大气压力和冷却液温度对柴油机性能影响的试验研究

许翔, 刘刚, 周广猛, 董素荣, 刘瑞林

(军事交通学院军用车辆系, 天津 300161)

大气压力和冷却液温度对柴油机性能影响的试验研究

许翔, 刘刚, 周广猛, 董素荣, 刘瑞林

(军事交通学院军用车辆系, 天津 300161)

利用内燃机高海拔(低气压)模拟试验系统，研究了大气压力和冷却液温度对柴油机性能与燃烧特性的影响规律。试验结果表明：随着进气压力降低，柴油机最高燃烧压力下降，缸内平均温度大幅升高，燃烧始点推迟且持续期延长，后燃严重，燃烧过程未能及时释放热量，动力性能和燃料经济性下降明显；随着冷却液温度的升高，最高燃烧压力增大，燃烧始点提前且持续期略有延长，燃烧重心略微前移，燃烧放热率减小，且大气压力越低冷却液温度对柴油机燃烧过程的影响越明显。在高海拔(低气压)条件下，提高柴油机冷却液工作温度，可以明显减少冷却液散热量，提高柴油机的热-功转换效率，显著改善柴油机的高原动力性和经济性，同时柴油机热负荷升高幅度并不大。

柴油机； 高海拔； 冷却液温度

大气压力是影响柴油机综合性能指标的重要因素。随着海拔的升高，大气压力下降，空气密度以及空气中氧含量降低，柴油机在高海拔(低气压)环境条件下运行时，将出现燃烧过程恶化，动力性能显著下降，燃油消耗量增大，热负荷升高，排放恶化，可靠性降低等一系列问题，严重影响柴油机在高原地区的正常使用[1]。因此，柴油机的高原性能提升技术已成为人们研究的重点。目前的研究主要集中在柴油机高原性能仿真[2]、高原燃烧与排放特性分析[3-7]、喷油参数优化[8]、高原增压技术[9]以及各种综合改进技术[10]等，对柴油机在高原环境条件下冷却液工作温度对燃烧与放热、热-功转换效率以及燃油经济性等进行综合分析的文献较少。为了研究大气压力和冷却液温度对柴油机动力性能、经济性能以及燃烧放热等的影响，利用内燃机高海拔(低气压)模拟试验系统，研究了大气压力和冷却液温度对柴油机动力性、经济性和燃烧特性的影响，对于探索提高柴油机高原热效率、改善柴油机高原性能具有一定的指导意义。

1 试验方案设计

1.1 试验台架

试验对象为某重型电控高压共轨柴油机，其基本参数见表1。试验设备包括内燃机进排气压力与温度模拟系统、CW440电涡流测功机、CMFD瞬态油耗仪、LQY600冷却水恒温装置、ZL3000增压中冷恒温装置、AVL670燃烧分析仪等。内燃机进排气压力与温度模拟系统(大气压力控制范围为47～100 kPa，环境温度控制范围为-41 ℃至常温)可模拟0～6 000 m海拔的试验环境。冷却水恒温装置和增压中冷恒温装置控制精度为±2 K，保证柴油机进出水温度和中冷后进气温度基本恒定。燃烧分析仪用于储存和处理角标仪与缸压传感器采集到的数据，并且可以实现对缸压和燃烧放热率等的实时显示。试验台架布置见图1。

表1 柴油机基本参数

1—测功机; 2—柴油机; 3—真空泵; 4—排气稳压箱; 5—进气稳压箱; 6—电动蝶阀; 7—进气流量计; 8—水流量计; 9—水泵; 10—压气机; 11—涡轮机; 12—节温器; 13—冷却水恒温装置; 14—中冷恒温装置; 15—温度计; 16—控制采集系统。图1 试验台架布置

