高原環(huán)境對(duì)船用柴油機(jī)的影響及性能改善研究*

寧海強(qiáng)，王子辰，李文來，戴浩然

（陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū)，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

我國(guó)青藏高原地理位置敏感，與印度、阿富汗、巴基斯坦等國(guó)接壤，中印兩國(guó)之間的界湖——班公湖屬于高原內(nèi)陸湖，全長(zhǎng)約160 km，湖區(qū)面積約604 km2，湖面平均海拔4 242 m，平均水深22 m[1]。由于該湖處于高原高寒地區(qū)，大氣壓力和年平均氣溫低，晝夜溫差及水蒸發(fā)量大、沸點(diǎn)低，這些惡劣的自然環(huán)境對(duì)航行于該湖區(qū)船艇的動(dòng)力性能產(chǎn)生顯著的影響：其主機(jī)運(yùn)行時(shí)，低溫起動(dòng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、熱平衡性、動(dòng)力性以及排放性能等指標(biāo)都大幅度下降，具體表現(xiàn)在柴油機(jī)起動(dòng)困難，冷卻水易“開鍋”導(dǎo)致冷卻效果差、機(jī)體水套穴蝕，燃燒不充分導(dǎo)致動(dòng)力性能下降等，使得船艇長(zhǎng)期處于不良的技術(shù)狀態(tài)，難以滿足船艇在班公湖水域航行要求。本文作者主要從柴油機(jī)技術(shù)管理方面提出某船用D683B型柴油機(jī)在高原低氧高寒環(huán)境下性能提升方面的技術(shù)改進(jìn)措施以及使用管理對(duì)策，有效提高高原船艇的機(jī)動(dòng)性能和使用壽命，對(duì)我國(guó)邊防安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1 高原環(huán)境對(duì)船用柴油機(jī)性能的影響分析

隨著海拔高度的變化，大氣壓力、空氣密度、水沸點(diǎn)等指標(biāo)也會(huì)隨之變化，如表1所示。在海拔0～5 000 m范圍內(nèi)隨著海拔的升高，大氣壓力、空氣密度以及水沸點(diǎn)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[2]。

表1 海拔高度與大氣壓力、空氣密度、水沸點(diǎn)的關(guān)系

1.1 高原環(huán)境對(duì)船用柴油起動(dòng)性能的影響

根據(jù)柴油機(jī)工作原理，柴油機(jī)正常起動(dòng)時(shí)需同時(shí)滿足3個(gè)必要條件：一是起動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速，保證壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)的溫度達(dá)到柴油自燃點(diǎn)；二是適時(shí)進(jìn)入氣缸的足量的新鮮空氣；三是定時(shí)、定量噴入氣缸的霧化良好的燃油。D683型柴油機(jī)采用電起動(dòng)，在高原寒冷環(huán)境下，蓄電池的工作能力會(huì)變?nèi)?。主要表現(xiàn)在輸出功率下降、電池容量降低和端電壓下降較快，不僅無法提供多次、長(zhǎng)時(shí)間起動(dòng)所需的能量，也會(huì)降低電池自身的工作壽命[3-4]。同時(shí)在低溫條件下，柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速會(huì)因?yàn)槭艿綕?rùn)滑油粘度以及柴油機(jī)各零部件之間的摩擦阻力增大的影響而下降。低溫也使柴油的粘度有所增大，導(dǎo)致噴油霧化質(zhì)量下降，燃燒不充分，滯燃期延長(zhǎng)。同樣，高原低壓所導(dǎo)致的進(jìn)氣量不充足以及較低的進(jìn)氣溫度也會(huì)使柴油機(jī)起動(dòng)性能變差。

綜上所述，在高原環(huán)境下，柴油機(jī)的起動(dòng)性能受低氣壓和低氣溫等因素的影響，正常起動(dòng)所需的條件難以滿足，導(dǎo)致柴油機(jī)在高原環(huán)境下起動(dòng)困難。

