高原隧道施工機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)功效試驗(yàn)研究

陳宏偉 柴海博

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 引言

隨著我國建筑業(yè)逐步邁入現(xiàn)代化施工，工程機(jī)械因其施工速度快、效率高等特點(diǎn)代替了人工。但在使用過程中如何保證機(jī)械的使用效率一直是施工行業(yè)的一個(gè)共性問題，尤其是在海拔高、大氣壓力低、空氣密度和含氧量低的高原地區(qū)［1］。高原隧道施工中所配備的大型機(jī)械多為內(nèi)燃型，但在高原特殊的自然環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)因進(jìn)氧量少而導(dǎo)致燃燒動(dòng)力不足，從而使有效功率輸出顯著降低，導(dǎo)致在高原環(huán)境下機(jī)械利用率明顯低于平原上的機(jī)械利用率。

基于以上原因，靳生盛［2］通過總結(jié)高原施工中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探究了工程機(jī)械在高原環(huán)境下的運(yùn)行可靠性，并由此制定了相應(yīng)的預(yù)防措施。曹杰［3］等采用倒拖法研究了機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)大功率柴油機(jī)的機(jī)械損失影響規(guī)律。朱永全［4］提出了一套在高原環(huán)境下大功率內(nèi)燃機(jī)的功率保持技術(shù)。馮國盛［5］等以關(guān)角隧道為依托，進(jìn)行了CO與煙霧尾氣排放的試驗(yàn)研究。王勇［6］針對(duì)高原環(huán)境中工程機(jī)械利用率不高的情況，深入剖析其原因并提出了應(yīng)對(duì)措施。李瑞發(fā)［7］等、董素榮［8］等針對(duì)高原地區(qū)油耗升高、功率下降等問題，建立高原環(huán)境適應(yīng)性綜合性評(píng)價(jià)模型，并對(duì)高原地區(qū)典型車用柴油機(jī)高原適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。姜澤浩［9］等采用模擬試驗(yàn)臺(tái)探究了海拔對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)性能的影響。王旭東［10］等以某型軍用車輛柴油機(jī)為研究對(duì)象，模擬了4 500 m高原條件下該型號(hào)柴油機(jī)燃用軍用柴油和摻混不同比例聚甲氧基二烷基醚型含氧燃料時(shí)的燃燒特性。林春城［11］等通過研究各種增壓技術(shù)，提出二級(jí)可調(diào)增壓技術(shù)為高原環(huán)境下的最優(yōu)選擇。崔文鎮(zhèn)［12］依托祁連山隧道，選取和研制了幾種適用于高原長大隧道的施工裝備，實(shí)際應(yīng)用效果較好。楊森森［13］通過大量實(shí)際調(diào)研，并依托高原特長隧道現(xiàn)場試驗(yàn)，與理論分析相結(jié)合，基于分析隧道快速施工影響因素，總結(jié)了高原長大隧道相關(guān)快速施工的方法。申智杰［14］通過總結(jié)青藏高原環(huán)境對(duì)施工機(jī)械性能的影響及相關(guān)高原施工適應(yīng)性技術(shù)，提出了針對(duì)高原施工機(jī)械設(shè)備的選型思路。尹瑞［15］依托西部高原地區(qū)公路施工設(shè)備選型指南，從機(jī)械的工作能力、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及環(huán)境適應(yīng)性等方面系統(tǒng)研究了在不同種類的機(jī)械組合下，海拔高度對(duì)施工機(jī)械生產(chǎn)率的一般影響規(guī)律，并最終提出了適宜該工程施工環(huán)境的機(jī)械設(shè)備配置。許先亮［16］以新關(guān)角隧道為依托，通過文獻(xiàn)調(diào)研、模糊綜合評(píng)價(jià)法、數(shù)學(xué)模型排隊(duì)論法等，研究了高原長大隧道的施工機(jī)械設(shè)備配套和通風(fēng)等技術(shù)問題。

雖然前人的研究成果很多，但對(duì)于施工機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境下功效的變化規(guī)律尚無深入研究。基于此，本文將通過臺(tái)架模擬試驗(yàn)法來研究不同轉(zhuǎn)速、海拔高度和含氧量下發(fā)動(dòng)機(jī)的功效變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試主要分為熱力循環(huán)計(jì)算、實(shí)地臺(tái)架試驗(yàn)法和臺(tái)架模擬試驗(yàn)法三種。經(jīng)過綜合比選，最后確定采用臺(tái)架模擬試驗(yàn)法。該方法的優(yōu)勢(shì)為：可在平原地區(qū)通過高原模擬試驗(yàn)系統(tǒng)來模擬高原環(huán)境，且試驗(yàn)具有可重復(fù)性。

