高原环境对船用柴油机的影响及性能改善研究*

宁海强，王子辰，李文来，戴浩然

（陆军军事交通学院镇江校区，江苏镇江 212003）

0 引言

我国青藏高原地理位置敏感，与印度、阿富汗、巴基斯坦等国接壤，中印两国之间的界湖——班公湖属于高原内陆湖，全长约160 km，湖区面积约604 km2，湖面平均海拔4 242 m，平均水深22 m[1]。由于该湖处于高原高寒地区，大气压力和年平均气温低，昼夜温差及水蒸发量大、沸点低，这些恶劣的自然环境对航行于该湖区船艇的动力性能产生显著的影响：其主机运行时，低温起动性、可靠性、经济性、耐久性、热平衡性、动力性以及排放性能等指标都大幅度下降，具体表现在柴油机起动困难，冷却水易“开锅”导致冷却效果差、机体水套穴蚀，燃烧不充分导致动力性能下降等，使得船艇长期处于不良的技术状态，难以满足船艇在班公湖水域航行要求。本文作者主要从柴油机技术管理方面提出某船用D683B型柴油机在高原低氧高寒环境下性能提升方面的技术改进措施以及使用管理对策，有效提高高原船艇的机动性能和使用寿命，对我国边防安全和经济发展具有重要意义。

1 高原环境对船用柴油机性能的影响分析

随着海拔高度的变化，大气压力、空气密度、水沸点等指标也会随之变化，如表1所示。在海拔0～5 000 m范围内随着海拔的升高，大气压力、空气密度以及水沸点都呈现下降趋势[2]。

表1 海拔高度与大气压力、空气密度、水沸点的关系

1.1 高原环境对船用柴油起动性能的影响

根据柴油机工作原理，柴油机正常起动时需同时满足3个必要条件：一是起动转速达到规定转速，保证压缩终了时气缸内的温度达到柴油自燃点；二是适时进入气缸的足量的新鲜空气；三是定时、定量喷入气缸的雾化良好的燃油。D683型柴油机采用电起动，在高原寒冷环境下，蓄电池的工作能力会变弱。主要表现在输出功率下降、电池容量降低和端电压下降较快，不仅无法提供多次、长时间起动所需的能量，也会降低电池自身的工作寿命[3-4]。同时在低温条件下，柴油机起动转速会因为受到润滑油粘度以及柴油机各零部件之间的摩擦阻力增大的影响而下降。低温也使柴油的粘度有所增大，导致喷油雾化质量下降，燃烧不充分，滞燃期延长。同样，高原低压所导致的进气量不充足以及较低的进气温度也会使柴油机起动性能变差。

综上所述，在高原环境下，柴油机的起动性能受低气压和低气温等因素的影响，正常起动所需的条件难以满足，导致柴油机在高原环境下起动困难。

1.2 高原环境对船用柴油机冷却系统性能的影响

冷却液直接影响到柴油机冷却系统的性能，而冷却液的温度不仅与燃烧过程和传热损失密切相关，也间接影响着润滑油的温度、粘度及摩擦损失。在高原环境下，低压致使冷却液的沸点较之平原有所降低，容易出现液温还未达到使用要求时冷却液已经沸腾“开锅”的现象。以常用冷却介质蒸馏水为例，一般柴油机正常工作时冷却水的温度应在80～90℃左右，而在高原环境下，当海拔达到4 000 m时，冷却水的沸点仅有87℃左右，当海拔达到5 000 m时，冷却水的沸点更是降到84℃左右，如表1所示。即在平均海拔达到4 200 m的班公湖地区，船艇主机的冷却水极易沸腾，导致柴油机冷却系统性能下降，造成机体过热、受热零件冷却不足、机油变质、燃烧异常等。同时，沸腾的冷却水产生的大量气泡还会加重水泵叶轮、气缸套、缸盖等部件的表面穴蚀现象，致使整个柴油机性能下降，可靠性降低、使用寿命缩短。

