高海拔环境下农用柴油机适应性分析与展望

李成越 何超

摘要：海拔高度对农用柴油机运行产生巨大的影响，本文就高海拔地区多种环境因素对农用柴油机性能的影响展开分析，最后，针对农用柴油机在高海拔地区的工作现状，进行了总结和展望，提出了三种措施以提高在高海拔下农用柴油机适应性。

Abstract： Altitude has a tremendous influence on the operation of agricultural diesel engines. This paper analyses the effects of various environmental factors on the performance of agricultural diesel engines in high altitude areas. Finally， the paper summarizes and prospects the working status of agricultural diesel engines in high altitude areas and proposes three measures to improve the adaptability of agricultural diesel engines in high altitude.

关键词：高海拔;农用柴油机;适应性;技术措施

Key words： high altitude;agricultural diesel engine;adaptability;technical measures

中图分类号：TK429                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0072-02

0  引言

柴油机因扭矩大、动力性强和经济性好等特点，被广泛应用于各种农业机械，其技术发展程度对我国农业综合发展水平有着重要的影响，也是实现乡村振兴战略的动力基础。中国地域辽阔，地形复杂多样，南北纬度跨度极大，海拔分布呈现西高东低[1]，这就造成在我国中西部部分地区具有明显的地域性气候特点。柴油机在工作过程中，其性能主要受到环境温度、湿度、大气压力、雨雪、风沙等环境因素影响，這些自然因素在我国中西部高海拔地区尤为恶劣，此外，农用柴油机的运行过程中通常伴随着连续长时间高负荷使用，使得高海拔地区的农用柴油机出现明显的动力性下降[2]、故障率升高、工作噪声和燃油经济性[3]和排放特性[4]下降等问题。柴油机从设计、制造、定型、生产到投入使用，需经历漫长的时间，所以农用柴油机在设计阶段就应考虑到其工作环境的复杂性，尽可能提高其环境适应性，以此提高产品的竞争力。

针对我国高海拔地区的自然环境条件，结合农用柴油机的实际工作环境，分析了高海拔地区对农用柴油机的性能影响，此外，本文提出来几种提高农用柴油机高原适应性的技术措施，也是未来高海拔农用柴油机开发的重要研究方向。

1  高海拔地区环境概述

高海拔地区不同于平原和丘陵地区，自然环境组成部分相对复杂多变，其中包含大气环境、地表环境、水文环境、地质环境以及空间环境等诸多因素。与高海拔地区的农用机械最为密切联系的主要为大气环境和地表环境。高海拔地区大气环境主要特征为：低温、昼夜温差大、湿度、较低的大气压力、太阳辐射，其对农用柴油机的主要影响表现在：低温冷启动困难，零件脆化和电子元器件可靠性降低，温度突变会导致农用柴油机工作环境发生显著变化，工作稳定性下降。高湿度下工作会导致柴油机表面材质氧化腐蚀，涂层处破坏。低湿度会导致柴油机零部件静电荷积聚，粉尘等微粒聚集。高海拔地区大气压力的下降使得进气压力下降，空燃比下降，缸内燃烧恶化，农用柴油机各项性能指标下滑，这也是制约农用柴油机性能的主要因素。海拔高度增加，大气密度下降导致紫外线在高海拔地区较为强烈，农用柴油机在强紫外线照射下易出现零部件老化，橡胶材料弹性下降等问题。

高海拔地区农业机械通常工作在地势起伏不平，道路蜿蜒曲折的高原山地环境，这对农用柴油机使用上提出来更为严酷的环境，相较于低海拔的平原地区，农用柴油机行驶在较复杂的山区路段，频繁使用较低档位，柴油机负荷较大，工作时长较长，且使用时间较为集中，周期内机械负荷强度较高，导致农用柴油机可靠性和耐久性下降。

农用柴油机在高海拔低地区不仅受到大气环境地表环境的影响，还受到两者内部多个因素的交叉综合影响，而综合环境效应通常会强化单一因素对农用柴油机的影响。

2  高海拔环境对农用柴油机性能影响

2.1 高海拔环境对农用柴油机燃烧过程影响

农用柴油机的燃烧过程一般分为四个阶段，分别为滞燃期、速燃期、缓燃期与后燃期。对于自然吸气农用柴油机，江苏大学的刘胜吉[5]，陈勇等选取3个不同海拔高度对某自然吸气柴油机进行燃烧试验，结果表明，随着海拔高度的增加，大气压力下降，最大燃烧压力下降，燃烧始点发生推迟，滞燃期延长，预混合阶段大量放热，导致缸内温度增加，缸内燃烧状况进一步恶化。对于使用废气涡轮增压的农用柴油机，尽管废气涡轮装置可以在一定程度上弥补了高海拔造成的进气压力不足，但其在高原地区工作仍受到影响，只是相较自然吸气农用柴油机影响较小。由于农用柴油机使用途径和地理环境限制，通常运行在较低的转速，王俊，申立中[6]等研究表明，小型农用柴油机在高海拔怠速工况下，涡轮增压器不起作用。