（1）AVL發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)

AVL試驗(yàn)臺(tái)的主要組成部件為瞬態(tài)油耗儀和測(cè)功儀。試驗(yàn)臺(tái)架示意圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意

（2）進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)

基于試驗(yàn)?zāi)康暮桶l(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，優(yōu)選FOTON公司的高原海拔試驗(yàn)艙。以海拔艙模擬高原隧道內(nèi)的溫度、壓力等，以獨(dú)立設(shè)計(jì)的進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)。進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)見圖2。

圖2 進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)示意

2.2 參數(shù)標(biāo)定

該試驗(yàn)所涉及的控制參數(shù)主要為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、海拔高度和含氧量等，每一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性有非常顯著的影響。其中轉(zhuǎn)速和海拔高度可以通過測(cè)功機(jī)和海拔艙來進(jìn)行精確控制，而含氧量則通過在進(jìn)氣口摻氮來實(shí)現(xiàn)。

2.3 試驗(yàn)工況及試驗(yàn)步驟

2.3.1 試驗(yàn)工況設(shè)置

為了全面系統(tǒng)地分析發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性指標(biāo)（即發(fā)動(dòng)機(jī)的油門全開時(shí)的特性）在平原環(huán)境和高原隧道內(nèi)外環(huán)境下的變化規(guī)律，設(shè)置了如下對(duì)比試驗(yàn)：

（1）平原環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)；

（2）高原環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)；

（3）高原隧道環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)。

2.3.2 試驗(yàn)步驟

平原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)試步驟如下：

（1）首先將油門逐步提升至全開狀態(tài)，并檢查進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)的狀態(tài)、海拔艙的溫度是否達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）所檢查的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)后開始試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中保持發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定和油門全開，在轉(zhuǎn)速由2 000 r/min調(diào)至900 r/min過程中，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)時(shí)采集2 000 r/min、1 900 r/min、1 800 r/min、1 700 r/min、1 600 r/min、1 500 r/min、1 400 r/min、1 300 r/min、1 200 r/min、1 100 r/min、1 000 r/min和900 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、功率和油耗等性能參數(shù)。

高原環(huán)境下，應(yīng)首先關(guān)閉海拔艙，然后開啟海拔調(diào)整模式，利用大功率抽氣機(jī)將艙內(nèi)的空氣抽出，使艙內(nèi)壓力逐步調(diào)整至試驗(yàn)指定海拔所對(duì)應(yīng)的大氣壓力，并且可以通過控制系統(tǒng)來對(duì)艙內(nèi)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證艙內(nèi)壓力維持在目標(biāo)水平。之后的試驗(yàn)步驟與平原環(huán)境類似。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性影響性分析

3.1 平原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)外特性分析

首先在平原環(huán)境下測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的原始性能，令發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作時(shí)的轉(zhuǎn)速超過2 000 r/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 平原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

從圖3中可以看出，功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而逐漸升高，大致分為1 600～2 000 r/min和900～1 600 r/min兩段。在1 600～2 000 r/min高轉(zhuǎn)速區(qū)間，功率上升較慢，上升幅度約為10 kW；在900～1 600 r/min低轉(zhuǎn)速區(qū)間，功率上升較快，上升幅度約為62 kW。轉(zhuǎn)速在2 000 r/min時(shí)為最大功率Pmax＝155 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速n＝1 600 r/min時(shí)，功率P＝145 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速n＝900 r/min時(shí)，功率下降至最小值Pmin＝80 kW。

隨著轉(zhuǎn)速升高，扭矩呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)為峰值扭矩892 N·m，且在機(jī)械正常工作轉(zhuǎn)速（900～1 600 r/min）保持較大輸出效率。說明該發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能比較優(yōu)越，可以滿足平原環(huán)境下的工作需求。

3.2 海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的影響

海拔變化導(dǎo)致的氧含量改變會(huì)顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。由圖4可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率都會(huì)隨著海拔的升高而逐漸降低，且下降幅度與海拔上升高度表現(xiàn)為正相關(guān)。

圖4 海拔高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性影響曲線

從圖4a可以看出，峰值扭矩點(diǎn)維持在轉(zhuǎn)速1 400 r/min處，且隨海拔升高而逐漸降低。另外，隨著海拔變化，高轉(zhuǎn)速n＝2 000 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩下降并不明顯，從H＝0 m上升到H＝4 000 m高度，ΔT約為75 N·m，下降了10%；而在低轉(zhuǎn)速n＝900 r/min時(shí)所對(duì)應(yīng)的扭矩下降則較為明顯，ΔT約為275 N·m，下降了32.4%，說明海拔對(duì)低轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的作業(yè)性能影響較大。