1.3 高原环境对船用柴油机动力性能的影响

由于大气压力随着海拔高度的增加而下降，导致柴油机燃烧室内的充气密度下降，在一定的过量空气系数下进气含氧量明显降低，使得燃烧不完全、后燃现象严重、燃烧恶化、冒黑烟，气缸内爆发压力降低，功率下降，最终导致柴油机动力性、经济性下降，可靠性降低。此外，柴油机在高原环境下工作时各个系统又会相互影响：由于冷却系统性能变差，柴油机零部件长期处于过热状态；配气机构过热会改变柴油机的配气相位，从而影响柴油机的进排气，造成柴油机燃烧不良；燃油粘度变大，导致零化不良，后燃严重，排气温度升高等，加重了冷却系统的负担；冷却不良会使润滑油温度升高，粘度变低，润滑不良，从而也降低了柴油机的动力性和可靠性。

2 高原船用柴油机性能改善技术

针对高原环境对船用柴油机性能带来的不良影响，结合某高原巡逻艇用D683B型柴油机在使用时所面临的实际问题，从优化起动性能、改善冷却效果、提升动力性能3个方面提出有效的性能改善策略，以保证高原环境下船艇的安全航行。

2.1 柴油机起动性能优化

在高原环境下，柴油机受到低温、低压等因素的影响，进入气缸的空气量不足，燃烧室内的压缩空气也达不到起动所需要的压力和温度，柴油机起动性能较平原环境下大大降低，起动难度大。结合该巡逻艇特点，从超级电容并联蓄电池起动、加注冷启动液和使用预热装置3个方面开展研究[5-6]。

2.1.1 超级电容并联铅酸蓄电池起动

该巡逻艇上的D683B型柴油机大多采用铅酸蓄电池作为起动电源，在高原环境下由于受到低氧高寒条件的影响，蓄电池容量降低，压降变大，导致柴油机起动困难。超级电容是一种新型储能容器，其内阻很小，可以提供更大的瞬时电流、启动功率以及启动转矩，有着大电流快速充放电、寿命长、工作温度范围广的特性。铅酸蓄电池则可以长时间储存电能，能比超级电容多储存10倍以上的能量[7]。将超级电容与铅酸蓄电池并联起动，如图1所示，可以实现船用柴油机多次、快速起动。

起动前，铅酸蓄电池先对超级电容充电，待充电完成后将两者一起作为起动电源装置，闭合钥匙开关，接触器触头接通，起动瞬间在超级电容提供的瞬时大电流与铅酸蓄电池的共同作用下，起动电机得到更多的电能，保证柴油机起动转速达标。因此，结合巡逻艇机舱空间特点，采用超级电容并联铅酸蓄电池的起动方式，保证柴油机的起动转速，很大程度地提高柴油机在低温条件下的起动性能，解决了柴油机低温条件下起动困难的问题。

2.1.2 加注冷启动液

冷启动液是一种以乙醚或其它自燃点比较低的燃料作为基础而组成的特殊液体[5]。以乙醚启动液为例，其具有燃点低、挥发性好的自身特性，在3.2 MPa压力下燃点仅为57℃左右，可以帮助混合气体燃烧[8]。因此，在D683柴油机运转时，可以将一定量雾化良好的乙醚启动液喷射至空气滤清器的进气口处，如图2所示，通过增压器增压并经过进气道与新鲜空气充分混合后进入燃烧室，利用其低燃点特性助燃喷入气缸的柴油，从而提高柴油机低温起动性能。

2.1.3 使用预热装置

高原低温环境下，进入燃烧室空气温度较低，冷机状态下柴油机活塞环与缸套间配合间隙较大，燃烧室密封性下降，导致柴油机压缩终了时的温度难以达到柴油自燃温度。在柴油机进气歧管内安装进气预热装置，可以提高柴油机在压缩终了时刻缸内混合气温度，从而改善高原低温条件下船用柴油机起动性能。