1.2 高原環(huán)境對(duì)船用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能的影響

冷卻液直接影響到柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能，而冷卻液的溫度不僅與燃燒過程和傳熱損失密切相關(guān)，也間接影響著潤(rùn)滑油的溫度、粘度及摩擦損失。在高原環(huán)境下，低壓致使冷卻液的沸點(diǎn)較之平原有所降低，容易出現(xiàn)液溫還未達(dá)到使用要求時(shí)冷卻液已經(jīng)沸騰“開鍋”的現(xiàn)象。以常用冷卻介質(zhì)蒸餾水為例，一般柴油機(jī)正常工作時(shí)冷卻水的溫度應(yīng)在80～90℃左右，而在高原環(huán)境下，當(dāng)海拔達(dá)到4 000 m時(shí)，冷卻水的沸點(diǎn)僅有87℃左右，當(dāng)海拔達(dá)到5 000 m時(shí)，冷卻水的沸點(diǎn)更是降到84℃左右，如表1所示。即在平均海拔達(dá)到4 200 m的班公湖地區(qū)，船艇主機(jī)的冷卻水極易沸騰，導(dǎo)致柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能下降，造成機(jī)體過熱、受熱零件冷卻不足、機(jī)油變質(zhì)、燃燒異常等。同時(shí)，沸騰的冷卻水產(chǎn)生的大量氣泡還會(huì)加重水泵葉輪、氣缸套、缸蓋等部件的表面穴蝕現(xiàn)象，致使整個(gè)柴油機(jī)性能下降，可靠性降低、使用壽命縮短。

1.3 高原環(huán)境對(duì)船用柴油機(jī)動(dòng)力性能的影響

由于大氣壓力隨著海拔高度的增加而下降，導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的充氣密度下降，在一定的過量空氣系數(shù)下進(jìn)氣含氧量明顯降低，使得燃燒不完全、后燃現(xiàn)象嚴(yán)重、燃燒惡化、冒黑煙，氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力降低，功率下降，最終導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降，可靠性降低。此外，柴油機(jī)在高原環(huán)境下工作時(shí)各個(gè)系統(tǒng)又會(huì)相互影響：由于冷卻系統(tǒng)性能變差，柴油機(jī)零部件長(zhǎng)期處于過熱狀態(tài)；配氣機(jī)構(gòu)過熱會(huì)改變柴油機(jī)的配氣相位，從而影響柴油機(jī)的進(jìn)排氣，造成柴油機(jī)燃燒不良；燃油粘度變大，導(dǎo)致零化不良，后燃嚴(yán)重，排氣溫度升高等，加重了冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；冷卻不良會(huì)使?jié)櫥蜏囟壬?，粘度變低，?rùn)滑不良，從而也降低了柴油機(jī)的動(dòng)力性和可靠性。

2 高原船用柴油機(jī)性能改善技術(shù)

針對(duì)高原環(huán)境對(duì)船用柴油機(jī)性能帶來的不良影響，結(jié)合某高原巡邏艇用D683B型柴油機(jī)在使用時(shí)所面臨的實(shí)際問題，從優(yōu)化起動(dòng)性能、改善冷卻效果、提升動(dòng)力性能3個(gè)方面提出有效的性能改善策略，以保證高原環(huán)境下船艇的安全航行。

2.1 柴油機(jī)起動(dòng)性能優(yōu)化

在高原環(huán)境下，柴油機(jī)受到低溫、低壓等因素的影響，進(jìn)入氣缸的空氣量不足，燃燒室內(nèi)的壓縮空氣也達(dá)不到起動(dòng)所需要的壓力和溫度，柴油機(jī)起動(dòng)性能較平原環(huán)境下大大降低，起動(dòng)難度大。結(jié)合該巡邏艇特點(diǎn)，從超級(jí)電容并聯(lián)蓄電池起動(dòng)、加注冷啟動(dòng)液和使用預(yù)熱裝置3個(gè)方面開展研究[5-6]。

2.1.1 超級(jí)電容并聯(lián)鉛酸蓄電池起動(dòng)