2.2 高海拔环境对农用柴油机增压器性能影响

高海拔条件下，空气密度降低，雷诺数Re减小，气体黏性增大，摩擦力F增加，流动边界层变厚，导致压气机效率的降低，同时，增压器与柴油机的不匹配也导致了高海拔下效率下降。

2.3 高海拔环境对农用柴油机启动特性影响

高海拔地区气温较低，而农用柴油机通过电动起动机运行，蓄电池在低温放电过程中，容量会急剧下降，电机功率下滑，冷启动转速下降，导致农用柴油机启动困难。

2.4 高海拔环境对农用柴油机综合性能影响

高海拔地区环境大气压力低，柴油机进气量和进气压力受到了明显的制约，这将影响农用柴油机的动力性、经济性。

农用柴油机动力性指标主要包含输出转矩、发动机功率，研究表明，对于自然吸气农用柴油机，柴油机功率和转矩均随海拔高度的增加而逐渐增加，在3000-5000m范围内最为明显，柴油机有效功率平均下降超过38%，而对于增压发动机，除在低转速外，平均动力下降幅度约为自然吸气发动机的一半。

燃油消耗率是反应柴油機经济性的重要指标，陆军军事交通学院的刘瑞林，周广猛[7]等基于GT-Power模拟仿真软件对多款柴油机进行不同海拔下性能测试，结果表明，对于自然吸气农用柴油机，海拔高度上升1km，燃油消耗率增加2%-12%，而对于增压发动机，海拔高度上升1km，燃油消耗率增加3%-21%。

3  提高农用柴油机高原适应性技术措施

农用柴油机最为农业机械最主要的动力来源，在我国中西部高原山地地区耕作过程中起到了不可或缺的作业，但在实际应用中，我国现存高原农用柴油机技术相对落后且环境适应性不强，导致农机作业工作效率相对平原地区显著下滑，本节就提高农用柴油机高海拔地区环境适应性提出几种技术措施。

3.1 废气旁通阀涡轮增压技术

涡轮增压技术作为已经在机动车领域应用已久的成熟技术，其在农用机械上正在逐渐普及，常规的废气涡轮增压系统通过缸内废气驱动涡轮叶片转动，带动压气机以提供较高的进气压力，然而在高海拔地区，柴油机无法与涡轮增压器良好匹配，例如：高海拔下，农用柴油机处于大负荷工况时，缸内燃烧恶化，排气温度升高，排气能量突增，涡轮增压器超温超速[8]，增压压力过高，严重影响了增压器工作稳定性。考虑到农用柴油的综合经济效益，提出通过在常规废气涡轮增压器的基础上安装废气旁通阀，标定所在使用环境的最大增压压力值，当超过该值时，废气旁通阀打开，部分排气排出，使柴油机始终在较为合适的空燃比范围内运行。

3.2 燃油供给系统匹配

通过调整燃油供给系统的供油速率[9-10]、喷油压力以及供油提前角，提高泵油压力等以匹配高海拔低气压环境。对于我国现有农用机械，主要采用机械泵式柴油机，对其具体调整如：调整高压油泵凸轮型线、柱塞直径等提高泵油压力;增加喷油器开启压力以提高缸内雾化质量;增加喷油嘴喷孔数目，改善燃烧等方法能有效提高农用柴油机高海拔的燃烧特性，优化动力性、经济性和排放特性等。

3.3 低温冷启动技术

目前，我国绝大多数高原农用机械配备了冷启动辅助装置（启动液、电热塞等辅助装置），但实际使用中这些装置仍不足以应对高海拔的极端环境，造成农用机械使用者采用火烤油底壳、发动机灌热水、拖车等落后费时费力的方法启动发动机。为适应高海拔条件下低气压和低温两个条件对农用柴油机的影响，需对农用柴油机冷启动装置进行调整与优化。蓄电池保温箱由箱盖、箱体、密封件、加热管等组成，将发动机蓄电池安装在保温箱内部，其原理是利用燃油加热装置将冷却液加热，产生的高温热流体经经加热管对蓄电池进行加热，同时具备保温功能使蓄电池始终处在良好的工作温度，该方法能有效解决在高海拔下极低温度范围（-41℃～-20℃）内农用柴油机冷启动要求。

4  结束语

本文概述了高海拔地区各种自然条件因素，并简述了几种主要因素对农用柴油机的影响，提出了三种可以提高农用柴油机高海拔适应性且成本相对较低、效果良好的措施，为我国高海拔地区农用柴油机的设计和使用提供了一定的发展思路。

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