從圖4b可以看出，海拔對(duì)不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響差異性較小。分析其原因，一方面是高海拔處大氣壓力下降、空氣密度降低，從而使進(jìn)氣沖程所吸入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的空氣總量下降；另一方面，高原環(huán)境下氧含量降低導(dǎo)致燃燒所需氧氣嚴(yán)重不足，燃燒狀況惡化，進(jìn)而表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。對(duì)于工程機(jī)械設(shè)備而言，由于惡劣的作業(yè)環(huán)境增大了機(jī)械作業(yè)阻力，致使發(fā)動(dòng)機(jī)易產(chǎn)生過載掉速的現(xiàn)象。

3.3 隧道內(nèi)外環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的影響

通過在空氣中摻氮來模擬高原環(huán)境下隧道內(nèi)的含氧量。由圖5可知，海拔4 000 m處，有無摻氮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能影響很明顯。摻氮后，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降7～20 kW，峰值扭矩降低了17.9%。由此可以看出，隧道內(nèi)施工產(chǎn)生的粉塵等物質(zhì)進(jìn)一步導(dǎo)致氧含量較洞外更低，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率更加惡化，動(dòng)力輸出進(jìn)一步降低。

圖5 有無摻氮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能影響曲線（H=4 000 m）

從圖5可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 500 r/min，其扭矩下降的幅度較之前有所降低，且摻氮使得發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩受高轉(zhuǎn)速影響較小。

當(dāng)工程機(jī)械失速時(shí)，一般通過減速增扭來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，這在隧道外部（即無摻氮環(huán)境）是可以實(shí)現(xiàn)的，但在隧道內(nèi)部（即有摻氮環(huán)境），由于扭矩在失速段隨轉(zhuǎn)速的變化較為平緩，減速并不能使扭矩實(shí)現(xiàn)大幅增長，故在高原隧道內(nèi)機(jī)械作業(yè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)無力感，需反復(fù)多次才能達(dá)到原來一次作業(yè)的效果，極大降低了工作效率。

3.4 油耗對(duì)比

對(duì)比不同環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗（見圖6），可以看出，在平原環(huán)境下轉(zhuǎn)速的提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響并不大，轉(zhuǎn)速從900 r/min增長到2 000 r/min的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率僅提高了28 g/（kW·h）；發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境下的油耗明顯高于平原環(huán)境，在各轉(zhuǎn)速下普遍提升了至少50 g/（kW·h）；在高原隧道內(nèi)，由于空氣含氧量進(jìn)一步降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率更加惡化，油耗更高，但在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min時(shí)，燃油消耗率反而降低，這是因?yàn)樵谥?、高等轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率逐漸提高，因而高原環(huán)境下在隧道內(nèi)外的燃油消耗隨轉(zhuǎn)速的提高而逐漸接近。由此可以說明，在高原隧道環(huán)境下，油耗上升會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力明顯下降。

圖6 不同環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗對(duì)比曲線

4 結(jié)論

通過臺(tái)架模擬試驗(yàn)法研究了不同轉(zhuǎn)速、海拔高度和含氧量下發(fā)動(dòng)機(jī)的功效變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，功率持續(xù)增大，而扭矩則呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)，扭矩峰值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速n＝1 400 r/min處。

（2）海拔變化導(dǎo)致的氧含量改變會(huì)顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率都會(huì)隨著海拔的升高而逐漸降低，且下降幅度與海拔上升高度表現(xiàn)為正相關(guān)。海拔從0 m上升到4 000 m過程中，高轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)扭矩降低10%，低轉(zhuǎn)速900 r/min時(shí)扭矩降低32.4%；海拔對(duì)各轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響程度差異不大。

（3）在海拔H＝4 000 m處，隧道內(nèi)外不同環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能有顯著的影響。相比隧道外，隧道內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率均有降低，峰值扭矩下降了17.9%。

（4）高原環(huán)境會(huì)明顯增大發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，且在高原隧道環(huán)境下，油耗上升使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力下降較為明顯。

（5）鑒于高原地區(qū)施工機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)功效有明顯降低的現(xiàn)象，建議采用功率恢復(fù)型增壓技術(shù)，通過增壓供氣以提升氣缸充氣密度，使缸內(nèi)燃油燃燒充分，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的功效、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及熱負(fù)荷指標(biāo)恢復(fù)到低海拔標(biāo)定水平。