該巡邏艇上的D683B型柴油機(jī)大多采用鉛酸蓄電池作為起動(dòng)電源，在高原環(huán)境下由于受到低氧高寒條件的影響，蓄電池容量降低，壓降變大，導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)困難。超級(jí)電容是一種新型儲(chǔ)能容器，其內(nèi)阻很小，可以提供更大的瞬時(shí)電流、啟動(dòng)功率以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有著大電流快速充放電、壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍廣的特性。鉛酸蓄電池則可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存電能，能比超級(jí)電容多儲(chǔ)存10倍以上的能量[7]。將超級(jí)電容與鉛酸蓄電池并聯(lián)起動(dòng)，如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)多次、快速起動(dòng)。

起動(dòng)前，鉛酸蓄電池先對(duì)超級(jí)電容充電，待充電完成后將兩者一起作為起動(dòng)電源裝置，閉合鑰匙開關(guān)，接觸器觸頭接通，起動(dòng)瞬間在超級(jí)電容提供的瞬時(shí)大電流與鉛酸蓄電池的共同作用下，起動(dòng)電機(jī)得到更多的電能，保證柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)標(biāo)。因此，結(jié)合巡邏艇機(jī)艙空間特點(diǎn)，采用超級(jí)電容并聯(lián)鉛酸蓄電池的起動(dòng)方式，保證柴油機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速，很大程度地提高柴油機(jī)在低溫條件下的起動(dòng)性能，解決了柴油機(jī)低溫條件下起動(dòng)困難的問題。

2.1.2 加注冷啟動(dòng)液

冷啟動(dòng)液是一種以乙醚或其它自燃點(diǎn)比較低的燃料作為基礎(chǔ)而組成的特殊液體[5]。以乙醚啟動(dòng)液為例，其具有燃點(diǎn)低、揮發(fā)性好的自身特性，在3.2 MPa壓力下燃點(diǎn)僅為57℃左右，可以幫助混合氣體燃燒[8]。因此，在D683柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以將一定量霧化良好的乙醚啟動(dòng)液噴射至空氣濾清器的進(jìn)氣口處，如圖2所示，通過增壓器增壓并經(jīng)過進(jìn)氣道與新鮮空氣充分混合后進(jìn)入燃燒室，利用其低燃點(diǎn)特性助燃噴入氣缸的柴油，從而提高柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能。

2.1.3 使用預(yù)熱裝置

高原低溫環(huán)境下，進(jìn)入燃燒室空氣溫度較低，冷機(jī)狀態(tài)下柴油機(jī)活塞環(huán)與缸套間配合間隙較大，燃燒室密封性下降，導(dǎo)致柴油機(jī)壓縮終了時(shí)的溫度難以達(dá)到柴油自燃溫度。在柴油機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)安裝進(jìn)氣預(yù)熱裝置，可以提高柴油機(jī)在壓縮終了時(shí)刻缸內(nèi)混合氣溫度，從而改善高原低溫條件下船用柴油機(jī)起動(dòng)性能。

該裝置由預(yù)熱塞、電磁閥、進(jìn)油管、電子控制器、繼電器、溫度傳感器、指示燈等元件組成。其線路圖如圖3所示。在起動(dòng)柴油機(jī)之前，先將起動(dòng)電鑰匙轉(zhuǎn)到ON檔位，當(dāng)指示燈DL亮，表示預(yù)熱塞被加熱。在接通電源對(duì)預(yù)熱塞預(yù)熱時(shí)，控制器開始計(jì)時(shí)，約50 s后預(yù)熱程序完成。指示燈DL開始閃爍，表示預(yù)熱完畢、可以起動(dòng)柴油機(jī)。在完成預(yù)熱程序后，控制器開始計(jì)時(shí)，若在30s內(nèi)未進(jìn)行起動(dòng)操作或起動(dòng)不成功，控制器控制預(yù)熱裝置停止工作，使裝置得到延時(shí)保護(hù)。若需要再次起動(dòng)柴油機(jī)，需將電鑰匙退回到OFF檔位，停留5 s后重復(fù)上述過程。當(dāng)起動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸油泵供油，柴油經(jīng)電磁閥進(jìn)入預(yù)熱塞立即被熾熱塞點(diǎn)燃，形成火焰，預(yù)熱進(jìn)氣，使柴油機(jī)易于起動(dòng)。

