发动机高原环境适应性难题及对应方案研究

0 绪论

我国中西部高原地区占据我国国土面积65%，海拔1km，2km和3km以上地域分别占国土面积的58%，33%和26%

。同时，我国西部地域的高原地带与多国接壤，具备很高的军事战略地位。因此，发动机高原适应性研究刻不容缓。本文就近几年国内外学者针对高原环境对于发动机适应性的研究采取的关键技术进行概括，并基于国内外研究对发动机未来高原适应性研究趋势提供一些合理性建议。

水利事业单位部门预算与决算结合的实务探索…………………………………………… 盖志杰，聂 勇(12.35)

1.2.2 Delphi法确定指标权重 由于各指标在综合评价中所起的作用不尽相同，因此综合评价中的关键问题是指标的权重问题。权重的客观与否，决定着评价的好坏。而实际操作中，我们总希望能够用较简单的方法获得较客观的权重。因此本文使用Delphi专家评议法[17]求解各评价指标的权重。

1 高原环境对发动机的影响

1.1 高原环境特点

我国高原地区相对平原来说的差异性具体表现为空气中氧含量的浓度低，温度以及温差较大，风沙天气在一年中出现频率较高等，这种环境就要求发动机必须能够满足高原环境下的特殊使用要求

。高原环境中空气密度、大气温度、大气压力等各项参数随高度变化如图1所示。

1.2 高原环境对发动机影响

汽车能否在高原环境下稳定运行以及发挥它的最大效率与其发动机的高原适应性有巨大的关系。因此,掌握高原环境对车用发动机的影响规律,对于研究车用发动机的高原环境适应性有着非常重要的意义

。其中高原环境对发动机影响主要有以下几个方面：

（4）基于GIS的选线工作辅助系统，其可靠性与计算结果准确性及现有数据信息有直接关系，同时也会受到用户自身选择与判断的影响。只有正确的选择与判断，才能充分发挥工具应有的作用和效果。

1.2.1 发动机功率影响

四冲程发动机功率

和压力

的关系：

然而对于单极的VGT增压方式来实现高原柴油机动力提升是难以办到的，其只能恢复一定海拔的柴油机功率性能，因此，更多的学者开始研究二级可调增压技术来提高发动机高原环境下的动力性能研究。

(1)

二级可调增压系统在低转速下，流量分配阀将废气全部分给低压级增压器，由于其流量小和转动惯量低的原因，因此可以有效提高低转速下压力。在高转速下，流量分配阀开启将部分废气给低压涡轮，随着废气增多，高低压增压器同时工作，此刻高低压增压器成并联状态，而其压气机始终为串联工作。

从式(1)可以看出，发动机功率与平均指示压力以及曲轴转速和发动机总容积成正比，而发动机总容积是一定的，因此

与

成正比关系，而平均指示压力

与充气系数

又有以下关系：

(2)

式中：

-理论混合物的热值；

-指示效率；

-过量空气系数。

通过式(2)可以看出：对于过量空气系数，当大气压力下降时，进气温度和阻力以及进气终了气缸压力和进气压力比值保证不变，则可认为充气系数基本不变。因此平均指示压力主要与充气系数有关，从图1可知气压及空气密度随海拔升高而降低，因此这种环境下的发动机进气量减少，功率降低。

根据众多学者研究海拔高度对发动机功率具体影响，得到一下结论：海拔每升高1km，非增压发动机功率下降8%～13%，燃油消耗率上升6%～9%；增压发动机功率下降1%～8%，油耗增加1%～6%

。

1.2.2 发动机热负荷的影响

治疗中的监测：治疗过程中每2～3个月检查第二性征以及测量身高；首剂3个月末复查GnRH激发试验，如LH激发值在青春前期值则表示剂量合适；此后，对女童只需定期复查基础血清雌二醇（E2）浓度或阴道涂片（成熟指数），男童则复查血清睾酮基础水平以判断性腺轴功能的抑制状况。每6～12个月复查骨龄1次，女童同时复查子宫、卵巢B超。

3.2.1 家庭人均月收入 本研究结果显示，家庭人均月收入是稳定期精神分裂症患者心理弹性的主要影响因素(P<0.05)，收入越高，其心理弹性得分越高，与研究结果相似[17]。分析原因可能是，精神分裂症尚不能根治，且会导致患者工作能力的丧失，长期的康复和治疗，患者要面临较大的经济负担及对家庭的负罪感，这些均会加重患者心理应激反应，降低其心理弹性水平，提示临床精神科工作者应关注家庭人均月收入较差患者，尽可能采用一些疗效相当且费用较低的药物，减少非必要的检查，进而提升其心理弹性水平。

