試論適應(yīng)我國(guó)高原環(huán)境的車輛動(dòng)力解決方案

王智慧

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院，山西晉中0306191）

試論適應(yīng)我國(guó)高原環(huán)境的車輛動(dòng)力解決方案

王智慧1，2

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院，山西晉中0306191）

車輛在高原運(yùn)行時(shí)，由于高原的特殊環(huán)境使其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和廢氣排放性等指標(biāo)都大大下降。為了適應(yīng)我國(guó)高原環(huán)境，分析了高原環(huán)境對(duì)車輛柴油機(jī)造成的影響，綜述提出的一系列的解決措施，著重論述了增壓系統(tǒng)的改進(jìn)對(duì)車輛高原適應(yīng)性的改進(jìn)措施。

內(nèi)燃機(jī)；高原；動(dòng)力恢復(fù)；增壓器

我國(guó)地域遼闊，地形復(fù)雜，擁有著約占國(guó)土總面積60%的高原、山地地貌，其中3 000 m以上的高原面積就占據(jù)了國(guó)土總面積的26%.其中青藏高原是我國(guó)最大的高原地區(qū)，其平均海拔超過4 000 m，其總面積約占國(guó)土面積的1/4［1-2］.

高原地區(qū)的地理?xiàng)l件和氣候條件與平原大不相同。海拔越高，氣壓越低，空氣密度越小，海拔每升高1 000m，大氣壓力下降約9%，年平均氣溫下降5～7℃［3］.實(shí)驗(yàn)表明，每當(dāng)海拔升高1 000m，未經(jīng)過增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)功率約下降8%～10%，最低比油耗增加3%～4%［4］.本文主要論述了高原環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，并提出了一系列的車輛高原適應(yīng)性的改進(jìn)措施。

1　高原環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

西方發(fā)達(dá)國(guó)家高原面積較少且海拔低，對(duì)內(nèi)燃機(jī)高原適應(yīng)性問題相關(guān)的研究較少，且所作研究均局限在2 000m海拔以下。國(guó)內(nèi)高原面積遼闊，工程建設(shè)和交通運(yùn)輸車輛經(jīng)常變海拔工作，科研工作者圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)高原適應(yīng)問題進(jìn)行了大量極具特色的研究。由于大氣條件改變，原來根據(jù)低海拔運(yùn)行要求設(shè)計(jì)的車用柴油機(jī)在高原使用時(shí)進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量降低，燃料燃燒不充分且后燃嚴(yán)重，導(dǎo)致存在以下幾方面的問題：

（1）動(dòng)力性能。在高原環(huán)境中，由于高海拔處氣壓低，空氣密度小，在增壓比不變的情況下，進(jìn)氣量明顯下降，使柴油機(jī)空燃比發(fā)生改變，引起燃燒不充分、著火延遲、后燃嚴(yán)重、工作粗暴等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降，動(dòng)力性能變差。

（2）經(jīng)濟(jì)性能。在高原下柴油機(jī)燃燒惡化，散熱效率下降，高原路況惡劣，使得車輛的燃油消耗量增加，進(jìn)而經(jīng)濟(jì)性惡化。

（3）排放性能。發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境中由于進(jìn)氣量減少，使得燃燒溫度降低，燃燒不完全，會(huì)出現(xiàn)冒黑煙的情況，造成排放污染。

（4）啟動(dòng)性能。低溫低壓環(huán)境下，氣缸在壓縮行程末的溫度和壓力都沒有達(dá)到續(xù)燃要求，并且高原的低溫環(huán)境會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生不利影響，從而影響啟動(dòng)性能。

（5）冷卻性能。高原環(huán)境使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱快，同時(shí)產(chǎn)生較高的高原熱負(fù)荷，又由于高原空氣密度小，因此使冷卻風(fēng)量小，冷卻能力下降。

（6）壽命及可靠性能。高原環(huán)境下由于熱負(fù)荷的加劇，柴油機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)拉缸或排氣管熱損，增壓器發(fā)生超溫、超速、喘振，運(yùn)動(dòng)部件和空濾器會(huì)因?yàn)榭諝夂瑝m多而使其壽命降低。

