某重型柴油机高原性能试验

李海庆，殷海红，姜文革，房瑞雪

（1.潍坊职业学院机电工程学院，山东 潍坊 262737；2.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；3.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

0 引言

随着西部大开发的日益深入，西部地区对中、重型车辆的需求量逐年递增，汽车保有量在4500 万辆以上。高原地区空气稀薄、大气压力低，发动机在高原地区运行时进气量不足，会导致柴油机动力性下降、经济性升高等问题，也会导致发动机排温高、增压器超速等安全性问题[1-3]。为了确保发动机在高原地区运行的安全，同时也为了研究高原地区对发动机动力性、经济性的影响趋势，潍柴动力股份有限公司引进了发动机移动试验台架，可以在高原上做台架试验，采集大量的高原试验数据，分析发动机的高原性能，在保证发动机安全运行的前提下，寻找提高效率，降低油耗的方法[4-9]。

1 柴油机试验仪器和设备

1.1 试验用柴油机

试验用发动机为WP10.336E50 柴油机，其主要技术参数见表1。

表1 发动机主要技术参数

1.2 试验用测试设备

试验用测试设备为江苏南通力达公司生产的发动机移动试验台架，该移动台架包括台架模块和试验保证模块。移动试验台架可以作为一个集装箱放到整车上，整车把移动台架拉到规定的海拔高度后，进行发动机台架试验。图1 为试验用测试设备的外形图。

图1 试验用测试设备外形图

2 试验方法

选择平原及高原地区（考虑试验成本，本次高原试验选择2800 m、3500 m 和4100 m 3 个有代表性的海拔高度）进行外特性试验，采集各海拔情况下的试验数据，分析不同海拔高度对发动机经济性和动力性的影响趋势。同时在高原地区需要根据增压器许用最高转速（1.6×104r/min）和发动机最高排气温度限值（550 ℃）进行增压器保护。表2 为三个海拔下的大气压力值，随着海拔升高，大气压力成直线下降。

表2 各海拔大气压力

3 试验结果与分析

3.1 增压器保护试验

为保证柴油机运行安全，增压器转速和发动机排气温度应小于增压器许用最高转速（1.6×104r/min）和发动机最高排气温度（550 ℃）。通过在海拔2800 m、3500 m、4100 m 对柴油机进行增压器保护试验，标定增压器保护油量MAP 进行标定以实现对喷油量的控制试验结果如图2。通过与外特性油量MAP（图3）比较发现，在海拔2800 m、3500 m 和4100 m 增压器都没有超速现象，未对发动机进行油量限制，具体的喷油量一览表见表3。

图2 增压器保护油量MAP

图3 外特性油量MAP

表3 喷油量一览表

3.2 动力性对比分析

随着海拔的升高，大气压力逐渐减小，发动机进气歧管的压力也减小，从而导致进入发动机的进气量减小，进而导致过量空气系数降低，发动机燃烧不充分，热效率降低，最终使发动机输出的功率降低。功率降低情况在发动机低转速（小于1000 r/min）处最明显，发动机在4100 m 处，运行在1000 r/min 转速时，功率比平原降低32.5%，严重的情况会导致启动困难。而在1100 r/min～1500 r/min 处，随着海拔的升高，功率降低缓和，2800 m/3500 m/4100 m 的功率几乎一致，功率最高比平原降低11.5%。发动机在1500 r/min 以上，随着海拔的升高，功率几乎没有降低，这主要是随着海拔的升高增压器没有超速，不用通过减少喷油器的油量来保护增压器，而发动机在高速情况下进气量足够，所以进气压力不是影响发动机功率的主要原因，燃烧情况占功率输出的主导因素。不同海拔下功率对比图见图4，不同海拔下发动机进气歧管压力对比图见图5。

图4 不同海拔下功率对比图

图5 不同海拔下进气压力对比图

3.3 经济性对比分析

随着海拔的升高，空气密度减小，大气压力降低，发动机低速时进气歧管压力明显降低，使得进入发动机气缸的空气量相应减少，导致气缸内过量空气系数降低。过量空气系数的不合理直接影响发动机的正常燃烧，燃烧过程中后燃现象增多，燃烧持续期增加，最高爆发压力减小，导致燃烧效率降低，最终使得发动机燃油消耗率升高，经济性变差，特别是在1400 r/min 以下，海拔4100 m 处比平原高达22%。

高海拔带来的发动机缸内燃烧恶劣的情况不仅导致燃油消耗率升高，经济性变差，同时还会导致发动机的排气温度升高，特别在1100 r/min 以下，涡轮后排气温度升高至发动机的极限温度（550 ℃），如果超过发动机极限温度，需要通过降低喷油器喷油量等措施来保护发动机。

不同海拔下燃油消耗率对比图（图6），不同海拔下最高爆发压力对比图（图7），不同海拔下发动机涡轮后排气温度对比图见8。

图6 不同海拔下燃烧消耗率对比图

图7 不同海拔下最高爆发压力对比图

图8 不同海拔下涡轮后排气温度对比图

4 结论

通过发动机在平原和海拔在2800 m、3500 m、4100 m 分别进行外特性试验，采集发动机试验数据并分析，得到以下结论：

（1）随着海拔的升高，大气压力变小，发动机进气负压变大，增压器会出现超速的现象。避免超速的方法有两种：一种是通过限制发动机喷油器的喷油量降低扭矩来降低增压器的转速；另一种是通过对增压器的合理优化（比如采用高性能的材料、高效率的涡轮等），提供更好的性能来满足高原地区的动力性和经济性。

（2）由于高原地区大气压力低，空气稀薄而导致柴油机进气不足，发动机在1000 r/min 以下出现功率明显的下降，最高下降32.5%。而高速区域功率下降不明显，一是因为发动机运行在高速进气量比较充足，与大气压力的变化对高速影响不大；二是还因为该增压器在高海拔未出现超速情况，没有进行增压器保护，未减小喷油器的油量。

（3）随着海拔的升高，空气密度减小，大气压力降低，发动机低速时进气歧管压力明显降低，使得进入发动机气缸的空气量相应减少，导致气缸内过量空气系数降低。过量空气系数的不合理直接影响发动机的正常燃烧，燃烧过程中后燃现象增多，燃烧持续期增加，最高爆发压力减小，导致燃烧效率降低，最终使得发动机燃油消耗率升高，经济性变差，特别是在1400 r/min 以下，海拔4100 m 处比平原高达22%。

（4）高海拔带来的发动机缸内燃烧恶劣的情况不仅导致燃油消耗率升高，经济性变差，同时还会导致发动机的排气温度升高，特别在1100 r/min 以下，涡轮后排气温度升高至发动机的极限温度（550 ℃），如果超过发动机极限温度，需要通过降低喷油器喷油量等措施来保护发动机。