在高原地区，当发动机功率保持不变时，随着海拔的不断升高，意味着需要更多的空气来支持燃料燃烧提供动力，这就意味着需要更高压比的空气，从而使发动机温度提高。而且高原地区发动机由于氧含量少的原因也会使燃耗不足，压缩后的混合气达不到着火点，使得柴油不能及时着火燃烧；并且缸内一部分燃料因缺氧燃烧不完全，使可燃混合气浓度过高。这些都导致高原运行发动机缸内燃烧滞后，热负荷加剧

。根据相关经验：海拔每升高1km，增压发动机在相同喷油量的条件下排气温度升高约20～30℃

。

解决策略：科学本质的教学需要在学习的过程中提出相应的反思性活动与要求，还需有指向目标的过程与途径。教师换个角度，先找出中心主题，帮助学生梳理出“血流方向”与“血液中含氧情况”等知识结构中的关键词，再展开联想，最后构建概念图（图5）。图中两条主线清晰、直观展示，可以帮助学生理清思路，为学生后续的自我纠错找准方法。

1.2.3 发动机燃油燃烧及排放的影响

众所周知，发动机是靠燃油与空气混合为一定比例的可燃混合气燃烧来产生动力进行运转的。一般发动机燃烧设计时都是以标准空气氧含量来设计的，因此在高原环境中氧浓度降低，使可燃混合气中燃料成分过多使混合气浓度变高

。过浓的可燃混合气会造成燃烧不完全，从而产生大量的CO、NO化合物等有害气体，并在活塞顶部和火花塞处产生大量的积碳，使功率下降、动力不足、油耗升高。

2 发动机高原改措施

2.1 对配气、供油角度调整

当配气相位与发动机的实际转速匹配，使充气系数提高，才能使发动机性能最优。

对于调整配气相位来适应高原环境的研究已然比较成熟，果继辉

以东方汽车6100-I型发动机为例，通过反复试验，发现在云南高原海拔1990m的区域其配气相位整体提前2～4°，其动力性及经济性更优。广汽雅阁发动机采用了两级式配气相位调整装置，简称VTEC。VTEC就是根据发动机转速的变化调整配气正时和气门升程，使进入气缸的混合气利用其流速惯性以及满足发动机高低转速的需求，从而达到发动机动力性和经济性

。因此对于配气相位和发动机转速合理匹配研究已经成功用于实际中。

对于供油提前角的调整，不同海拔条件下喷油定时对最大燃烧压力随海拔变化影响极大。一般海拔在2～3km时，供油提前角可提前1～2°，在3～4km时，可提前2～4°。喷油提前可使预混燃烧量的增多，使燃烧压力增大，改善燃烧。

2.2 采用增压设备

增压器多用于无爆燃情况的柴油机上，以增大进气量来改善发动机性能，汽油机一般不采用这种方式，因此本文对于增压设施对发动机高原适应性改进主要针对为柴油机。高原柴油机采用增压器后，发动机的充气系数增加，燃料与氧气比例变得正常，使燃烧较之以前变得更加充分，使其功率上升 ，燃料耗损降低

。而目前对于提高增压器的技术也越来越多，主要有以下几种被学者所研究。

2.2.1 带放气阀增压器

放气阀调节是采用的最早也是最为广泛的调节方式，因此其研究也最为广泛。

对于带放气阀的增压器研究，叶飞帆

通过实验发现带放气阀的增压器对于柴油机性能提升是有效的，更加适用于不经常运行的全负荷柴油机。张然治

对带放气阀的增压器进行进一步的优化分析。周峥

等基于放气阀的基本原理，通过ECU控制阀的开度，使增压能力可根据实际工况调整，避免因增压过高导致汽油机爆震。Andreas等人

通过对比真空和电子旁通阀特性，建立4缸汽油机MVEM模型，用于预测废气门和增压压力的瞬态行为。这些瞬态响应针对不同条件进行研究并深入了解系统的属性。蒋晓凤

通过研究发现带电控阀的增压器能够在全工况范围内对增压能力进行调节，并采取一些措施改善增压器匹配性能。

如果等不急，不如我来先精选当天最喜欢的几款佳酿，先来感受这个明年就要迎来175周年纪念的标杆品牌的新一年之作。

Cheong J等人

通过实验研究VGT对柴油机影响，并将VGT的满载性能结果与机械控制废气门涡轮增压器的情况进行比较，结果表面在相同的最大气缸压力和排气烟度限制内，低速扭矩最大可提高约44%。Segawa K等人