该装置由预热塞、电磁阀、进油管、电子控制器、继电器、温度传感器、指示灯等元件组成。其线路图如图3所示。在起动柴油机之前，先将起动电钥匙转到ON档位，当指示灯DL亮，表示预热塞被加热。在接通电源对预热塞预热时，控制器开始计时，约50 s后预热程序完成。指示灯DL开始闪烁，表示预热完毕、可以起动柴油机。在完成预热程序后，控制器开始计时，若在30s内未进行起动操作或起动不成功，控制器控制预热装置停止工作，使装置得到延时保护。若需要再次起动柴油机，需将电钥匙退回到OFF档位，停留5 s后重复上述过程。当起动电机带动柴油机转动时，输油泵供油，柴油经电磁阀进入预热塞立即被炽热塞点燃，形成火焰，预热进气，使柴油机易于起动。

柴油机起动进入稳定运转后即可停止使用预热装置，以延长预热塞的寿命。只要将起动电钥匙转至OFF档位，预热装置即停止工作。这种预热进气的措施可靠性比较高，使用操作简单，可有效提升柴油机的低温起动性能。

2.2 改善船用柴油机冷却效果

2.2.1 冷却液改性

冷却系统是柴油机的重要组成部分，柴油机的冷却液通常由水和防冻液组成。与水相比，防冻液具有良好的防冻、防沸、防腐蚀、防水垢的功能。在标准大气压下，水的沸点是100℃，冰点是0℃，而配比良好的冷却液沸点可大于106℃，冰点达-25～-60℃。

当前我国在高原地区基本采用的防冻液是由水与乙二醇按一定比例混合而成的乙二醇-水型防冻液。乙二醇-水型防冻液具有冰点低、沸点高的优点，同时也存在膨胀系数大、腐蚀性强、有毒性的缺点。采用丙二醇型防冻液来代替乙二醇-水型防冻液，在保证良好的热传导性、高沸点低冰点的同时，在抗腐蚀性和毒性方面要远远优于乙二醇型防冻液，两种防冻液的特性对比如表2所示。

表2 乙二醇-水型冷却液和丙二醇-水型防冻液特性对比

因此，在高原使用的D683B型柴油机可以采用冷却液改性的方法，复配沸点高，冰点低且环保的冷却液，从而改善柴油机的冷却效果。

2.2.2 闭式冷却系统加压

高原环境下，柴油机冷却水的沸点随大气压力的降低而降低，不仅自身容易“开锅”，还会影响柴油机的散热，使柴油机冷却效果变差。船用D683B型柴油机采用闭式冷却系统，为提高冷却系统内部的压力，在一定程度上提高冷却水沸点，可对柴油机膨胀水箱进行加压，如图4所示。

图4 闭式冷却加压系统示意图

改进后的膨胀水箱内部装有一层气囊，气囊将水箱分割成气室和水室两个部分。从水箱顶部的充气口向气囊上部的气室内充入氮气，水泵从水舱抽水到气囊下部的水室，压力继电器控制水泵的启停。水箱左壁装有一个泄放阀，出水口位于水箱底部，水泵与水箱入水口之间装有一个单项截止阀，用来控制水单向流动。闭式冷却系统加压的工作原理为：向气室内充入一定量的氮气，同时向水室内注满冷却水（直至气囊与水室之间刚好没有空气）。设定压力继电器的调控压力值，当系统压力小于调控压力值时，压力继电器控制电机启动，水泵向水室内注水，水进入水室的同时挤压气囊上部的氮气，气室体积减小压力升高，冷却水受到压缩，沸点升高。当系统压力达到调控压力值时，压力继电器控制水泵停止抽水。当系统压力过高以至于超过膨胀水箱承受范围时，泄放阀开启，冷却水通过阀门排出，系统压力降低。这种闭式冷却系统加压的方法可以实现对冷却水的加压，以提高冷却水沸点，解决高原冷却水易“开锅”的问题，改善柴油机的冷却效果。

