柴油机高原环境工作特性分析研究_金安鹏.pdf

内燃机与配件 柴油机高原环境工作特性分析研究金安鹏（兰州现代职业学院，甘肃 兰州 ）摘要：中国西部大开发为汽车工业与配套动力带来巨大发展机遇，高原环境特点对发动机产生很大的影响，研究高原柴油机增压技术非常必要。研究介绍高原环境气候特点，分析高原环境对柴油机增压技术工作性能的影响，提出改善柴油机性能的技术措施。以某缸柴油机为研究机型，对比单级增压对柴油机变海拔条件下工作特性的影响，在 海拔下分析叶片开度对柴油机性能的影响。表明选配二级增压可提高柴油机对海拔变化适应性。低转速工况可变二级增压柴油机叶片开度在 转矩最大，有效燃油消耗率最低。增大叶片开度可降低排气背压，提高增压器效率，有效降低油耗率；中高转速时热传损失随叶片开度增大降低。关键词：增压技术；柴油机；高原环境；工作特性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，；：；作者简介：金安鹏（），男，汉族，甘肃榆中人，学士，副教授，研究方向为教育技术、汽车维修。中国幅员辽阔，高原地势复杂，中西部海拔 米以上地区占国土面积的 以上，高原公路占全国总公路 以上，高原地区汽车保有量占。汽车在高原地带运行时大气压力低，空气密度小，气温低，昼夜温差大，干 燥 风 沙 大，水 的 沸 点 低。研 究 表 明：海 拔 每 升 高 米，大气压力下降约，年平均温差下降，柴油机动力性能下降，经济性能下降 ，、和 烟 度 排 放 量 平 均 增 加 、。另外，柴油机在高原地区运行动力性可靠性易发生变化，高原柴油机增压是困扰柴油机厂的难题，特别是在高海拔条件恢复柴油机动力性、经济性和排放性成为了学者们的研究重点。在满足高原冷启动方面要求的同时，开展进气优化、增压匹配等协同控制技术是提升柴油机性能，增强高海拔环境适应性的关键。现阶段，针对高原海拔下不同增压系统对柴油机性能影响相对研究较少，本文建立了一维单级、二级热力学模型，基于模型开展了变海拔性能仿真研究，为提高柴油机高原适应性提供了参考。综述高原环境增压柴油机工作特性研究随着中国经济持续稳定增长，西气东输等国家大型工程开工需要大量配套高原环境发动机。柴油机以其热效率高、功率范围宽广等特点广泛应用于工农业及国防建设事业，柴油机在高原地区运行性能指标下降，目前依靠实验确定柴油机不同大气条件性能难以实现，利用仿真和数值模拟柴油机工作过程计算速度快，准确度可满足要求，对高海拔车辆适应性研究提供了借鉴。高原气候环境特点是大气压力低，年均气温低昼夜温差大。当海拔为 时，大气压力为 ，含氧量 为 。海拔每升高 大气压力下降约 ，高原大气环境对增压柴油机性能产生显著影响。不同海拔大气压力由单位面积上垂直空气柱重力决定，海拔DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.031 年第 期 升高 大气含氧量降低。高原低气压低温等环境特点对柴油机工作产生影响，同纬度海拔每升高 气温下降 。高原柴油机运行时，高压柴油喷入气缸并与空气迅速混合燃烧，必须保证燃烧室终点达到一定温度，柴油机最大扭矩点过量空气系数应在 以上，海拔 高原气压为 ，对自然吸气柴油机带来很大的影响，造成过量空气系数降低导致着火延长工作粗暴，机器过早损坏。高原冷却水沸点低，加之强烈的日照辐射等环境特点对柴油机工作产生较大影响。高原空气透明度好，紫外线强度为平原地区的倍，易导致橡胶管路老化失效。