高海拔（低氣壓）對(duì)柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)性能的影響及機(jī)理分析

劉大川 張眾杰 馬家明 陸辰起 劉瑞林

摘 要：綜述了高海拔（低氣壓）對(duì)柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)性能的影響，從高海拔對(duì)整機(jī)性能和缸內(nèi)燃燒影響，對(duì)增壓器匹配特性影響以及對(duì)柴油機(jī)響應(yīng)特性影響三個(gè)方面進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)與分析，為進(jìn)一步提升柴油機(jī)高海拔性能改善提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高海拔；柴油機(jī)；燃燒；匹配特性；響應(yīng)特性

0 引言

柴油機(jī)在高原使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力下降、油耗增加、起動(dòng)困難、熱負(fù)荷增大、壓氣機(jī)喘振傾向增加和渦輪超溫超速等問(wèn)題[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，海拔每升高1000m柴油機(jī)動(dòng)力性下降4.0%～13.0%、經(jīng)濟(jì)性下降2.7%～12.9%，HC、CO和煙度排放量增加30%、35%和34%。

1 高海拔（低氣壓）對(duì)整機(jī)性能和缸內(nèi)燃燒影響

高海拔（低氣壓）對(duì)柴油機(jī)的影響過(guò)程如圖1所示。對(duì)于指定的柴油機(jī)，功率和轉(zhuǎn)矩是由平均有效壓力唯一決定，指示熱效率 和過(guò)量空氣系數(shù) 、燃燒放熱規(guī)律參數(shù)有直接關(guān)系[3]。機(jī)械效率 受泵氣損失影響。泵氣功和進(jìn)排氣壓差呈線(xiàn)性關(guān)系[4]。高海拔下進(jìn)氣密度和溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程上止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)狀態(tài)與平原不同。

1989年李照東[5]研究發(fā)現(xiàn)：在等負(fù)荷工況下，由于柴油機(jī)高原燃燒壓縮過(guò)程壓力下降，供油提前角不變時(shí)，柴油機(jī)高原工作時(shí)滯燃期增加，燃燒始點(diǎn)后移，預(yù)混合燃燒所占的比例增大，擴(kuò)散燃燒比例減小，燃燒開(kāi)始后壓力、溫度上升得很快，繼續(xù)噴入燃料的滯燃期縮短，擴(kuò)散燃燒的溫度水平提高，擴(kuò)散燃燒速度增加，燃燒持續(xù)期縮短。申立中[6]對(duì)自然吸氣柴油機(jī)的研究結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論，但對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)在等負(fù)荷工況下的研究結(jié)果表明：柴油機(jī)的滯燃期、缸內(nèi)最高燃燒壓力及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均變化不大，但后燃仍然明顯增加，排溫升高。

John A[7]對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)在等負(fù)荷工況進(jìn)行研究進(jìn)一步得出：隨海拔的增加，渦輪增壓柴油機(jī)的機(jī)械效率基本保持不變，在高海拔下，缸內(nèi)混合氣體？損失增加，而且在壓縮沖程中更加明顯；擴(kuò)散燃燒時(shí)？損失增大，排氣能量品質(zhì)降低。相比較而言，在等過(guò)量空氣系數(shù)工況，環(huán)境壓力的變化對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響更為顯著，隨著環(huán)境壓力的降低，增壓和增壓中冷柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒不充分，指示熱效率減小，缸內(nèi)燃燒過(guò)程壓力曲線(xiàn)明顯降低，最高燃燒壓力下降。王欣等[8]針對(duì)不同海拔進(jìn)行了燃燒與排放試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨海拔高度增加，柴油機(jī)熱效率降低，排放增加。裝甲兵工程學(xué)院王憲成等[9]利用柴油機(jī)燃燒過(guò)程實(shí)車(chē)測(cè)試系統(tǒng)，分別在4500m和500m海拔地區(qū)進(jìn)行了原位空載條件下某大功率柴油機(jī)的燃燒過(guò)程試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在高原下最高燃燒壓力下降，對(duì)應(yīng)的相位滯后，燃燒效率降低13.6%～20%；指示效率下降17.5%～20.5%以上。

2 高海拔（低雷諾數(shù)）對(duì)增壓器匹配特性影響

隨海拔高度增加，空氣密度迅速減小，雷諾數(shù)（Re）也隨之減小。在海拔高度3500m時(shí)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力降至60kPa，工作輪進(jìn)口Re為0.66×105，Re不在自動(dòng)?；瘏^(qū)內(nèi)，說(shuō)明氣流粘性力明顯增加，壓氣機(jī)流道內(nèi)的附面層增厚，流動(dòng)阻力增大，將對(duì)壓氣機(jī)特性產(chǎn)生不可忽略的影響。在轉(zhuǎn)速一定而流量變化時(shí)，氣流以更大沖角進(jìn)入葉輪進(jìn)口和擴(kuò)壓器進(jìn)口，更易引起流道中附面層脫離，使流阻損失急劇上升[10]。同時(shí)，相對(duì)馬赫數(shù)（Ma）升高，內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)為跨聲速流動(dòng)，激波、附面層干擾、二次流等復(fù)雜非定常流動(dòng)現(xiàn)象導(dǎo)致高海拔壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)分離加劇，流量范圍變窄，等熵效率降低，喘振傾向增加[11]。

