高海拔柴油发动机性能改进研究现状与发展趋势

谭梁 何辉波 罗雄彬 缪洪波 郭周劳 李华英

摘要：本文总结了我国高原地区环境特点、海拔高度等环境因素对柴油发动机性能的影响，综述了国内外高原条件下柴油发动机起动性能改進、燃烧性能改进和排放特性改进三个方向的研究现状，分析了柴油发动机性能改进的发展方向。最后，针对柴油发动机高海拔工况下的性能需求，提出柴油发动机多参数协同优化研究是柴油发动机性能改进的重要发展方向。

Abstract： This article summarizes the impact of environmental factors such as environmental characteristics and altitude in plateau areas on the performance of diesel engines， and summarizes the research status of three aspects of diesel engine starting performance improvement， combustion performance improvement and emission characteristic improvement under plateau conditions at home and abroad. The development direction of diesel engine performance improvement is analyzed. Finally， in view of the performance requirements of diesel engines under high-altitude operating conditions， it is proposed that the research on multi-parameter collaborative optimization of diesel engines is an important development direction for diesel engine performance improvement.

关键词：高海拔;柴油发动机;起动;燃烧;排放

Key words： high altitude;diesel engine;starting;combustion;emission

中图分类号：TK42                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0004-04

0  引言

我国高原地区具有平均海拔高、分布地域广的特点，相比于平原工况，高原工况下柴油发动机的进气压力低、缸内燃空比下降，导致柴油发动机的柴油燃烧不充分，比油耗升高效率降低，出现输出功率严重降低、污染物排放增加以及经济性变差等不良现象。

我国高原面积占全国总面积的26%，高原环境使用柴油发动机的情况普遍，近期西部地区的周边环境日趋严峻，西部经济的开发也是一带一路战略的重要环节，柴油发动机高原性能提升研究刻不容缓[1]。

近年来为解决柴油发动机在高原环境性能下降等问题，大量学者们进行了研究。研究方式包括高原模拟平台搭建测试、实地测试、软件仿真研究以及多方法相互验证等。大气条件对柴油机的性能和排放影响明显，且以进气压力的影响为甚。虽然涡轮增压技术能极大地减小高原低气压环境对柴油机性能的影响，但该方式不适用小型柴油机。对于小功率柴油发动机性能改进研究方向主要分为起动性能改进、燃烧性能改进和排放性能改进三个方面。

1  高原柴油发动机冷起动性能改进研究现状

低温、含氧量不足导致柴油发动机机起动困难。随着海拔的增加，年平均气温降低，工作环境也更为复杂。在海拔4500m左右，空气压力和空气密度只有平原地区的60%。

恶劣的高原环境导致柴油发动机在点火起动时压缩终了的空气 温度难以达到着火温度;空气稀薄导致气缸内混合气体充气量不足，缸内压力较低，造成起动困难。传统采用进气预热，改变压缩比等方法改善柴油发动机起动性能，对于低压缩比柴油发动机的研究包括供油参数、进气参数和压缩比等柴油机设计参数的改进[2-5]，其中供油参数控制方便、自由，在原机上进行改进，几乎不会影响柴油发动机的正常运行，引起了学者的注意。

1.1 压缩比对柴油发动机冷起动性能影响研究

气门关闭，缸内气体压缩，分子运动剧烈程度增加，导致温度上升，高的压缩比使得柴油机缸内压缩终端温度高，超过柴油着火点，使柴油更容易燃烧。柴油发动机的压缩比增大能有效提高起动性能，但在正常运行时会使柴油发动机负荷显明显增加，导致运行不稳定。

D.MacMillan[6]等人研究了压缩比对某柴油发动机的放热效率和输出功率的影响规律试验发现，柴油发动机的运行环境温度分别为-20℃、-10℃和10℃，柴油发动机的转速恒定为300r/min。试验表明，随着压缩比的增加，柴油发电机着火时刻越早，低压缩比以及低温工作环境使得柴油发动机在压缩过程中，缸内的温度上升较慢，达到的最终温度也较低。

