某柴油機(jī)高原使用供油系統(tǒng)調(diào)整研究

任兆欣，蘇鐵熊，王增全，于寶金，丁技峰（.中國北方發(fā)動機(jī)研究所，天津300400；.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原03005）

某柴油機(jī)高原使用供油系統(tǒng)調(diào)整研究

任兆欣1，2，蘇鐵熊2，王增全1，于寶金1，丁技峰1
（1.中國北方發(fā)動機(jī)研究所，天津300400；2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051）

針對高原條件下柴油機(jī)使用暴露出的氣缸蓋燃燒室燒蝕等可靠性問題，分別進(jìn)行了不同噴油泵最大供油量和不同噴油器噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)下，柴油機(jī)整機(jī)性能高原模擬計算與試驗研究，得出了高原環(huán)境下通過調(diào)節(jié)供油系統(tǒng)控制柴油機(jī)熱負(fù)荷的方法。通過性能優(yōu)化模擬計算與試驗研究，提出了適當(dāng)減小噴油泵最大供油量及采用增大噴孔數(shù)、減小孔徑和減小噴霧錐角的噴油器的供油系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)高原調(diào)整方案，降低了柴油機(jī)熱負(fù)荷，提高了柴油機(jī)高原條件下的可靠性。采取所確定的供油系統(tǒng)調(diào)整方案后，海拔高度4 500m時，柴油機(jī)功率降低27%，其他控制參數(shù)均在限制范圍內(nèi)，可滿足車輛在高原地區(qū)的使用要求。

動力機(jī)械工程；柴油機(jī)；高原；供油量；調(diào)整

0　引言

海拔高度的增加對柴油機(jī)熱負(fù)荷有重要影響。隨著海拔高度的增加，大氣壓力逐漸下降，空氣密度逐漸減小，導(dǎo)致進(jìn)入柴油機(jī)氣缸的空氣量減少，噴油時缸內(nèi)氣體的壓縮壓力降低。如果噴油泵仍保持平原供油量，則油束貫穿度增大，可能造成過多的燃油附壁，附壁的燃油得不到充分、及時燃燒，引起燃燒惡化，使排溫增高，熱負(fù)荷增大[1-4]。隨著海拔升高，大氣溫度變化有限，但大氣壓力變化很大，所以高原性能主要考慮大氣壓力對柴油機(jī)性能的影響。高原環(huán)境下，由于柴油機(jī)熱負(fù)荷過高導(dǎo)致的典型問題主要有氣缸蓋燃燒室燒蝕、氣缸墊燒蝕和活塞頂燒蝕等，這些故障對柴油機(jī)的可靠性和耐久性、造成了惡劣的影響[5]。因此，在盡可能改動最小的情況下，改善柴油機(jī)高原使用可靠性，提出柴油機(jī)有效、實用的改進(jìn)措施非常必要。

國外產(chǎn)品早在40年前就開展了提高柴油機(jī)高原適應(yīng)性的研究。按照國外產(chǎn)品的使用要求，在海拔3 000m以上使用，必須對柴油機(jī)進(jìn)行調(diào)整，降低功率使用。以BF8L413FC柴油機(jī)為例，道依茨公司提供了隨海拔高度供油量調(diào)整曲線，環(huán)境溫度20℃時：海拔高度3 000 m，功率降低15%；海拔高度4 000m時，功率降低26%.

供油量、噴油器噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)作為柴油機(jī)重要的供油參數(shù)，對柴油機(jī)燃燒過程、排氣溫度、有效功率等有重要影響。本文通過模擬計算與試驗，對比了不同供油量調(diào)整和不同噴油器噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)下的柴油機(jī)性能變化規(guī)律，提出降低柴油機(jī)熱負(fù)荷的供油系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)高原調(diào)整方案，證明了在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)不作大的改動的前提下，通過調(diào)整供油系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)能夠有效較低柴油機(jī)高原熱負(fù)荷。

