，海拔每升高1 000 m，柴油机转矩适应性系数平均下降2.1%，转速适应性系数平均下降7.4%，发动机适应性系数平均下降9%。

图4 柴油机适应性系数随海拔变化关系

这是因为:随着海拔的升高，柴油机外特性最大转矩转速随海拔升高而向高转速区偏移(如图4所示)，导致Kn下降;海拔高度增加，柴油机最大输出转矩和标定转速对应的转矩同时减小(海拔5 000 m与平原相比，最大输出转矩平均下降18.1%，标定转矩下降13.6%)，使柴油机转矩适应性系数KT下降幅度较小;KT与Kn随海拔的升高下降导致φtqn下降幅度显著。

2.2 高海拔对柴油机经济性的影响

(1)在全负荷速度特性中，柴油机燃油消耗率随海拔升高而增加(如图1所示)，在低转速区增加幅度明显，平均增加幅度达到17%左右;海拔越高，柴油机经济工作区越窄;同时，达到最低燃油消耗率时的转速随海拔的升高向高转速区移动，由平原的1 600 r/min升高到海拔5 000 m的2 200 r/min。海拔5 000 m与0 m相比，最低燃油消耗率增加10.8%。

(2)图5(a)为最大转矩转速(1 500 r/min)时柴油机不同海拔的负荷特性曲线。可以看出，柴油机排气温度、燃油消耗量以及燃油消耗率随海拔升高而增加，在高负荷区较低负荷增加幅度明显;同时，柴油机经济工作区随海拔的升高而变窄，4 000 m海拔与0 m海拔相比，最低燃油消耗率增加7.1%，排气温度平均升高约6.0% ～11.0%。

图5(b)为额定转速(2 700 r/min)的负荷特性曲线。可以看出，柴油机燃油消耗量、燃油消耗率随海拔升高而增加，海拔4 000 m与0 m相比，最低燃油消耗率增加11.8%。

海拔高度的变化对柴油机的经济性影响明显，这是因为:燃油消耗量基本保持不变，大气压力下降，空气密度降低，进气量减少，必然导致柴油机燃烧过程恶化，有效热效率下降，故燃油消耗率随海拔的升高而增加。

图5 柴油机不同海拔负荷特性曲线

3 结论

(1)随着海拔升高，柴油机的动力性和经济性逐渐下降，且低速区动力性和经济性下降幅度大于高速区。海拔5 000 m与海拔0 m相比，最大转矩、额定功率分别降低13.0%、18.1%，最低燃油消耗率增加10.8%;低速(1 000 r/min)时，转矩和功率下降32.6%，燃油消耗率增加29.8%，高速(2 700 r/min)时，转矩和功率下降18.1%，燃油消耗率增加8.9%。

(2)柴油机最大转矩随海拔升高呈现不同的下降规律，最大转矩对应转速随海拔升高逐渐向高速区移动。海拔低于2 000 m时，最大转矩下降幅度较小，海拔每升高1 000 m，最大转矩平均下降2.5%;海拔超过2 000 m，最大转矩呈线性下降，海拔每升高1 000 m，最大转矩平均下降4.8%。最大转矩对应转速由海拔0 m时的1 400 r/min升高到海拔5 000 m时的1 800 r/min。

(3)柴油机转矩适应性系数、转速适应性系数和发动机适应性系数随海拔升高而下降，且呈现不同的变化规律。海拔低于2000 m时，各系数下降幅度较小，海拔每升高1 000 m，柴油机转矩适应性系数平均下降0.2%，转速适应性系数平均下降3.3%，发动机适应性系数平均下降3.5%;海拔超过2 000 m，各系数下降幅度增大，海拔每升高1000 m，柴油机转矩适应性系数平均下降2.1%，转速适应性系数平均下降7.4%，发动机适应性系数平均下降9%。

(4)最低燃油消耗率对应的转速随海拔升高逐渐向高转速区移动，由海拔0 m的1 600 r/min升高到海拔5 000 m的2 200 r/min。随海拔升高，柴油机经济工作区逐渐变窄。

［1］ 刘瑞林，刘宏威，秦德.涡轮增压柴油机高海拔(低气压)性能试验研究［J］.内燃机学报，2003，21(3):213-216.

［2］ Shen Lizhong.Combustion process of diesel engine sat regions with different altitude［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，1995，950857.

［3］ Human David M，Cullman Terry L，Baines Thomas M.Simulation of high altitude effects on heavy-duty diesel emissions［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，1990，900883.

［4］ 叶林保，杨林，高志宏.汽车用涡轮增压柴油机高原性能研究［J］.现代车用动力，2006(1):39-43.

［5］ 申立中，沈颖刚，毕玉华，等.不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程［J］.内燃机学报，2002，20(1):49-52.

［6］ 周广猛，刘瑞林，刘伍权，等.高压共轨柴油机高海拔部分负荷燃烧特性［J］.燃烧科学与技术，2014(2):147-151.

［7］ 王宪成，郭猛超，和穆，等.高原环境大功率柴油机性能综合改进技术研究［J］.内燃机工程，2014，35(2):113-118.

［8］ 周广猛，刘瑞林，董素荣，等.高压共轨柴油机高海拔(低气压)燃烧特性［J］.内燃机学报，2012(3):220-226.

［9］ 刘瑞林，周广猛，许翔，等.SOFIM电控共轨柴油机高海拔性能模拟［J］.燃烧科学与技术，2010(4):303-308.

［10］ 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.

［11］ 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究［M］.北京:北京理工大学出版社，2013:97-149.

［12］ 刘瑞林，刘宏威.内燃机高海拔(低气压)模拟试验台研制［J］.军事交通学院学报，2003，5(1):43-46.

［13］ 刘瑞林，内燃机特性低压模拟试验台:中国，ZL02104207.1［P］.2012-09-26.