1.2 试验条件及方法

分别选取海拔4 m(大气压力为100 kPa)、海拔3 000 m(大气压力为70.7 kPa)、海拔5 000 m(大气压力为53.9 kPa)等3个模拟海拔高度进行柴油机速度特性试验，试验室环境温度为25 ℃，相对湿度为30%。在试验中，采用冷却水恒温装置和增压中冷恒温装置分别调节柴油机的冷却强度和进气中冷后温度，柴油机进口冷却液温度分别控制在50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃等5个温度水平，进气中冷后温度控制在(40±2) ℃。试验过程中，不同模拟海拔、相同工况条件下柴油机的喷油参数(喷油提前角、喷油脉宽、轨压)采用高海拔标定后参数。对于每个工况点的测试，需要保证柴油机进气和排气压力、冷却液温度和机油温度稳定后再开始记录数据。

2 试验结果与分析

2.1 大气压力对柴油机性能及燃烧的影响

在0 m海拔、3 000 m海拔和5 000 m海拔条件下柴油机扭矩和燃油消耗率对比见图2。柴油机油门开度为88%，进口冷却液温度控制在60 ℃。随着海拔的升高，柴油机的进气压力明显下降，柴油机进气量减少，使过量空气系数降低，混合气变浓，燃烧不充分，导致柴油机的输出扭矩降低，燃油消耗率增大。海拔从4 m升高至3 000 m和从3 000 m升高至5 000 m，扭矩平均下降4.4%和29.5%，燃油消耗率平均升高3.2%和5.5%。由此可见，当海拔高度超过3 000 m时，柴油机动力性和经济性下降非常明显。

图2 不同模拟海拔下柴油机动力性和经济性对比

表2示出柴油机在标定工况下，柴油机进口冷却液温度控制在80 ℃，不同海拔(大气压力)对应的燃烧过程参数。随着海拔的升高，进气压力和进气量同时减小，相同工况点最高燃烧压力从平原的11.84 MPa降低至5 000 m海拔时的9.82 MPa，下降17%。随着海拔的升高，燃烧始点推迟，燃烧重心和燃烧结束点明显推迟，燃烧持续期明显增加，5 000 m海拔时燃烧持续期比平原时延长了10 °曲轴转角，后燃现象十分严重。在满足柴油机最高燃烧压力和排温最高限值条件下，随着海拔的升高，应适当增大喷油提前角，减小喷油量，可以改善燃烧质量，提高柴油机的高原动力性和经济性[3]。

表2 不同海拔对应的燃烧过程参数

图3示出柴油机进口冷却液温度稳定在80 ℃，标定工况和最大扭矩工况下缸内压力随海拔高度的变化。随着海拔的升高，缸内压力显著降低。由于大气压力和空气密度随海拔升高明显降低，柴油机进气量减少，当每循环喷油量不变时空燃比和过量空气系数均减小，柴油机在压缩行程终点时缸内压力下降，混合气浓度增大，油气混合质量变差，燃烧着火时刻延迟，燃烧不充分使燃烧放热量减少，导致最高燃烧压力下降。在两种不同运行工况下，海拔5 000 m时缸压曲线在上止点附近均出现两个压力峰值，这意味着在高海拔条件下活塞运动到上止点之后部分燃料才开始着火、燃烧放热，使滞燃期延长，导致后燃现象非常严重[7]。