1　模擬分析方法

1.1分析方法

采取模擬計算與試驗驗證相結(jié)合的研究方式，對海拔0 m和4 500 m下外特性進(jìn)行模擬分析。首先，假設(shè)柴油機(jī)在海拔4 500 m運(yùn)行時，未經(jīng)任何調(diào)整，即柴油機(jī)的循環(huán)供油量、噴油器噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)等保持不變，計算分析原機(jī)高原性能；然后，調(diào)整不同循環(huán)供油量和噴油器噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，折中考慮排氣溫度、增壓器轉(zhuǎn)速、有效功率，計算優(yōu)選最佳供油系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)參數(shù)，并對計算結(jié)果進(jìn)行試驗驗證。

1.2主要計算模型

本文采用某增壓柴油機(jī)研究高原環(huán)境下的熱負(fù)荷控制策略，建立基于AVL BOOST軟件的柴油機(jī)仿真模型，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。柴油機(jī)噴油泵為直列多柱塞式機(jī)械泵，旋轉(zhuǎn)噴油泵上的供油調(diào)整螺釘能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)每一轉(zhuǎn)速下的最大供油量進(jìn)行調(diào)整，供油調(diào)整螺釘向減油方向擰入角度愈大，最大供油量減少量愈大。正常工作時，要求渦輪前的排氣溫度不大于750℃，增壓器轉(zhuǎn)速不大于60 000 r/min.

表1　柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　Major technical parameters of diesel engine

高原大氣條件采用了如表2所示的數(shù)據(jù)，其中，大氣溫度統(tǒng)一按20℃考慮。據(jù)此對系統(tǒng)邊界的壓力、溫度等受海拔高度影響發(fā)生變化的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

表2　高原大氣條件Tab.2　Atmospheric conditions of plateau

燃燒過程計算采用AVL MCC燃燒模型，該模型能夠考慮噴油器噴孔數(shù)、噴孔直徑、流量系數(shù)等噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒過程的影響。

AVLMCC燃燒模型假設(shè)放熱率由噴油量和紊流能量密度控制。燃料的燃燒放熱率

式中：Q為累積放熱量（kJ）；φ為曲軸轉(zhuǎn)角（°CA）；Cmod為模型常數(shù)（kJ/kg/°CA）；MF為噴油質(zhì)量（kg）；k為局部湍流動能密度（m2/s2）；V為瞬時缸內(nèi)容積（m3）.

式中：LCV為低熱值（kJ/kg）；Crate為混合速度常數(shù)（s）；Cturb為湍流常數(shù)；Ekin，F(xiàn)，diss為油束能量損耗（J）；λdiff為擴(kuò)散燃燒過量空氣系數(shù)；mstoich為理論空燃比下新鮮充量的質(zhì)量（kg/kg）.

由于擠流和渦流動能與燃油噴射動能相比，數(shù)值相對較小，所以在AVL MCC模型中油氣混合的能量來源只考慮燃油噴射動能。傳遞給缸內(nèi)的動能由噴油速率決定，噴油速率與動能的關(guān)系

式中：Ekin，F(xiàn)為油束動能（J）；ρF為燃油密度（kg/m2）；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；μA為有效噴孔面積（m2）；VF為噴油速率（m3/s）.

AVLMCC燃燒模型中，認(rèn)為能量損耗與動能成比例變化。能量損耗與動能的關(guān)系

式中：Cdiss為損耗系數(shù)。

1.3模擬高原試驗臺架

試驗使用中國北方發(fā)動機(jī)研究所高原模擬試驗臺，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由發(fā)動機(jī)進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)排氣模擬系統(tǒng)和控制檢測系統(tǒng)3大部分組成，可模擬海拔0～4 500m，進(jìn)氣溫度控制范圍-30℃ ～25℃，壓力控制范圍57.57～100 kPa，濕度控制范圍25℃時30%～90%r.h，最大進(jìn)氣量8 000m3/h.

圖1　高原模擬試驗臺原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Schematic diagram of plateau simulation test-bed

本試驗主要使用的儀器設(shè)備有：SCHENCK D2600測功器、AVL TGS1760油耗儀、德維創(chuàng)燃燒分析儀、蘇州長風(fēng)溫度傳感器、中國北方發(fā)動機(jī)研究所增壓器轉(zhuǎn)速傳感器等。測功器量程為功率小于等于1 200 kW、轉(zhuǎn)速小于等于 4 000 r/min，精度為±0.2%；油耗儀量程為0～500 kg/h，精度小于等于0.1%；燃燒分析儀缸壓測量范圍為0～250 bar，精度為0.05%；溫度傳感器量程為0～1 000℃，精度為±2.0℃；增壓器轉(zhuǎn)速傳感器量程為0～20 000 r/min，精度為1.