2　柴油機(jī)高原適應(yīng)性的主要改善措施

在國(guó)外，由于高原工程需求有限，對(duì)于柴油機(jī)高原性能方面的相關(guān)研究開展較少。但是我國(guó)高原地區(qū)面積大，因此關(guān)于高原環(huán)境柴油機(jī)適應(yīng)性進(jìn)行了大量研究，尤其關(guān)于功率恢復(fù)方面取得了一定進(jìn)展。本文主要關(guān)注的是對(duì)柴油機(jī)本身的改進(jìn)，幾種常見的改進(jìn)方法如下：

2.1柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的改進(jìn)

可以采用增大空氣濾清器的直徑、增加進(jìn)氣道的長(zhǎng)度、加大進(jìn)氣門的直徑等措施來盡可能地減少進(jìn)氣阻力，增加進(jìn)氣的有效流通面積，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。

李建軍［5］等在海拔1 870 m的情況下對(duì)是否安裝空氣濾清器的柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)的壓力變化做了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝空氣濾清器的柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)壓力最大值比不安裝的約減小3 kPa左右。并且做了關(guān)于進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)氣管內(nèi)壓力波幅影響的研究，結(jié)果表明：壓力波幅隨著管長(zhǎng)的增長(zhǎng)而增大，在管長(zhǎng)1.2 m時(shí)達(dá)到了一個(gè)極值。

綜上所述可以得出：應(yīng)該盡可能地增大空濾器的直徑，適當(dāng)增長(zhǎng)進(jìn)氣管的長(zhǎng)度可以有效提高充氣效率。

另外，有效流通面積公式如下：

fmax＝Hπcosγ（d+0.5H sin2γ）

式中，f為流通面積，H為升程，d為進(jìn)氣口直徑之和。根據(jù)公式可知：可以通過采用增加進(jìn)氣門的直徑的措施來增大進(jìn)氣的有效流通面積，提高充氣效率。

2.2供油燃燒系統(tǒng)的調(diào)整

周文波等［6］通過以下幾個(gè)方面的措施改進(jìn)柴油機(jī)的供油系統(tǒng)：

（1）通過調(diào)整高壓油泵凸輪型線、柱塞直徑來提高泵端壓力，改善供油。

（2）通過合理增大供油提前角來增加壓縮終點(diǎn)的溫度，改善燃燒過程。

（3）通過適度增加噴油器開啟壓力來提高柴油霧化細(xì)度和均勻度，采取此種方法可進(jìn)一步改善燃燒過程。

2.3燃燒室形狀的改進(jìn)

不同的燃燒室形狀，對(duì)燃油燃燒的狀況會(huì)產(chǎn)生不同的影響。李建軍［5］等認(rèn)為可以對(duì)燃燒室進(jìn)行如下改進(jìn)：在燃燒室體積不變的情況下，改用縮口淺型燃燒室，這樣燃燒室深度減小，寬度增加，貫穿深度變淺。由于高原大氣壓力低，空氣稀薄，與平原地區(qū)相比進(jìn)氣量少，空氣流速慢。燃燒室這樣設(shè)計(jì)使進(jìn)入的氣體分布更均勻，燃燒更充分。

2.4增壓系統(tǒng)的改進(jìn)