1.2 冷起动辅助措施对柴油冷发动机起动性能影响研究

在柴油发动机压缩比一定的条件下，由于高原气温低、大气压力低，活塞达到压缩行程末端时气缸内的温度无法达到燃烧条件，造成柴油发动机起动困难。改善起动性能传统方式是增加进气预热辅助装置和加热冷却液。

常用的进气预热装置有以下三种：电热塞、火焰塞以及以热敏陶瓷作为材料的预热起动器。

张怡军[7]等人针对常用的3种外装式进气预热装置的适用范围，性能参数以及优缺点进行了对比分析，结果如表1所示。A.Ramadhas等人进行了加热冷却液对柴油发动机冷起动性能的影响规律研究。将在-7℃时起动试验作为对照组，分别将柴油发动机的冷却液加热至10℃和20℃进行试验，结果表明，冷却液温度越高，起动时间越短，可有效改善起动性能，同时降低污染物排放浓度。但此方法在小型柴油发动机上应用较为困难。

1.3 喷油策略对柴油发动机冷起动性能影响研究

Han[8]等人通过试验的方式，研究了不同喷油提前角对柴油发动机冷起动性能的影响规律，结果表明，在恒温恒定转速的工作条件下，合理的喷油提前角能保证柴油发动机的正常起动，如果喷油提前角过大或过小时，柴油发动机的燃烧效率急剧下降，甚至导致无法正常运行。

在海拔4500m条件下，楼狄明[10]等人研究发现，随着供油提前角的增大，起動过程的初始期变化不明显，升升速期时间出现先下降再上升的趋势，存在最优供油提前角，过渡期时间缩短，变化趋势如图1（a）所示。在供油提前角为32°保存不变的条件下，改变循环喷油量进行了A、B、C、D和E五种方案试验，方案A起动策略维持不变作为对照组，B，C，D均减少循环供油量，E为增加循环供油量;其中方案C，D为凸台型循环供油，A，B，E为梯台型循环供油，改善情况如图1（b）所示。

2  高原环境下柴油发动机燃烧性能改进研究现状

高原条件下，大气压力、温度、空气密度和含氧量明显下降，导致在高原工况条件下柴油发动机的燃空比降低，柴油发动机燃烧恶劣，导致柴油发动机输出功率、扭矩下降，排放物浓度上升等一系列问题[11，12]。

2.1 喷油参数对柴油发动机燃烧特性影响研究

朱振夏等人[13]根据供油参数对柴油发动机输出功率的影响规律，在海拔4500m的工况下，通过试验优化，使得柴油机额定功率提升了14.7%，柴油发动机单位输出功率燃油消耗率降低了9.6%。

焦宇飞等人[14]研究循环喷油量和喷油提前角对柴油发动机燃烧性能影响规律发现，海拔高度相同的工况下，随着柴油发动机的转速增加，柴油机最佳循环喷油量出现先增大后减小的趋势，而柴油发动机的最佳喷油提前角与其相反，出现减小后增加的趋势，随着工作海拔高度的增加，柴油发动机的最佳喷油提前角增大，当海拔高度每上升1000m，喷油提前角平均增大1.15°CA。随海拔升高，最佳循环喷油量减小趋势随海拔增加逐渐递增，在海拔0m至海拔3500m过程中，循环喷油量平均降低了10.96%，由海拔3500至海拔5500m平均降低了16.99%。

2.2 EGR率对柴油发动机燃烧特性影响研究

高原环境的空气含氧量降低，燃烧恶化，废气浓度增加，进入缸内的空气量与氧体积分数都将降低，EGR技术的运用，导致大量废气再循环进入发动机缸内，从而对柴油发动机的动力性、经济性和排放特性产生影响。

张韦等人[15]研究了在不同循环供油量（37mg和24mg）条件下，不同EGR率对柴油发动机工作特性的影响发现，随着海拔高度的增加，柴油发动机的油耗增加、输出转矩下降、EGR适用范围缩小，其影响随着负荷变化规律如图2所示。

文万斌等人[16]在研究EGR率对柴油发动机燃烧性能时发现，采用EGR技术后，柴油发动机缸内的新鲜空气量减少，导致燃烧缓慢，缸内最高燃烧压力降低;随着EGR率增加，使得柴油发动机的燃烧效率下降，缸内的最高燃烧温度降低。