2　原機(jī)高原性能分析

柴油機(jī)原機(jī)技術(shù)狀態(tài)時，在海拔0m和4 500m下，柴油機(jī)主要性能參數(shù)變化情況如圖2所示。

圖2　海拔0m和4 500m下主要性能參數(shù)變化曲線Fig.2　The changing curves ofmajor performance parameters at altitude of0m and 4 500m

從圖2可看出：海拔高度從0m上升到4 500m時，各轉(zhuǎn)速外特性渦輪前排氣溫度均超過柴油機(jī)正常工作限制值，最高值達(dá)到798℃；柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于1 800r/min時，外特性增壓器轉(zhuǎn)速超過柴油機(jī)正常工作限制值，最高值達(dá)到63 600 r/min；外特性轉(zhuǎn)矩降低20%～35%，轉(zhuǎn)速越低轉(zhuǎn)矩下降幅度越大；燃油消耗率升高，外特性燃油消耗率均在250 g/（kW·h）以上；最高燃燒壓力下降。

圖3給出了海拔0m和4 500m下對應(yīng)的柴油機(jī)空氣流量和過量空氣系數(shù)的變化情況。

圖3　海拔0m和4 500m下過量空氣系數(shù)和空氣流量變化曲線Fig.3　Air flow and excess air ratio at altitude of 0m and 4 500m

從圖3可看出：海拔4 500 m時，相對于平原（海拔0m）狀態(tài)，在整個外特性工況下，柴油機(jī)進(jìn)氣量大幅減少，減少幅度為37%～45%，且轉(zhuǎn)速愈低變化幅度愈大。同時，隨著空氣流量的減少，過量空氣系數(shù)也大幅減小，海拔4 500 m整個外特性工況過量空氣系數(shù)都在 1.4以下，最大扭矩點僅為1.18；而平原狀態(tài)時，整個外特性工況過量空氣系數(shù)都在1.8以上，在標(biāo)定工況時過量空氣系數(shù)為2.0.

從柴油機(jī)高原實車使用情況可看出，排氣煙度較大，車輛在起步、加速及轉(zhuǎn)向工況時發(fā)動機(jī)排黑煙較重。

通過以上原機(jī)高原性能分析說明，該型柴油機(jī)在高海拔條件下存在著較為嚴(yán)重的油、氣不匹配問題，多噴入的油量超過正常燃燒的冒煙極限不能有效做功。

3　供油量調(diào)整影響分析

針對多噴入的油量超過正常燃燒的冒煙極限不能有效做功的問題，通過適當(dāng)減少噴油泵供油量，在與不調(diào)油量功率基本相當(dāng)前提下，能夠有效緩解高原使用時排氣溫度超限、增壓器轉(zhuǎn)速超限、熱負(fù)荷高等問題。

圖4給出了噴油泵供油調(diào)整螺釘向減油方向擰入不同角度時的油量變化。可看出，在相同擰入角度下，高轉(zhuǎn)速油量減少率大于低轉(zhuǎn)速的。當(dāng)擰入角度為 270°時，標(biāo)定工況外特性油量減少率為11.6%，最大扭矩工況外特征油量減少率為8.2%.

圖4　外特性油量減少率隨擰入角度的變化Fig.4　Variation of external characteristic oil mass slip with screw-in angle

不同減油量（即供油調(diào)整螺釘向減油方向不同擰入角度）狀態(tài)時，在海拔4 500 m下，柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速主要性能參數(shù)變化情況如圖5所示。

從圖5可看出，在海拔4 500m下，當(dāng)擰入240°時，外特性各轉(zhuǎn)速下渦輪前排氣溫度超過或接近柴油機(jī)正常工作限制值，且2 000 r/min下，增壓器轉(zhuǎn)速62 100 r/min超過正常工作限制值；隨著擰入角度的增大，渦輪前排氣溫度和增壓器轉(zhuǎn)速均降低，但功率也隨擰入角度的增大而下降；當(dāng)擰入角度為270°時，外特性渦輪前排氣溫度最高為739℃、增壓器轉(zhuǎn)速最大值59 300 r/min，二者均在正常工作范圍內(nèi)，且功率降低幅度不大，與原機(jī)平原相比，此時功率約降低28.9%；當(dāng)擰入角度大于315°后，雖然渦輪前排氣溫度和增壓器轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，但功率出現(xiàn)大幅度下降，與原機(jī)平原相比當(dāng)擰入角度為360°時功率約降低38.9%.綜合考慮，確定該型柴油機(jī)高原使用噴油泵供油調(diào)整螺釘向減油方向擰入270°.