图3 海拔(大气压力)对缸内压力的影响

图4示出标定工况下柴油机缸内瞬时放热率和平均燃烧温度随海拔高度的变化。随着海拔升高滞燃期延长，在滞燃期内累积的可燃混合气增多，导致预混合燃烧阶段的燃烧速度和强度均增大，高温燃气进一步加快了扩散燃烧阶段的燃油蒸发速度，使得气缸内温度急剧上升。由图4可知，缸内瞬时放热率呈现从平原的“双峰”曲线向高海拔的“单峰”曲线转变的特点。随着海拔的升高，放热始点推迟，第1个放热率峰值略有推迟，而且峰值明显增大；当海拔达到3 000 m时，第2个放热率峰值已明显降低，5 000 m海拔时第2个峰值消失[12]。在平原条件下，柴油机在预混燃烧和扩散燃烧阶段均有放热峰值出现，但主要燃烧放热方式出现在扩散燃烧阶段。在高海拔条件下，由于柴油机进气压力和进气量均减小，当喷油参数保持不变时混合气形成质量变差，导致缸内燃烧状况恶化，燃油不能在上止点附近迅速燃烧，一部分燃油拖延到膨胀行程中继续燃烧，扩散燃烧阶段燃烧放热量明显减少，而且燃烧放出的热量得不到有效利用，导致柴油机的热-功转换效率明显下降。

图4 放热率及缸内温度随海拔的变化

2.2 冷却液温度对柴油机性能及燃烧的影响

图5示出标定工况、油门开度为75%，不同海拔下柴油机的扭矩和燃油消耗率随柴油机入口冷却液温度的变化。冷却液温度每升高10 ℃，柴油机的扭矩平均增加2.2%～3.4%，燃油消耗率平均下降1.8%～2.6%。随着冷却液温度的升高，缸内燃气和冷却液的温差减小，缸内燃气通过气缸壁面传递给冷却液的热量明显减少，使缸内能量分配以及整机热流量分配均发生变化，柴油机燃烧释放的总热量中转化为有效功的热量占比增加，同时燃油经济性也得到一定改善[13]。此外，试验数据表明，冷却液温度每上升10 ℃，排气温度平均上升5 ℃，排气温度升高幅值明显小于冷却液的温升。

图5 冷却液温度对扭矩和燃油消耗率的影响

表3示出标定工况下不同海拔及冷却液温度对应的缸内燃烧过程参数。在相同海拔下，当柴油机入口冷却液温度从50 ℃升高到90 ℃时，最高燃烧压力增大1.9%～2.8%，燃烧始点提前，燃烧持续期缩短1.4°～4.1°，燃烧重心略微前移。当冷却液温度较低时，传热损失大，着火延迟期较长即燃烧起始点对应曲轴转角滞后[14]。随着海拔的升高，冷却液温度对燃烧过程的影响更大。通过比较发现，海拔高度(大气压力)对柴油机燃烧特性的影响明显强于冷却液温度。

表3 海拔及冷却液温度对燃烧过程的影响

图6示出平原和海拔5 000 m条件下，柴油机最大扭矩工况时入口冷却液温度对瞬时放热率和缸内平均燃烧温度的影响。由图可知，冷却液温度对缸内燃烧温度的影响非常明显。随着海拔及冷却液温度的升高，柴油机缸内燃烧温度均不同程度升高，高海拔对缸内燃烧温度的影响比低海拔更明显。海拔越高冷却液温度对柴油机燃烧过程的影响越明显。随着冷却液温度的升高，在平原和高原环境条件下着火延迟期均缩短，燃烧放热始点提前，放热率峰值所对应的曲轴转角提前，但燃烧放热速率均有所降低。在平原条件下，随着冷却液温度的升高，预混合燃烧阶段放热率峰值略有下降，扩散燃烧阶段放热率峰值增大。

图6 放热率及缸内温度随冷却液温度的变化

3 结论

a) 随着海拔高度增加，柴油机的动力性和经济性显著下降，最高燃烧压力降低，燃烧始点略有延迟，燃烧重心推迟，燃烧持续期增大，后燃现象严重，缸内平均燃烧温度大幅升高；相对平原，海拔5 000 m时柴油机的扭矩平均下降32.5%，燃油消耗率平均升高8.8%；

b) 在相同海拔高度和柴油机工况点下，随着柴油机冷却液工作温度的升高，最高燃烧压力增大，燃烧始点提前，燃烧持续期延长，燃烧重心略微前移，缸内平均燃烧温度明显升高，燃烧放热率减小；

c) 冷却液温度每升高10 ℃，柴油机的输出扭矩平均增加2.2%～3.4%，燃油消耗率平均下降1.8%～2.6%，排气温度平均升高约5 ℃，柴油机热负荷升高幅度不大；在相同柴油机工况点，冷却液温度对柴油机性能和燃烧过程的影响程度随着海拔的增加而更加明显。

[1] 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,2013：1-25.