帶有增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)與自然吸氣的柴油相比，尤其是帶有中冷柴油機(jī)在高原動(dòng)力恢復(fù)上能起到一定的補(bǔ)償作用，另外通過對(duì)增壓系統(tǒng)的改進(jìn)可以進(jìn)一步提高柴油機(jī)的高原適應(yīng)性［7］。改進(jìn)增壓系統(tǒng)提高柴油機(jī)的高原適應(yīng)性主要有兩種方法：①保持增壓方案不變，重新為高原工作的柴油機(jī)進(jìn)行匹配合適的增壓器；②改進(jìn)增壓方案，增強(qiáng)增壓系統(tǒng)的可調(diào)性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者和機(jī)構(gòu)做了一些關(guān)于高原發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器匹配的研究，中南大學(xué)和天雁公司做了高原增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配實(shí)驗(yàn)，分析了高原條件對(duì)增壓系統(tǒng)的影響因素，并指出來高原環(huán)境下增壓器可能出現(xiàn)的一系列問題，比如喘振、超速超溫等［8］。由于高原的特殊環(huán)境條件，發(fā)動(dòng)機(jī)需要增壓比更高，流量更大的增壓器，但這與平原所需要的增壓器的性能是不同的。此外，在高原地區(qū)，壓氣機(jī)的喘振線有向右移動(dòng)的傾向，因此高增壓比、大流量的增壓器產(chǎn)生喘振的傾向更大［9-10］。

發(fā)動(dòng)機(jī)的耗氣特性與增壓器的流量特性的矛盾是不可調(diào)和的，發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器在全工況范圍內(nèi)不可能達(dá)到完全匹配，現(xiàn)在出現(xiàn)的可調(diào)增壓技術(shù)一定程度上調(diào)和了這一矛盾。例如，帶放氣閥的增壓器以及二級(jí)甚至多級(jí)增壓器已經(jīng)在高原上得到了應(yīng)用，并取得了一定的效果。目前，研究對(duì)高原環(huán)境適應(yīng)性更好地的增壓器成為增壓器研究人員研究熱點(diǎn)，比如現(xiàn)在出現(xiàn)的可二級(jí)可調(diào)增壓技術(shù)、可變幾何截面增壓（VGT）技術(shù)、電復(fù)合增壓技術(shù)、相繼增壓技術(shù)等。

（1）帶放氣閥增壓技術(shù)

帶放氣閥的增壓器，近年來在高原環(huán)境中得到了應(yīng)用，如圖1所示，原理是在渦輪的入口處加裝放氣閥，通過連桿機(jī)構(gòu)與彈簧及膜片配合工作，由于壓比升高，增壓器容易發(fā)生超速現(xiàn)象，當(dāng)壓氣機(jī)前后的壓力差超過彈簧的預(yù)緊力時(shí)，推動(dòng)膜片移動(dòng)，帶動(dòng)推桿打開廢氣放氣閥，使一部分廢氣排入空氣中，因此起到了防止增壓器超速的目的。

圖1　帶放氣閥的增壓器

高原中使用帶放氣閥的增壓技術(shù)時(shí)，雖然增壓比升高，但是壓氣機(jī)的前后壓差變小，這很可能導(dǎo)致機(jī)械式的廢氣閥增壓器失去作用，因此使用電控的放氣閥，可以調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力，這樣使其更適應(yīng)高原的特殊環(huán)境。廢氣放氣閥技術(shù)可以提高高原環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩特性，但同時(shí)也造成功率的浪費(fèi)［11］。

（2）二級(jí)增壓技術(shù)

圖2為二級(jí)技術(shù)原理圖，二級(jí)增壓系統(tǒng)包括兩級(jí)壓氣機(jī)和兩級(jí)渦輪，新鮮充量經(jīng)過兩級(jí)壓氣機(jī)的壓縮，進(jìn)入中冷器，再進(jìn)入氣缸。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣通過高壓級(jí)和低壓級(jí)的渦輪膨脹做功［13］。兩級(jí)增壓器在選擇上通常選擇流通面積較小的作為高壓級(jí)，流通面積較大的作為低壓級(jí)。

圖2　可調(diào)二級(jí)增壓方案原理圖

目前，這一技術(shù)在高原柴油機(jī)功率恢復(fù)方面已取得一定進(jìn)展。北京理工大學(xué)在二級(jí)增壓研究上取得了一定成果。研究了高原環(huán)境中發(fā)動(dòng)機(jī)與二級(jí)增壓系統(tǒng)的匹配方案，并通過仿真得出利用二級(jí)增壓系統(tǒng)可使柴油機(jī)的標(biāo)定功率在高原環(huán)境中可恢復(fù)至平原的80%［14-16］的水平，并有效避免了喘振和超速的情況。