海拔0m減少油量對柴油機(jī)功率、渦輪前排氣溫度和增壓器轉(zhuǎn)速的影響如圖6所示。隨著擰入角度的增大，功率、渦輪前排氣溫度和增壓器轉(zhuǎn)速均降低，但功率下降幅值很大；渦前排溫降低幅度沒有海拔4 500m時的大，主要原以為平原地區(qū)能夠達(dá)到需求的空氣流量，且比較恒定。但海拔4 500 m時隨著擰入角度的增大過量空氣系數(shù)急劇增加，改善燃燒過程，渦前排溫降低劇烈。通過前面的原機(jī)高原性能分析知道，海拔4 500m時，柴油機(jī)外特性工況耗氣量相對于平原減少率為37%～45%，仍然遠(yuǎn)大于噴油泵供油調(diào)整螺釘向減油方向擰入270°時的油量減少率，過量空氣系數(shù)仍然偏小。如果進(jìn)一步增大供油量減少率，可使過量空氣系數(shù)增大，但會導(dǎo)致功率下降急劇增大，嚴(yán)重影響車輛的機(jī)動性能。因此要從根本上解決該型柴油機(jī)在高海拔條件下的油、氣不匹配問題，還應(yīng)從柴油機(jī)增壓器匹配上采取進(jìn)一步措施。

圖5　海拔4 500m下主要性能參數(shù)隨擰入角度的變化Fig.5　Variation ofmajor performance parameters with screw-in angle at altitude of 4 500m

圖6　海拔0m下主要性能參數(shù)隨擰入角度的變化Fig.6　Variation ofmajor performance parameters with screw-in angle at altitude of 0m

4　噴油器噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

原機(jī)在高原地區(qū)使用中，大量車輛暴露出發(fā)動機(jī)氣缸蓋燃燒室燒蝕和嚴(yán)重積炭問題如圖7所示。利用AVL MCC噴霧燃燒模型，進(jìn)行了低空氣密度條件下燃油霧化與油束發(fā)展仿真研究，優(yōu)選出一組增大噴孔數(shù)、減小孔徑和減小噴霧錐角的噴油器[6-7]，其規(guī)格為10×0.30×130°.優(yōu)化結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7　原機(jī)高原條件下故障狀況Fig.7　The failures of original engine in plateau area

圖8中，保持噴油器的流通面積不變，通過優(yōu)化噴孔數(shù)、同時改變噴孔直徑對高原和平原發(fā)動機(jī)功率及熱負(fù)荷的影響。當(dāng)噴孔數(shù)為10時，發(fā)動機(jī)的功率最大，渦輪前排氣溫度最低，所以選擇噴孔數(shù)為10，直徑為0.3 mm.在此基礎(chǔ)上，對噴霧錐角進(jìn)行優(yōu)化，由圖9可看出優(yōu)化結(jié)果，噴霧錐角130°為排溫最低、功率變化幅度較小。

圖8　噴油器孔徑的影響Fig.8　Influence of injection hole size

圖9　噴油器噴霧錐角的影響Fig.9　Influence of spray cone angle of injector

圖10給出了采用新規(guī)格噴油器與采用原機(jī)噴油器海拔4 500 m下柴油機(jī)主要性能參數(shù)變化情況?？煽闯觯诤０? 500m下，當(dāng)采用新方案噴油器時，柴油機(jī)動力性呈增長趨勢，熱負(fù)荷呈減小趨勢，外特性功率增大11～19 kW，渦輪前排氣溫度降低11℃～20℃，低速工況變化相對明顯。據(jù)此確定該型柴油機(jī)高原使用采用新規(guī)格噴油器。柴油機(jī)采用新規(guī)格噴油器進(jìn)行了平原性能仿真計算，結(jié)果表明，能夠到達(dá)平原需求功率，并且渦輪前排氣溫度降低15℃～21℃.