2.3 提升柴油机动力性能

2.3.1 空气滤清器选型

为防止杂物和灰尘被吸入气缸，D683B型船用柴油机进气道上均装有空气滤清器。空气滤清器有两个重要的指标，分别是原始阻力和原始滤清效率。原始阻力大小会直接影响柴油机进气量的大小，原始滤清效率则反映了空滤器的过滤灰尘能力[9]。原始滤清效率与原始阻力呈正相关。D683B型柴油机在班公湖运行时，受到低压和低空气密度的影响导致进气量不足，动力性能下降。由于班公湖地带海拔高，湖区空气非常干净，对原始滤清效率的要求并不高，所以可以通过降低原始阻力来提高进气量从而提高柴油机动力性能。滤芯的过滤面积直接影响原始阻力，可通过减小滤芯的折数、增大滤芯的孔径等方法来减小滤芯的过滤面积，进而使原始阻力降低，增大进气量，提升柴油机运行效率。

2.3.2 优化气门间隙

为补偿柴油机运行过程中气门受热后的膨胀量，确保气门能够正常地开启和关闭，当发动机冷态时通常在气门组和气门传动组之间预留一定的气门间隙。D683B型柴油机在平原地区使用时的最佳进气门间隙为0.3 mm，排气门间隙为0.5 mm。班公湖大气压力小、空气密度低，导致柴油机进气量较之平原有所减小。适当减小进气门的气门间隙，将其调至0.2～0.25 mm，可以实现进气门早开晚关，使开启持续角变大，进气时间变长，有利于增大循环氧气供应，提升柴油机动力性和经济性。

2.3.3 优化燃油系统

通过优化燃油系统，可实现船艇在班公湖区航行的动力性能，具体措施有：

（1）增大供油提前角。班公湖地区海拔高，较之平原D683B型柴油机在压缩终了时的温度和压力有所下降，滞燃期延长[10]。增大并调整喷油提前角至最佳值，这样压缩终了时气缸内的温度和压力得以增加，提高了柴油机的动力性能。增大供油提前角使缸内爆发压力和温度提升的同时要注意温度和压力不要超过柴油机设计的最大值，否则会使柴油机运转粗暴，零部件负荷加重，影响使用寿命。

（2）增大启喷压力。通过适度增加喷油器调压垫片的厚度来增大喷油器的启喷压力可提高柴油的雾化细度和均匀度，从而在一定程度上改善燃烧过程，提升燃烧质量，提升柴油机运行动力性以及经济性和可靠性。

（3）减小最大供油量，改进喷嘴。在调整柴油机不同喷油泵的最大供油量和匹配不同结构参数的喷嘴方面，适当减小喷油泵的最大供油量以及采用增大喷孔数量、减小喷孔孔径和减小喷雾锥角的喷油器可以改善燃烧，从而提高D683B型柴油机在班公湖高原条件下运行的可靠性和环保性。

由于船艇航行班公湖地区空气质量、海拔高度等环境条件变化不大，因此，上述提到的改变空滤器结构、调整气门间隙、优化燃油系统等提升动力性能措施在高海拔环境下均能够起到良好的效果，可以结合实际情况综合应用。

3 总结

本文作者针对性高原船用D683B型柴油机特点，结合我国班公湖区巡逻艇用柴油机使用管理时遇到的难题，分析高原环境给柴油机在起动性、冷却性和动力性等方面带来的不良影响，并提出改善柴油机性能的具体方法策略：

（1）在优化起动性能方面，提出超级电容并联铅酸蓄电池起动、加注冷启动液、使用预热装置3种冷起动辅助措施，降低高原低温、低压对柴油机起动带来的不良影响，提高柴油机在高原环境下的起动性能。

（2）在改善冷却效果方面，提出通过冷却液改性和闭式冷却系统加压的方法，提高冷却液的沸点，提升柴油机的冷却性能。

（3）在提升动力性能方面，主要立足进气和燃烧两个层面，提出空气滤清器选型、合理调整气门间隙和优化燃油系统等措施，结合高原环境下柴油机使用特点综合应用，实现柴油机动力性能的提升。