離心式壓氣機(jī)特性隨海拔高度的變化，主要是由Re變化引起的。李書(shū)奇[12]分析比較了高原環(huán)境下壓氣機(jī)三種通用特性變化規(guī)律。吳剛[13]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，研究了高原進(jìn)口條件（進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力）及低雷諾數(shù)對(duì)于壓氣機(jī)的性能影響，得到了高原條件下壓氣機(jī)通用特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明，高原壓氣機(jī)進(jìn)口壓力下降是Re下降的主要原因。徐斌[14]分析了海拔高度的增加壓氣機(jī)處于非自模區(qū)的流量界限，隨著海拔的增加，壓氣機(jī)進(jìn)口臨界流量降低。同時(shí)，采用相似模型理論推導(dǎo)出高原渦輪增壓器效率修正公式。

海拔增壓，缸內(nèi)后燃嚴(yán)重，排氣溫度升高，渦輪背壓降低，渦輪膨脹比增大，渦輪進(jìn)入跨聲速區(qū)，可能引起渦輪機(jī)葉輪進(jìn)口產(chǎn)生局部超音速流，引起流道“阻塞”，增加波阻損失[15]。

目前，還沒(méi)有研究機(jī)構(gòu)針對(duì)高海拔下二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)高、低壓級(jí)特性參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，英國(guó)巴斯大學(xué)Calogero Avola et al[16]等人采用數(shù)學(xué)方法分析了不同進(jìn)氣參數(shù)下，二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)高、低壓級(jí)特性曲線(xiàn)變化規(guī)律，并將高低壓級(jí)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和增壓系統(tǒng)傳熱兩個(gè)因素考慮為影響增壓系統(tǒng)特性的原因，并最終將高、低壓級(jí)壓氣機(jī)MAP等等效為一個(gè)壓氣機(jī)MAP。北京理工大學(xué)何義團(tuán)[17]研究了平原環(huán)境下高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口條件對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)特性的影響，經(jīng)過(guò)雷諾數(shù)計(jì)算表明，二級(jí)增壓系統(tǒng)中高壓級(jí)空氣流動(dòng)已經(jīng)處于雷諾數(shù)自模區(qū)，可以將高壓級(jí)實(shí)際測(cè)量參數(shù)按照Ma相似準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的折合參數(shù)。

3 高海拔（低氣壓）對(duì)柴油機(jī)響應(yīng)特性影響

在高原地區(qū)，隨著大氣壓力降低，柴油機(jī)在起動(dòng)、加載、加速等瞬態(tài)工況下，出現(xiàn)增壓壓力響應(yīng)滯后、轉(zhuǎn)矩突降、壓氣機(jī)喘振和倒流[18]，進(jìn)氣量減少與渦輪遲滯現(xiàn)象共同造成瞬態(tài)過(guò)程中空燃比下降，燃燒過(guò)程惡化，燃油消耗量和煙度峰值增加[19]等問(wèn)題。錢(qián)躍華[20]研究不同海拔下順序增壓系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程表明：隨著大氣壓力降低，進(jìn)氣量減少，燃燒惡化，排氣溫度升高、渦輪功率增大，使增壓器穩(wěn)定工作的壓比和轉(zhuǎn)速均提高，兩個(gè)增壓器在瞬態(tài)過(guò)程中加速、減速至兩增壓器增壓壓力相同所需時(shí)間延長(zhǎng)。

在高海拔下，柴油機(jī)瞬態(tài)過(guò)程是機(jī)械-熱量-流動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，噴油量的增加能夠即時(shí)響應(yīng)操作者的意圖，但缸內(nèi)新鮮空氣增加到最終穩(wěn)定值卻要克服排氣能量傳遞、渦輪增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及進(jìn)氣管壓力建立等多種慣性因素[21]。與低海拔相比，高原柴油機(jī)加速、加載瞬態(tài)工況達(dá)到相應(yīng)的增壓壓力對(duì)應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速更大，建立增壓壓力時(shí)間更長(zhǎng)。其次從燃燒角度分析，增壓壓力和空氣質(zhì)量流量上升的速率低于循環(huán)油量的上升速率，供氣滯后的現(xiàn)象導(dǎo)致過(guò)量空氣系數(shù)變小，缸內(nèi)燃燒邊界變化[22]。吉林大學(xué)和陸軍軍事交通學(xué)院研究表明：在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)受海拔高度升高的影響較大，因而扭矩會(huì)減??；在高速區(qū)域扭矩影響比較小。綜合的影響導(dǎo)致扭矩特性隨海拔高度的升高而變差，低轉(zhuǎn)速扭矩減小，因而低速加速性能降低，適應(yīng)性系數(shù)變小[23]。

通過(guò)以上分析，在高海拔條件下，提高進(jìn)氣壓力的響應(yīng)速度是改善柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性唯一辦法，而減少渦輪遲滯現(xiàn)象是提高進(jìn)氣壓力響應(yīng)速度的主要辦法，通過(guò)減少渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高排氣流量有助于提高渦輪響應(yīng)特性。

4 全文總結(jié)

本文從內(nèi)燃機(jī)原理角度，分析了高海拔（低氣壓）柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)的影響規(guī)律。包括高海拔（低氣壓、低雷諾數(shù)）對(duì)整機(jī)性能、柴油機(jī)燃燒過(guò)程、增壓匹配性能和柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性幾個(gè)方面，為高海拔柴油機(jī)性能改善提供了理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：

劉大川（1994-），漢，男，河北石家莊，碩士研究生，研究方向：柴油機(jī)增壓控制

通訊作者：

劉瑞林（1963-），漢，男，山東青島，博士后，教授，研究方向：內(nèi)燃機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性.