5　調(diào)整方案確定和試驗驗證

綜合考慮，在海拔4 500m高原地區(qū)使用時，該型發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)調(diào)整方案為：采取規(guī)格為10×0.30×130°新方案噴油器，且噴油泵供油調(diào)整螺釘向減油方向擰入270°.

圖10　海拔4 500m下匹配不同方案噴油器主要性能參數(shù)曲線Fig.10　Major performance parameters of diesel engine with different injectors at altitude of 4 500m

按照所確定的供油系統(tǒng)調(diào)整方案，對柴油機(jī)調(diào)整后進(jìn)行模擬高原發(fā)動機(jī)臺架試驗與裝車高原（西藏羊八井地區(qū)）行駛試驗驗證。發(fā)動機(jī)臺架試驗結(jié)果表明：采用較小噴油量后相對原機(jī)在整個外特性工況下，柴油機(jī)功率略有下降，但過量空氣系數(shù)提高約5%，冒煙問題也得到了改善。海拔4 500 m時，柴油機(jī)功率降低27%，排氣溫度和增壓器轉(zhuǎn)速均在限制范圍內(nèi)。由前面分析，原機(jī)海拔4 500 m時標(biāo)定功率下降20%；采取該供油系統(tǒng)調(diào)整措施后，海拔4 500m時，雖然發(fā)動機(jī)功率下降略微增大，但排氣溫度和增壓器轉(zhuǎn)速均得到了控制。同時，采取該供油系統(tǒng)調(diào)整措施后，車輛在高原行駛試驗中，未再發(fā)現(xiàn)類似故障現(xiàn)象，如圖11所示。

圖11　供油系統(tǒng)調(diào)整后柴油機(jī)高原氣缸蓋使用狀況Fig.11　The behavior in service of new fuel supply system in plateau area

因此，采取供油系統(tǒng)調(diào)整措施，降低了發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷，在一定程度上能夠緩減發(fā)動機(jī)原來暴露出的高原條件下氣缸蓋燒蝕現(xiàn)象。

6　結(jié)論

1）通過柴油機(jī)調(diào)整不同噴油泵最大供油量和匹配不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)噴油器模擬高原試驗研究，提出了適當(dāng)減小噴油泵最大供油量及采用增大噴孔數(shù)、減小孔徑和減小噴霧錐角的噴油器的供油系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)高原調(diào)整方案，降低了柴油機(jī)熱負(fù)荷，提高了柴油機(jī)高原條件下的可靠性。

2）采取所確定的供油系統(tǒng)調(diào)整方案后，海拔4 500m時，柴油機(jī)功率降低27%，其他控制參數(shù)均在限制范圍內(nèi)，可滿足車輛在高原地區(qū)的使用要求。

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Study of Adjusting Diesel Fuel Supply System in Plateau Area

REN Zhao-xin1，2，SU Tie-xiong2，WANG Zeng-quan1，YU Bao-jin1，DING Ji-feng1
（1.China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300400，China；2.College of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

For the reliability problems of diesel engine in plateau area，such as cylinder head ablation and so on，the simulation investigation ismade on themaximal fuel supply of injection pump and the different structures of injector nozzle.The effectiveness of themethod to control the thermal load of engine in plateau environment is verified by adjusting the fuel supply parameterswithoutmodifying the engine structures.A plateau adjustment scheme of fuel supply system is presented，which includes decreasing the largest supply of the fuel pump properly，increasing the number of the jet holes，and reducing the diameter of jet holes and the spray angle of injector，by performance optimization experiment.The proposed scheme can be used to reduce the heat load of diesel engine and improve the reliability of diesel engine in plateau environment.The results show that the power output of diesel engine is dropped by 27%at high altitude of 4 500m，and other control parameters are in the limited range.

powermachinery engineering；diesel；plateau area；fuel supply；adjustment

TK421

A

1000-1093（2015）12-2217-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.002

2015-06-05

任兆欣（1973—），男，研究員級高級工程師。E-mail：renzhaoxin@126.com；丁技峰（1979—），男，副研究員。E-mail：jfding_2005@163.com