（3）可變幾何截面增壓器技術(shù)

可變幾何截面渦輪增壓器技術(shù)（VGT或VNT），可變幾何渦輪增壓器通過改變渦輪的流通面積來拓寬增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的范圍。如圖3所示為GARRETT公司生產(chǎn)的某可調(diào)向心渦輪增壓器渦輪端結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速時(shí)，調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)的導(dǎo)葉使流通面積減小，增壓器轉(zhuǎn)速及增壓壓力提高，柴油機(jī)的進(jìn)氣量增大，提高低速扭矩特性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速時(shí)，調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)導(dǎo)葉使流通面積增大，增壓器轉(zhuǎn)速降低，防止增壓壓力過高，降低排氣背壓和泵氣損失。

圖3　某可調(diào)向心渦輪增壓器渦輪端結(jié)構(gòu)圖

清華大學(xué)對(duì)可變幾何增壓柴油機(jī)進(jìn)行了高原性能研究和仿真，結(jié)果表明可變幾何渦輪增壓技術(shù)可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境中的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)系，使并且可以有效避免壓氣機(jī)超速、超溫和喘振的問題［12］。

（4）電輔助增壓

電渦輪復(fù)合增壓技術(shù)近幾年得到了各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，其中電輔助渦輪增壓技術(shù)是典型的代表。電輔助增壓有一集成的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，電輔助增壓技術(shù)可以利用電來進(jìn)行輔助增壓，提高增壓器轉(zhuǎn)速，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的加速效應(yīng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速小負(fù)荷時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，提高進(jìn)氣壓力，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高的一定時(shí)，能夠保證壓氣機(jī)的進(jìn)氣足夠，這時(shí)可以脫開或者關(guān)閉電機(jī)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速大負(fù)荷工況時(shí)，多余廢氣可以轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在電池里或者通過發(fā)電機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電［17］。圖4為電動(dòng)增壓器后置方案。

圖4　電輔助增壓電動(dòng)增壓器后置方案圖

由于電機(jī)的不可靠性，因此電輔助增壓技術(shù)在實(shí)際還很少應(yīng)用，在高原環(huán)境中應(yīng)用的較少。吉林大學(xué)在電輔助渦輪增壓的高原環(huán)境應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在海拔3 800 m進(jìn)行了渦輪增壓和電輔助增壓車輛的加速試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用電輔助增壓技術(shù)，使高原行駛的車輛的動(dòng)力性和加速性得到了一定的提升［18］。

（5）其他增壓

近些年，關(guān)于增壓器的改進(jìn)從來沒有停止，許多學(xué)者在不斷探究，Nicola Terdich［19］等人研究了電輔助可變截面渦輪增壓器對(duì)柴油機(jī)的性能的影響，結(jié)果表明，結(jié)合電輔助和可變幾何截面的增壓器可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提高壓比，提高瞬態(tài)響應(yīng)；Aki Gronman［20］等人研究了兩級(jí)中冷電輔助增壓前期的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，結(jié)果表明改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得更大的壓比和較高的效率，但是并沒有相關(guān)在高原環(huán)境的的研究報(bào)道。

3　結(jié)束語(yǔ)

在高原環(huán)境，柴油機(jī)的性能受到高原低溫、低壓、缺氧等惡劣環(huán)境的影響，各方面性能下降，影響柴油機(jī)的正常使用。解決這一問題的措施可以通過改進(jìn)柴油機(jī)本身來進(jìn)行彌補(bǔ)，本文從改進(jìn)柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、燃燒室形狀、增壓系統(tǒng)等方面進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)闡述了增壓系統(tǒng)的改進(jìn)在柴油機(jī)高原適應(yīng)性方面的技術(shù)現(xiàn)狀。

［1］沈穎剛.高原環(huán)境下內(nèi)燃機(jī)工作過程應(yīng)用基礎(chǔ)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2003.