3  高原环境下柴油发动机排放性能改进研究现状

柴油发动机的排放废气成分复杂，主要包括N2、O2、CO2、H2O、碳烟、NOX、HC、CO、PAHs、醛类、SO2等，对柴油发动机排放性能改进，大量学者进行了研究。

3.1 不同生物质燃料对柴油发动机排放性能影响研究

BED燃料是石化柴油的替代燃料，也是现在限排要求下热门的生物质燃料，它可以直接应用在柴油发动机上，改善柴油发动机的排放状况。

刘少华等人[17]，采用燃用柴油、乙醇柴油E10（含10%体积分数的乙醇和90%体积分数的柴油）及生物柴油-乙醇-柴油B10E10（含10%体积分数的生物柴油，10%体积分数的乙醇和80%体积分数的柴油）3种燃料进行了对比试验（以燃用柴油为参照），实验结果如表2所示。

黄金凤等人[18]不同配比生物柴油混合燃料后 NO 与碳烟的排放进行了试验研究。试验结果表明：燃用掺混比为30%以内的生物柴油混合燃料，能同时有效地降低NO与碳烟的排放。

3.2 喷油参数对柴油发动机排放性能影响研究

沈颖刚等人[19]在海拔1890m高原大气环境下，对B0、B10和B100三种燃料发动机采用0.10mm、0.15mm和0.20mm孔径直径喷油器时的燃烧过程与排放特性进行仿真模拟对比研究。计算结果表明：在不同的燃料、较小的喷孔直径条件下，柴油发电机的燃油油耗增加，放热率升高，燃烧始点提前，缸内最高燃烧温度上升，OH活性基浓度增大，燃空当量比降低，NO排放增加，碳烟和CO排放则减小。

陈晖等人[20]研究喷油参数对柴油发动机排放特性影响发现，随着喷油时刻的推迟，缸内压力峰值降低，放热率峰值增加，燃油消耗率增加，热效率下降，CO和HC排放增加，NOX排放减小，颗粒物质量浓度降低，数量浓度先降低后升高;随喷油压力的增加，缸内压力和放热率峰值增加，CO和HC排放减小，NOX排放增加，颗粒物数浓度和质量浓度下降。

3.3 EGR率对柴油发动机排放性能影响研究

大量研究表明，EGR技术能够有效降低柴油发动机NOX排放。文万斌等人[16]研究发现，在转速恒定为1800r/min输出扭矩为200N·m工况下，随着EGR率的增大，NOX排放逐渐降低，颗粒物的排放出现先下降后增加的趋势。张韦等人[15]研究发现，下相同海拔、相同EGR率的工况下，废气中含量较高的NO进入缸内后，在高温条件下迅速转变成NO2，NO在缸内呈现出先减少后增加，但最终缸内的NO含量和碳烟含量比不采用EGR时缸内含量高。

4  结语

本文根据我国高原环境对柴油发动机性能影响的特点，总结了国内外学者对柴油发动机起动性能改进、燃烧性能改进和排放性能改进的研究现状，得出以下结论。①柴油发动机的各个性能指标之间通常是相互关联的，像供油策略、EGR技术的研究对柴油发动机的起动性能、燃烧性能和排放性能都会有改变，优化一个参数通常会对其他性能产生不利影响。②柴油发动机性能改进研究经历了从结构参数改变到设计参数优化控制;从单一性能优化，到多目标联合优化的过程。③柴油发动机因其便携高效的特性，在生产生活中应用广泛，随着社会的发展与人们对生活的追求，对柴油发动机的性能改进，多技术融合、多目标联合优化方法是未来柴油发动机性能改进研究的发展方向。

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基金项目：重庆市技术创新与应用发展专项面上项目-高原环境下3kW柴油发动机技术研发应用（cstc2020jscx-msxmX0192）。

作者简介：谭梁（1996-），男，重庆人，硕士研究生，研究方向为3kW柴油发动机高原性能改进;何辉波（通讯作者）（1972-），男，四川仪陇人，博士，副教授，研究方向为机械工程。