高原地区大气压力降低导致冷却液沸点降低，必须使发动机出水温度保持在 之内。高原干旱少雨空气含尘密度达到低海拔地区多尘天气的 倍，高原作业环境大气粉尘大增加发动机空气阻力，缩短空滤器的使用寿命。高原气候环境对柴油机冷启动与涡轮增压器产生影响，海拔高度增加压气机效率下降。高海拔地区涡轮增压器排气背压较低，出现压气机效率下降转速上升。高原空气稀薄导致柴油机压缩终点压力与温度下降，配合零件间黏性摩擦阻力增加，发动机低温启动困难。传统柴油机由于扩散燃烧模式局限性，产生较高的氮氧化合物，世界各国制定严格的排放法规，如何降低柴油机 排放同时保持较高热效率成为柴油机开发的关键技术问题。技术是满足低排放法规的关键技术，合理的 率会导致 迅速升高，高海拔空气减小导致柴油机 燃 烧 品 质 变 差，热 负 荷 增 加 等 严 重 问 题。采 用 系统优化匹配叶片开度可调的可调二级增压，开展进气协调控制策略对柴油机变海拔工作特性规律研究，实现节能减排具有重要意义。增压柴油机建模及验证柴油机进排气管系内气流复杂，推导气体流动方程可以假定，可认为流动空间内气流为一维，流动空间内流体参量随时间变化，仿真过程中假设工质为理想气体，气体的流动过程为准稳态过程，缸内的工质混合均匀且燃烧完全。内燃机进排气系统布置形式有很多，热力过程数值计算时将进排气系统划分为独立子系统。以缸某柴油机为例，借助 一维软件搭建单级、二级增压柴油机模型。模型包括环境模块、进排气管道模块、喷油器模型、燃烧模型、传热模型、摩擦模型以及压气机和涡轮模块等。利用方程联合求解得出气缸内应力及质量基本参数。进排气门升程曲线以及进排气道流量系数根据提供的数据直接进行输入。管道尺寸进行台架的实际测量进行输入。废气涡轮增压器通常采用单级离心式压气机，空气径向流经工作叶轮与有叶扩压器，压气机和涡轮的 数据以增压器厂商提供的数据为输入，通过调节旁通阀门直径大小匹配试验测得的增压压力并防止增压器出现超速现象。借助 控制器控制每循环喷油量以达到试验数据外特性工况下的功率要求。燃烧模型采用准维燃烧模型 油滴蒸发器模型，通过对燃烧空间分区处理预测精度精确，气体导热率与比热容为常数，燃烧放热视为在空间分布热源。曲轴转角相对于上止点角度，上止点后用正值表示。柴油机 排放中包含 占主导地位，以空气为助燃剂燃料燃烧产生 ，反应机理为 ，。为了分析不同海拔条件对发动机性能的影响，需要进行变海拔柴油机试验研究，目前变海拔试验可以分为变海拔实地试验和环境模拟试验，本模型通过调整大气压力和温度来模拟不同海拔，具体参数如表所示。表海拔温度压力对应关系海拔 力 温度 图为搭建的二级增压仿真模型。如图为 工况下功率和油耗的实验值和模拟值对比图，各工况点的实验值和模拟值吻合度较高，可用于原机各系统性能的进一步优化研究。图二级增压仿真模型图图实验值和模拟值对比图高原环境增压柴油机工作性能分析通过改变大气压力和空气温度模拟环境边界条件，模拟变海拔工况。经仿真结果分析：单级柴油机增压比随转内燃机与配件 速先升高后降低，由于排气能量增加转速过大，涡轮机旁通阀门打开增压比下降。二级柴油机高压级压气机增压比变化小。单级柴油机增压效率随海拔上升而下降。柴油机处于中低转速，采用二级增压技术有利于提高涡轮增压器对海拔变化适应能力。不同海拔增压系统对柴油机动力性与进气特性的影响，单级增压柴油机转矩与功率下降，二级柴油机转矩受海拔变化影响小。