［2］王軍.WD615系列高原柴油機(jī)的開發(fā)［D］.天津：天津大學(xué)，2003.

［3］靳生盛.高原環(huán)境對(duì)工程機(jī)械運(yùn)行可靠性的影響［J］.青海交通科技，2004，（6）：43-44.

［4］葉林保，楊林，高治宏.汽車用渦輪增壓柴油機(jī)高原性能的研究［J］.現(xiàn)代車用動(dòng)力，2006，（1）：39-43.

［5］李建軍，汪溪.改善高原地區(qū)柴油機(jī)燃燒狀況的主要措施［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2003，（4）：202-203.

［6］周文波，朱梅林.高原柴油機(jī)的渦輪增壓技術(shù)研究［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2003，（3）：4-8.

［7］徐華平，石巖峰，張旭，等.某高原增壓柴油機(jī)噴油提前角優(yōu)化及性能研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2014，（1）：1-7.

［8］廖云，周乃君，周成堯，等.4110國(guó)Ⅲ柴油機(jī)增壓器高原適應(yīng)性試驗(yàn)［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2011，（5）：3-6.

［9］朱大鑫，董復(fù)興.6102柴油機(jī)配裝特制增壓器嘗試恢復(fù)高原功率［J］.柴油機(jī)，1994，（4）：10-15.

［10］楊勇，李志剛，沈宏繼，等.風(fēng)冷柴油機(jī)高原恢復(fù)功率臺(tái)架模擬試驗(yàn)研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2005，（2）：13-15.

［11］李華雷，石磊，鄧康耀，等.D6114柴油機(jī)高海拔功率恢復(fù)計(jì)算研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013，（4）：30-35.

［12］張海雷.柴油機(jī)變海拔渦輪增壓技術(shù)研究［D］.北京：清華大學(xué)，2008.

［13］魏名山，尹于明，馬朝臣.高速柴油機(jī)二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2006，27（6）：11-14.

［14］魏名山，張志，何永玲，等.帶不同類型調(diào)節(jié)閥的二級(jí)增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能對(duì)比［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30（1）：51-54.

［15］劉系暠，魏名山，馬朝臣，等.不同海拔下單級(jí)和二級(jí)增壓柴油機(jī)的仿真［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010，28（5）：447-452.

［16］施新，李文祥.匹配二級(jí)順序增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)高原特性仿真［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，（4）：397-402.

［17］徐廣蘭.電動(dòng)增壓器電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［18］王文閣.應(yīng)用電動(dòng)增壓器提高車輛高原行駛的動(dòng)力性［J］.汽車技術(shù)，2004，（9）：5-8.

［19］Nicola Terdich，Ricardo F.Martinez-Botas，A lessandro Romagnoli，Apostolos Pesiridis.Mild Hybridization via Electri fication of the Air System：Electrically Assisted and Variable Geometry Turbocharging Impact on an Off-Road Diesel Engine［C］.ASME.America：Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2014：031703-031712.

［20］Aki Gronman，Petri Sallinen，Juha Honkatukia，Jari Back man，Antti Uusitalo.Desing and experiments of tow-stage intercooled electrically assisted turbocharger［J］.Energy Con versation and Management，2016，（111）：115-124.

Discuss of the Solutions for Vehicle Power Recovering at Plateau

WANG Zhi-hui1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Mechanics Institute Jinzhong University，Jinzhong Shanxi030619，China）

When the vehicle is running at high altitude，its power，economy，reliability and emission ofwaste gas are greatly reduced due to the special environment of the plateau.In order to adapt to the plateau environment of China，analyses the effect caused by the plateau environment of vehicle diesel engine，this paper puts forward a series of measures to solve，focuses on the improvement of turbocharging system on vehicle plateau adaptability improvementmeasures.

internal combustion engine；plateau；power recovery；turbocharger

U461.6

A

1672-545X（2016）06-0126-04

2016-03-03

王智慧（1986-），女，黑龍江哈爾濱人，在讀博士研究生，研究方向：動(dòng)力機(jī)械渦輪增壓技術(shù)。