某重型柴油機高原性能試驗

李海慶，殷海紅，姜文革，房瑞雪

（1.濰坊職業(yè)學院機電工程學院，山東 濰坊 262737；2.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

隨著西部大開發(fā)的日益深入，西部地區(qū)對中、重型車輛的需求量逐年遞增，汽車保有量在4500 萬輛以上。高原地區(qū)空氣稀薄、大氣壓力低，發(fā)動機在高原地區(qū)運行時進氣量不足，會導致柴油機動力性下降、經(jīng)濟性升高等問題，也會導致發(fā)動機排溫高、增壓器超速等安全性問題[1-3]。為了確保發(fā)動機在高原地區(qū)運行的安全，同時也為了研究高原地區(qū)對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性的影響趨勢，濰柴動力股份有限公司引進了發(fā)動機移動試驗臺架，可以在高原上做臺架試驗，采集大量的高原試驗數(shù)據(jù)，分析發(fā)動機的高原性能，在保證發(fā)動機安全運行的前提下，尋找提高效率，降低油耗的方法[4-9]。

1 柴油機試驗儀器和設備

1.1 試驗用柴油機

試驗用發(fā)動機為WP10.336E50 柴油機，其主要技術參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

1.2 試驗用測試設備

試驗用測試設備為江蘇南通力達公司生產(chǎn)的發(fā)動機移動試驗臺架，該移動臺架包括臺架模塊和試驗保證模塊。移動試驗臺架可以作為一個集裝箱放到整車上，整車把移動臺架拉到規(guī)定的海拔高度后，進行發(fā)動機臺架試驗。圖1 為試驗用測試設備的外形圖。

圖1 試驗用測試設備外形圖

2 試驗方法

選擇平原及高原地區(qū)（考慮試驗成本，本次高原試驗選擇2800 m、3500 m 和4100 m 3 個有代表性的海拔高度）進行外特性試驗，采集各海拔情況下的試驗數(shù)據(jù)，分析不同海拔高度對發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的影響趨勢。同時在高原地區(qū)需要根據(jù)增壓器許用最高轉速（1.6×104r/min）和發(fā)動機最高排氣溫度限值（550 ℃）進行增壓器保護。表2 為三個海拔下的大氣壓力值，隨著海拔升高，大氣壓力成直線下降。

表2 各海拔大氣壓力

3 試驗結果與分析

3.1 增壓器保護試驗

為保證柴油機運行安全，增壓器轉速和發(fā)動機排氣溫度應小于增壓器許用最高轉速（1.6×104r/min）和發(fā)動機最高排氣溫度（550 ℃）。通過在海拔2800 m、3500 m、4100 m 對柴油機進行增壓器保護試驗，標定增壓器保護油量MAP 進行標定以實現(xiàn)對噴油量的控制試驗結果如圖2。通過與外特性油量MAP（圖3）比較發(fā)現(xiàn)，在海拔2800 m、3500 m 和4100 m 增壓器都沒有超速現(xiàn)象，未對發(fā)動機進行油量限制，具體的噴油量一覽表見表3。

圖2 增壓器保護油量MAP

圖3 外特性油量MAP

表3 噴油量一覽表

3.2 動力性對比分析

隨著海拔的升高，大氣壓力逐漸減小，發(fā)動機進氣歧管的壓力也減小，從而導致進入發(fā)動機的進氣量減小，進而導致過量空氣系數(shù)降低，發(fā)動機燃燒不充分，熱效率降低，最終使發(fā)動機輸出的功率降低。功率降低情況在發(fā)動機低轉速（小于1000 r/min）處最明顯，發(fā)動機在4100 m 處，運行在1000 r/min 轉速時，功率比平原降低32.5%，嚴重的情況會導致啟動困難。而在1100 r/min～1500 r/min 處，隨著海拔的升高，功率降低緩和，2800 m/3500 m/4100 m 的功率幾乎一致，功率最高比平原降低11.5%。發(fā)動機在1500 r/min 以上，隨著海拔的升高，功率幾乎沒有降低，這主要是隨著海拔的升高增壓器沒有超速，不用通過減少噴油器的油量來保護增壓器，而發(fā)動機在高速情況下進氣量足夠，所以進氣壓力不是影響發(fā)動機功率的主要原因，燃燒情況占功率輸出的主導因素。不同海拔下功率對比圖見圖4，不同海拔下發(fā)動機進氣歧管壓力對比圖見圖5。