柴油機(jī)起動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后即可停止使用預(yù)熱裝置，以延長(zhǎng)預(yù)熱塞的壽命。只要將起動(dòng)電鑰匙轉(zhuǎn)至OFF檔位，預(yù)熱裝置即停止工作。這種預(yù)熱進(jìn)氣的措施可靠性比較高，使用操作簡(jiǎn)單，可有效提升柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能。

2.2 改善船用柴油機(jī)冷卻效果

2.2.1 冷卻液改性

冷卻系統(tǒng)是柴油機(jī)的重要組成部分，柴油機(jī)的冷卻液通常由水和防凍液組成。與水相比，防凍液具有良好的防凍、防沸、防腐蝕、防水垢的功能。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)是100℃，冰點(diǎn)是0℃，而配比良好的冷卻液沸點(diǎn)可大于106℃，冰點(diǎn)達(dá)-25～-60℃。

當(dāng)前我國(guó)在高原地區(qū)基本采用的防凍液是由水與乙二醇按一定比例混合而成的乙二醇-水型防凍液。乙二醇-水型防凍液具有冰點(diǎn)低、沸點(diǎn)高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在膨脹系數(shù)大、腐蝕性強(qiáng)、有毒性的缺點(diǎn)。采用丙二醇型防凍液來代替乙二醇-水型防凍液，在保證良好的熱傳導(dǎo)性、高沸點(diǎn)低冰點(diǎn)的同時(shí)，在抗腐蝕性和毒性方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于乙二醇型防凍液，兩種防凍液的特性對(duì)比如表2所示。

表2 乙二醇-水型冷卻液和丙二醇-水型防凍液特性對(duì)比

因此，在高原使用的D683B型柴油機(jī)可以采用冷卻液改性的方法，復(fù)配沸點(diǎn)高，冰點(diǎn)低且環(huán)保的冷卻液，從而改善柴油機(jī)的冷卻效果。

2.2.2 閉式冷卻系統(tǒng)加壓

高原環(huán)境下，柴油機(jī)冷卻水的沸點(diǎn)隨大氣壓力的降低而降低，不僅自身容易“開鍋”，還會(huì)影響柴油機(jī)的散熱，使柴油機(jī)冷卻效果變差。船用D683B型柴油機(jī)采用閉式冷卻系統(tǒng)，為提高冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，在一定程度上提高冷卻水沸點(diǎn)，可對(duì)柴油機(jī)膨脹水箱進(jìn)行加壓，如圖4所示。

圖4 閉式冷卻加壓系統(tǒng)示意圖

改進(jìn)后的膨脹水箱內(nèi)部裝有一層氣囊，氣囊將水箱分割成氣室和水室兩個(gè)部分。從水箱頂部的充氣口向氣囊上部的氣室內(nèi)充入氮?dú)?，水泵從水艙抽水到氣囊下部的水室，壓力繼電器控制水泵的啟停。水箱左壁裝有一個(gè)泄放閥，出水口位于水箱底部，水泵與水箱入水口之間裝有一個(gè)單項(xiàng)截止閥，用來控制水單向流動(dòng)。閉式冷卻系統(tǒng)加壓的工作原理為：向氣室內(nèi)充入一定量的氮?dú)?，同時(shí)向水室內(nèi)注滿冷卻水（直至氣囊與水室之間剛好沒有空氣）。設(shè)定壓力繼電器的調(diào)控壓力值，當(dāng)系統(tǒng)壓力小于調(diào)控壓力值時(shí)，壓力繼電器控制電機(jī)啟動(dòng)，水泵向水室內(nèi)注水，水進(jìn)入水室的同時(shí)擠壓氣囊上部的氮?dú)?，氣室體積減小壓力升高，冷卻水受到壓縮，沸點(diǎn)升高。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到調(diào)控壓力值時(shí)，壓力繼電器控制水泵停止抽水。當(dāng)系統(tǒng)壓力過高以至于超過膨脹水箱承受范圍時(shí)，泄放閥開啟，冷卻水通過閥門排出，系統(tǒng)壓力降低。這種閉式冷卻系統(tǒng)加壓的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水的加壓，以提高冷卻水沸點(diǎn)，解決高原冷卻水易“開鍋”的問題，改善柴油機(jī)的冷卻效果。