为实现涡轮叶轮和喷嘴叶片的最有组合，对喷嘴流量和涡轮流量的平衡进行研究，结果表面：喷嘴与涡轮叶轮的喉部面积比对喷嘴关闭位置的涡轮效率和最大流量有很大影响。Barkhage R

等人研究了叶片开度、空燃比和压力条件对启动能力、稳态扭矩、瞬态响应对不同条件下涡轮性能的影响。

2.2.2 可变截面涡轮技术

要结合乡镇农业统计工作实际，建立健全农业统计工作制度体系，明确统计工作目标、具体实施方法、流程和标准要求等，加强责任分工落实和绩效奖惩机制建设，鼓励各地区结合实际，做好新时期农业统计工作，将其和地方政绩考核全面挂钩，切实提升基层农业统计部门水平。

可变截面涡轮VGT(Variable Geometry Turbocharger)技术核心是导流叶片在低转速和排气量的工况下可以关闭，从而增大发动机的进气压力

。

一年一度的秋季运动会落下了帷幕，如何利用总结运动会这个机会来增强同学们的集体荣誉感呢？我打算改变以前只是我一个人总结的做法，让所有人参与进来。

传统涡轮增压发动机解决涡轮迟滞现象主要使用小尺寸的轻质涡轮。小涡轮在低转速下由于其小的转动惯量可达到理想工作转速从而改善涡轮迟滞。然而小涡轮在高转速下由于排气截面较小使排气阻力增大，使发动机功率和扭矩受阻。而大尺寸涡轮与之相反，在高转速下表现良好，但低转速下涡轮迟滞加剧。基于此，VGT技术便应运而生，并在众多学者的不断研究中加以完善。

通过上述研究发现，传统带有放气阀的增压系统是一种传统的调节方式，在冷启动和爆震控制方面有一定的不足，而且不能根据工况做出调整，因此众多学者又对不同涡轮增压技术进行更深层次的研究。

3.模型的设定。本文借鉴李越冬等（2014）研究内控重大缺陷与审计定价之间相关性的研究模型，并加入固定资产与应收类账户占总资产比例对其进行修正，构建如下模型进行研究。

4)构建的多传感器信息的煤矿悬臂式掘进机空间位姿监测系统，为悬臂式掘进机定向掘进和截割断面自动成形控制奠定了良好基础。

2.2.3 二级可调增压技术增压

式中：

-曲轴转速；

-工作容积。

二级增压技术对于一些大货车以及轿车上已经有了广泛的应用，然而对于一些高原地区的二级增压技术的研究和应用相对较少，其中主要有如下研究：

通过上述研究发现，VGT在柴油机应用以更普及，对于发动机整体性提升以及尾气污染物的排放的降低也有一定的作用，然而其成本相对较高，相对来说难以普及。但VGT在汽油机上应用较少，原因是汽油机排气温度(1000℃左右)远远大于柴油机排气温度(400℃左右)，而VGT技术所采用的材料难以承受汽油机的排气温度，因此VGT技术在柴油机应用更加广泛。总体来说，VGT技术对于发动机性能提升起到很好作用，因此对于发动机在高原地区的良好运行也有着重大作用。

刘系暠

等人通过研究发现采用二级增压可以使柴油机在海拔5.5km时最大转矩和标定点功率相对单级时分别提高15.5%和27.2%，并且低速转矩提高，高效率区不超速。刘瑞林

将VGT技术与二级可调增压技术结合，并进行高原匹配仿真分析。结果表面组合技术可有效提升柴油机高原环境下的动力性和经济性以及适应性。二级可调增压和柴油机匹配也有众多学者进行了深入的研究。然而，柴油机运行工况复杂，要求不同工况下二级可调增压系统都能提供精确的增压压力，仅靠匹配是不够的，更需要二级可调增压系统调节

。Li H

等人考察了不同海拔高度下增压压力和发动机功率的变化情况，采用原厂增压器和与之相匹配的低压增压器构建了可调式两级增压系统。介绍了增压压力恢复的阀门控制策略，这些策略构成了功率恢复方法的基础。结果表明，该系统能有效地恢复不同速度和不同高度下的增压压力。刘瑞林

等人建立了基于DOE的二级增压柴油机仿真模型，从DOE过程得到的响应面分析得出各因素对响应值的影响规律，为以后的标定工作提供一定的指导。ABB Turbo System与 公司