由于匹配单级增压系统流量较大，适应范围小，海拔上升使得单级压气机接近喘振边界线，空燃比降低，柴油机燃烧性能恶化。转速在 时，单级增压柴油机燃烧放热率随海拔上升下降，而二级增压柴油机进气压力随海拔上升变化较小，放热率与缸内压力下降，二级增压比单级增压具有高原适应能力。海拔变化对单级柴油机有效燃油消耗率影响更大，随海拔上升单级柴油机经济性急剧下降。低转速单级柴油机燃烧速率降低。不同海拔增压系统对柴油机 排放的 影 响，单 级 增 压 柴 油 机 氧 浓 度 不 足 不 利 于 形成，中高转速时双级增压柴油机 排放低于单级，由于氧浓度满足 的形成条件，空燃比过大使缸内温度下降。综合不同海拔下单级、二级增压对柴油机动力性与 排放影响，二级对柴油机低转速综合性能恢复效果较好。为提高二级对高海拔适应能力，在模型中高压级涡轮模块 中导入 离散数据，在 海拔下研究二级增压系统叶片开度对柴油机性能的影响，随着 叶片开度不断增加，进气流量随叶片开度而增加。柴油机高转速时泵气损失对叶片开度敏感，叶片开度过小导致排气不畅。柴油机低转速时空燃比受叶片开度变化影响大，高转速时 叶片开度对空燃比影响减小。叶片开度增大降低涡轮增压器对排气能量的利用，增大叶片开度对增压器效率影响下降。柴油机低转速时转矩在叶片开度 内最大，叶片对柴油机转矩影响增加，低转速时排气背压过高进气流量下降，排气能量利用率低，增压器效率下降。柴油机低转速时叶片开度在 时，有效燃油消耗率最低，由于低转速时叶片开度小泵气损失增加，柴油机工作时有效热效率下降。转速升高时，叶片开度增加有利于降低排气背压。叶片开度增加对增压器效率影响减小，高转速区域叶片开度小空燃比下降。高原环境大气压力下降导致近气流量减少，新鲜工质较少使得涡前排温较高。低转速工况空燃比增大使得缸内氧浓度增加，发送机高转速工况涡前排温下降。随叶片开度增加缸内残余废气减少，低转速时传热损失率先增后减；继续增加叶片开度空燃比降低。中高转速时排气背压降低，导致传热损失率降低效果明显。综上分析，匹配合适的二级增压系统能够优化柴油机在高原工况的运行情况，改善柴油机进气，提升动力性和经济性能表现，尤其对低转速时的优化效果更加明显，另外，单级或自然吸气状态下无法正常工作的中低转速工况，可以通过二级增压的方式改进。同时使用二级增压能够在提升总压比的同时保证每个增压器高效稳定运行。结语大气环境对柴油机工作性能影响重要是压力与环境温度，大气压力随海拔增加减小，致使高原地区柴油机运行存在燃烧恶化，动力性、经济性、排放性能下降，热负荷大，排气温度高，可靠性下降等问题，影响西部经济发展和生态环境，影响高海拔地区装备使用性能及国防安全，及时研究不同海拔地区柴油工作性能研究意义重大。经研究得出：变海拔下二级排气量利用率更高，低转速工况二级具有更好变海拔适应性。海拔 下可变二级增压柴油机叶片开度在 转矩最大，中高转速转矩随叶片开度增大，增大叶片开度可降低排气背压，提高增压器效率。海拔可变二级增压柴油机在低转速工况运行，排 气 损 失 率 下 降，中 高 转 速 工 况 下 传 热 损 失下降。参考文献：沈颖刚，杨云春，吕誉，陈贵升，李克，杨锐敏增压方式对柴油机高原环境下工作特性影响的数值模拟内燃机工程，（）：高杰某柴油机高原工况性能模拟及优化大连理工大学，王俊，申立中，文奕钧，薛爽，赵杰 小型农用柴油机高原增压匹配与适应性研究 农业工程学报，（）：张志谋柴油机变海拔性能分析与功率恢复研究上海交通大学，