[2] 郭猛超，王宪成，袁善勇，等.高原环境车用柴油机与辅助系统耦合仿真[J].农业机械学报,2013,44(7)：17-22.

[3] 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,2012,30(3)：220-226.

[4] Linxiao Yu,Yunshan Ge,Jianwei Tan,et al.Experimental investigation of the impact of biodiesel on the combustion and emission characteristics of a heavy duty diesel engine at various altitudes[J].Fuel,2014,115(1):220-226.

[5] Benjumea P,Agudelo J,Agudelo A.Effect of altitude and palm oil biodiesel fueling on the performance and combustion characteristics of a HSDI diesel engine[J].Fuel，2009,88(4):725-731.

[6] Shen L,Yang Y,Lei J,et al.Study of performance and emissions of a turbocharged inter-cooling diesel engine at different altitudes[J].Trans CSICE，2006,24(3):250-255.

[7] 王旭东，熊春华，安高军，等.高原环境柴油机燃用聚醚型含氧燃料燃烧特性[J].内燃机学报,2015,33(5):407-412.

[8] 徐华平，石岩峰，张旭，等.某高原增压柴油机喷油提前角优化及性能研究[J].内燃机工程,2015,36(6):118-123.

[9] 李华雷，利奇，石磊，等.柴油机两级可调增压系统高原自适应控制策略[J].农业机械学报,2015,46(9):335-342.

[10] 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.

[11] 赵伟，葛蕴珊，陆红雨，等.电控共轨柴油机海拔特性仿真[J].汽车工程,2014,36(1):32-37.

[12] 高荣刚，李国岫，虞育松，等.高原环境对柴油机燃烧过程影响的仿真研究[J].兵工学报,2012,33(12):1448-1454.

[13] 高思远，赵长禄，李云龙，等.冷却液温度对柴油机热功转换效率的影响[J].农业机械学报,2012,43(3):28-32.

[14] 苏岩，刘忠长，许允，等.冷却液温度对柴油机起动首循环燃烧的影响[J].内燃机学报,2007,25(3):202-207.

[编辑: 李建新]

Effects of Ambient Pressure and Coolant Temperature on Diesel Engine Performance

XU Xiang, LIU Gang, ZHOU Guangmeng, DONG Surong, LIU Ruilin

(Department of Military Vehicle, Military Transportation Institute, Tianjin 300161, China)

The effects of ambient pressure and coolant temperature on the performance and combustion characteristics of diesel engine were studied on the engine test bed of simulating high altitude (low pressure). The results indicate that the maximum combustion pressure decreases, the in-cylinder temperature increases greatly, the ignition timing delays and the combustion duration extends accompanied with severe post combustion, and the power and economy performance declines obviously because the combustion heat cannot release in time. With the increase of coolant temperature, the maximum combustion pressure increases, the ignition timing advances, the combustion duration extends slightly, the combustion center shifts forward and the heat release rate decreases. Moreover, the influence of coolant temperature on combustion is more obvious especially at low air pressure. Under the high altitude (low pressure) condition, increasing coolant temperature can reduce the heat release of coolant and increase the heat-work conversion efficiency, and the plateau power and economy performance of diesel engine improve greatly meanwhile without a high thermal load.

diesel engine; high altitude; coolant temperature

2016-12-03;

2017-04-26

军队科研项目(ZL2012500)

许翔(1978—)，男，博士,讲师,主要研究方向为车用发动机环境适应性技术;xu1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.002

TK427

B

1001-2222(2017)04-0006-05