研究大型柴油机二级增压技术，可以有效降低油耗和排放。赵长禄

等人按照高原匹配策略匹配了可调二级增压系统，并搭建了仿真模型。

经过众多学者的研究，对于高原环境下二级可调增压已经有了相对成熟的理论体系。然而对于二级可调增压系统的试验还没有开展，因此也无法应用到实际中去。因此，二级可调增压系统试验研究将是未来关注的重点。

2.3 采用冷启动装置

发动机高原环境下润滑油由于温度过低导致其流动性能变差，而且较低的氧气浓度也导致进气量的不足达不到柴油燃烧氧气浓度。因此对发动机冷启动主要影响为：

因此，不同种类的润滑剂对气缸的工作性能都同时有着正面与反面的影响。要做好气缸的润滑优化，必须在选择润滑剂时综合考虑各类润滑剂。要选用含有不饱和成分较少的型号，同时还要添加如合成油聚α烯烃等成分，以更好地提高气缸的工作性能。

(1)高原环境下氧气浓度降低，使压缩终了时刻的压力和温度下降，点火延迟，使启动更加困难。

(2)低温导致电池放电现象严重，储电不足，且启动时蓄电池剧烈的放电也会烧毁电池

。

由于上述的影响，使得发动机在高原地区往往需要启动多次才能成功，针对此问题，可以在发动机中安装冷启动系统，启动前可进行预热处理来提高启动成功率。一般冷启动开启在油门开启前，这样可以有效保护涡轮增压器，提高发动机使用寿命。

另外还有很多冷启动辅助的一些装置，比如使用一些添加乙醚等燃点较低的物质来使燃油燃点降低，此方法虽然可以使启动时间变短，然而其燃烧粗暴，容易损坏发动机，因此并不适用高原发动机冷启动。而目前最常用冷启动辅助装置为进气加温和冷却液的预热装置，通过电阻丝、PTC以及火焰式预热器进行预热，使发动机顺利启动。其中典型案例就是东风康明斯在发动机进气装置上安装PTC加热器

和斯太尔发动机采用预热器进行进气加热

。

进气预热优点是使用简单可靠，能有效降低发动机启动温度，启动效果好，其缺点是结构较为复杂，操作不当会损害预热塞，进气密度变小，氧含量降低 ，辅助启动效果一般，在高原地区不宜使用

。

2.4 含氧燃料使用

含氧燃料就是在发动机燃料中加入酒精、丙酮以及其他含氧化合物，来弥补高原环境缺氧导致充气量不足的问题。对于此项研究经过众多学者不断努力也取得了很大的进步。曹斯琦

对燃用柴油和100%聚甲氧基二丁基醚型含氧燃料(DMB100)的发动机进行高原模拟台架试验，结果表明DMB100燃烧上的动力性和经济性在高原上改进更加明显。李晓然

用掺混不同体积分数的二乙二醇二甲醚(DGM)的燃油为燃料，通过台架试验分析海拔2000～4000m不同掺混比例燃油对发动机性能影响，结果表明使用含氧燃料发动机功率更高，并与DGM添加量成正比，且HC、CO排放明显降低，对于环境保护起到了一定的作用。

相对于其他解决发动机高原环境下所面临难题的措施，在燃油中添加适当含氧燃料，是不改变发动机结构情况下，改善发动机在高海拔地区的动力性及经济性，解决发动机在高海拔地区燃烧不完全的一种重要解决手段。

2.5 其他方法

高原环境另一特点为干燥多风，空气中尘土较多，而发动机的动力性和经济性与磨损有着很大联系，而其磨损与空气滤清器又有很大关系。

发动机高负荷下使增压器吸力变大，当滤纸精度不足灰尘穿过滤纸进入发动机气缸，使发动机磨损加剧，寿命降低

。因此在高原环境下空气滤清器要经常进行清洁或更换滤芯。另外还可以采用高压共轨技术和优化喷油器结构，使燃油雾化更好，燃烧更加充分。也可以改变燃烧室形状或使用新型材料提高气缸力学性能，增大压缩比等。

3 结论

(1)对于发动机高原环境适应性研究，更多集中在增压技术、富氧燃烧技术和冷启动技术上的研究，并且在一些车型上得到了实际的应用，取得了较好的效果。

(2)我国对于发动机高原环境适用性研究较多，但一些关键性技术的研究还相对薄弱，比如增压器可变截面涡轮技术、电控技术以及燃烧方面的研究。这些方面也制约着我国发动机高原适应性的进一步提升，因此，对于上述方面研究的进一步加强，是未来发动机高原适应改革的重中之重。

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