川藏鐵路某高原型隧道施工設備發(fā)動機系統(tǒng)改造設計

滕錦圖

(中國鐵建重工集團股份有限公司,長沙 410100)

0 引 言

川藏鐵路雅安至林芝段全線開工，線路經(jīng)過區(qū)域山高谷深，全線隧道67條，總長850余公里，隧道高程1 000～4 200 m?？諝庀”?，含氧量低，4 000 m海拔高度時含氧量182.08 g/m3相較于平原地區(qū)含氧量299.3 g/m3降低了39.2%；高原氣候垂直分帶顯著，冬季極端最低氣溫為-32.2 ℃，夏季最高氣溫為40 ℃，且部分隧道存在高地熱工況； 冬季和初春氣候干燥，風沙大[1]。為適應川藏鐵路多海拔、低氧、多風沙、極端氣溫的施工工況，對我司某隧道施工設備發(fā)動機動力系統(tǒng)進行高原適應性改制設計。

該設備高原型機型整機及發(fā)動機性能參數(shù)見表1，作業(yè)系統(tǒng)由電機組提供動力，電機總功率55 kW,發(fā)動機主要用于工作場所轉(zhuǎn)移在山間道路行駛的動力源以及停電時作業(yè)系統(tǒng)短時間應急動力源。高原機型整機重量、電機組總功率等性能參數(shù)相較于平原型基本無變化，主要不同在于為適應高原環(huán)境而對發(fā)動機動力系統(tǒng)進行的改制設計。

表1 設備關(guān)鍵性能參數(shù)

1 低溫啟動方案

針對高原低溫問題所帶來的蓄電池蓄電和放電能力下降、機油粘度增大、柴油結(jié)蠟等低溫啟動問題進行以下設計：

1.1 電池

采用OPTIMA紅頂34免維護蓄電池，特有的螺旋纏繞單元組設計，保證了較高的啟動功率、較小的自放電極，其工作溫度范圍廣，可在-55～75 ℃溫度范圍內(nèi)正常使用。

1.2 機身預熱

采用京威YJH-Q10A揮發(fā)霧化燃油液體加熱器，以燃燒換熱方式加熱發(fā)動機冷卻液，提高發(fā)動機缸體、缸蓋的溫度，從而提高發(fā)動機冷啟動時的壓縮上止點溫度，大大降低發(fā)動機冷啟動的難度[2]。工作溫度-41-50 ℃，循環(huán)介質(zhì)恒定溫度68～85 ℃，耗油量1.3 L/h，油耗小熱效率高，加熱速度快。

1.3 油品選擇

根據(jù)高壓環(huán)境溫度-45～60 ℃的特點，高原型設備柴油機機油選型許滿足SAE 0W-40 CH4(API)[3]，柴油根據(jù)環(huán)境溫度來選擇正確的牌號，具體選型見表2。

表2 柴油選型對照表

2 空濾器方案

空濾器設計進氣體積流量12 m3/min,相較于平原機型，進氣量提高20%。采用曼胡默爾Piclon系列帶安全濾芯45325型雙級空氣濾清器，濾芯采用曼胡默爾特殊的過濾介質(zhì)，具有很高的容灰量，安全濾芯所用的曼胡默爾合成纖維，安全可靠性達，壓降低；尤其適用于高灰環(huán)境，濾清效率能達到99.8%。按照ISO 5011SAE粗灰度測試，最大容灰量8 600 g，滿足使用要求，配備機械式灰塵堵塞指示器，便于觀察濾芯狀態(tài)。

3 高溫散熱方案

散熱系統(tǒng)采用水冷加增壓中冷的組合散熱形式。高原低氣壓、低含氧量的環(huán)境對發(fā)動機熱平衡性能有很大的影響[4]：一方面，降低發(fā)動機過量空氣系數(shù)，缸內(nèi)缺氧，燃燒滯后，一定程度上增加發(fā)動機熱負荷；另一方面，冷卻液沸點隨海拔上升而降低，海拔4 000 m時，水沸點降低至88.8 ℃，冷卻液“開鍋”，散熱能力降低。為此，針對散熱系統(tǒng)作一下改造設計：冷卻熱水箱增加1.1 bar壓力蓋，消除由于海拔對冷卻液沸點帶來的影響；增大水冷散熱器散熱功率23%，散熱器總成性能參數(shù)見表3。

表3 散熱器相關(guān)參數(shù)

4 多海拔適應方案

高原低氣壓低含氧量的特殊工況，會降低空燃比，導致發(fā)動機燃燒惡化，其功率、扭矩均有一定下降，發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性大打折扣[5]，而且不同海拔條件下氣壓和含氧量又不同。根據(jù)實際情況，川藏鐵路隧道主要分布在1 000、2 500、3 200、4 200 m這四個海拔段，通過以下兩種方式來應對高原工況對發(fā)動機所帶來的影響：一方面，通過電控程序，將發(fā)動機功率刷至129 kW，1 000 m平原海拔段隧道采用118 kW平原機型，其余三個海拔段隧道采用129 kW高原機型，通過提高額定功率的方式來彌補由于高原工況所帶來的功率下降。另一方面，限制不同高原海拔工況下的最佳噴油量，發(fā)動機自帶大氣壓力傳感器，ECU檢測到大氣壓力降低到閥值，會調(diào)用對應的高原曲線，進而調(diào)整發(fā)動機噴油量等參數(shù)；針對三個高原海拔段對發(fā)動機噴油量進行限制，以實現(xiàn)不同海撥條件下發(fā)動機輸出功率的較小差異，保證與變距器或液壓系統(tǒng)的匹配。

通過調(diào)整噴流量的策略來達到發(fā)動機功率恢復的目的，噴油量調(diào)節(jié)策略如圖1所示，相較于118 kW平原機型，129 kW高原機型三個高原海拔模式下的噴油量保護值均有所下調(diào)，隨著海拔上升，平均噴油量下調(diào)量依次為6%、12%、18%，在保證發(fā)動機正常運行的基礎上，最大可能的恢復發(fā)動機功率。

5 結(jié)束語

該設備動力系統(tǒng)高原型改造后，在川藏鐵路達嘎拉隧道進行試驗，歷經(jīng)極限溫度與多風沙工況，發(fā)動機運行狀況良好，動力系統(tǒng)與行走系統(tǒng)匹配正常；應急狀態(tài)下，為工作機構(gòu)提供動力，設備工作正常，最高行駛速度13 km/h；滿足高原隧道施工要求。