圖4 不同海拔下功率對比圖

圖5 不同海拔下進氣壓力對比圖

3.3 經(jīng)濟性對比分析

隨著海拔的升高，空氣密度減小，大氣壓力降低，發(fā)動機低速時進氣歧管壓力明顯降低，使得進入發(fā)動機氣缸的空氣量相應減少，導致氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)降低。過量空氣系數(shù)的不合理直接影響發(fā)動機的正常燃燒，燃燒過程中后燃現(xiàn)象增多，燃燒持續(xù)期增加，最高爆發(fā)壓力減小，導致燃燒效率降低，最終使得發(fā)動機燃油消耗率升高，經(jīng)濟性變差，特別是在1400 r/min 以下，海拔4100 m 處比平原高達22%。

高海拔帶來的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒惡劣的情況不僅導致燃油消耗率升高，經(jīng)濟性變差，同時還會導致發(fā)動機的排氣溫度升高，特別在1100 r/min 以下，渦輪后排氣溫度升高至發(fā)動機的極限溫度（550 ℃），如果超過發(fā)動機極限溫度，需要通過降低噴油器噴油量等措施來保護發(fā)動機。

不同海拔下燃油消耗率對比圖（圖6），不同海拔下最高爆發(fā)壓力對比圖（圖7），不同海拔下發(fā)動機渦輪后排氣溫度對比圖見8。

圖6 不同海拔下燃燒消耗率對比圖

圖7 不同海拔下最高爆發(fā)壓力對比圖

圖8 不同海拔下渦輪后排氣溫度對比圖

4 結論

通過發(fā)動機在平原和海拔在2800 m、3500 m、4100 m 分別進行外特性試驗，采集發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)并分析，得到以下結論：

（1）隨著海拔的升高，大氣壓力變小，發(fā)動機進氣負壓變大，增壓器會出現(xiàn)超速的現(xiàn)象。避免超速的方法有兩種：一種是通過限制發(fā)動機噴油器的噴油量降低扭矩來降低增壓器的轉速；另一種是通過對增壓器的合理優(yōu)化（比如采用高性能的材料、高效率的渦輪等），提供更好的性能來滿足高原地區(qū)的動力性和經(jīng)濟性。

（2）由于高原地區(qū)大氣壓力低，空氣稀薄而導致柴油機進氣不足，發(fā)動機在1000 r/min 以下出現(xiàn)功率明顯的下降，最高下降32.5%。而高速區(qū)域功率下降不明顯，一是因為發(fā)動機運行在高速進氣量比較充足，與大氣壓力的變化對高速影響不大；二是還因為該增壓器在高海拔未出現(xiàn)超速情況，沒有進行增壓器保護，未減小噴油器的油量。

（3）隨著海拔的升高，空氣密度減小，大氣壓力降低，發(fā)動機低速時進氣歧管壓力明顯降低，使得進入發(fā)動機氣缸的空氣量相應減少，導致氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)降低。過量空氣系數(shù)的不合理直接影響發(fā)動機的正常燃燒，燃燒過程中后燃現(xiàn)象增多，燃燒持續(xù)期增加，最高爆發(fā)壓力減小，導致燃燒效率降低，最終使得發(fā)動機燃油消耗率升高，經(jīng)濟性變差，特別是在1400 r/min 以下，海拔4100 m 處比平原高達22%。

（4）高海拔帶來的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒惡劣的情況不僅導致燃油消耗率升高，經(jīng)濟性變差，同時還會導致發(fā)動機的排氣溫度升高，特別在1100 r/min 以下，渦輪后排氣溫度升高至發(fā)動機的極限溫度（550 ℃），如果超過發(fā)動機極限溫度，需要通過降低噴油器噴油量等措施來保護發(fā)動機。