2.3 提升柴油機(jī)動(dòng)力性能

2.3.1 空氣濾清器選型

為防止雜物和灰塵被吸入氣缸，D683B型船用柴油機(jī)進(jìn)氣道上均裝有空氣濾清器?？諝鉃V清器有兩個(gè)重要的指標(biāo)，分別是原始阻力和原始濾清效率。原始阻力大小會(huì)直接影響柴油機(jī)進(jìn)氣量的大小，原始濾清效率則反映了空濾器的過濾灰塵能力[9]。原始濾清效率與原始阻力呈正相關(guān)。D683B型柴油機(jī)在班公湖運(yùn)行時(shí)，受到低壓和低空氣密度的影響導(dǎo)致進(jìn)氣量不足，動(dòng)力性能下降。由于班公湖地帶海拔高，湖區(qū)空氣非常干凈，對(duì)原始濾清效率的要求并不高，所以可以通過降低原始阻力來提高進(jìn)氣量從而提高柴油機(jī)動(dòng)力性能。濾芯的過濾面積直接影響原始阻力，可通過減小濾芯的折數(shù)、增大濾芯的孔徑等方法來減小濾芯的過濾面積，進(jìn)而使原始阻力降低，增大進(jìn)氣量，提升柴油機(jī)運(yùn)行效率。

2.3.2 優(yōu)化氣門間隙

為補(bǔ)償柴油機(jī)運(yùn)行過程中氣門受熱后的膨脹量，確保氣門能夠正常地開啟和關(guān)閉，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí)通常在氣門組和氣門傳動(dòng)組之間預(yù)留一定的氣門間隙。D683B型柴油機(jī)在平原地區(qū)使用時(shí)的最佳進(jìn)氣門間隙為0.3 mm，排氣門間隙為0.5 mm。班公湖大氣壓力小、空氣密度低，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣量較之平原有所減小。適當(dāng)減小進(jìn)氣門的氣門間隙，將其調(diào)至0.2～0.25 mm，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門早開晚關(guān)，使開啟持續(xù)角變大，進(jìn)氣時(shí)間變長(zhǎng)，有利于增大循環(huán)氧氣供應(yīng)，提升柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

2.3.3 優(yōu)化燃油系統(tǒng)

通過優(yōu)化燃油系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)船艇在班公湖區(qū)航行的動(dòng)力性能，具體措施有：

（1）增大供油提前角。班公湖地區(qū)海拔高，較之平原D683B型柴油機(jī)在壓縮終了時(shí)的溫度和壓力有所下降，滯燃期延長(zhǎng)[10]。增大并調(diào)整噴油提前角至最佳值，這樣壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)的溫度和壓力得以增加，提高了柴油機(jī)的動(dòng)力性能。增大供油提前角使缸內(nèi)爆發(fā)壓力和溫度提升的同時(shí)要注意溫度和壓力不要超過柴油機(jī)設(shè)計(jì)的最大值，否則會(huì)使柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，零部件負(fù)荷加重，影響使用壽命。

（2）增大啟噴壓力。通過適度增加噴油器調(diào)壓墊片的厚度來增大噴油器的啟噴壓力可提高柴油的霧化細(xì)度和均勻度，從而在一定程度上改善燃燒過程，提升燃燒質(zhì)量，提升柴油機(jī)運(yùn)行動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

（3）減小最大供油量，改進(jìn)噴嘴。在調(diào)整柴油機(jī)不同噴油泵的最大供油量和匹配不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴方面，適當(dāng)減小噴油泵的最大供油量以及采用增大噴孔數(shù)量、減小噴孔孔徑和減小噴霧錐角的噴油器可以改善燃燒，從而提高D683B型柴油機(jī)在班公湖高原條件下運(yùn)行的可靠性和環(huán)保性。

由于船艇航行班公湖地區(qū)空氣質(zhì)量、海拔高度等環(huán)境條件變化不大，因此，上述提到的改變空濾器結(jié)構(gòu)、調(diào)整氣門間隙、優(yōu)化燃油系統(tǒng)等提升動(dòng)力性能措施在高海拔環(huán)境下均能夠起到良好的效果，可以結(jié)合實(shí)際情況綜合應(yīng)用。

3 總結(jié)

本文作者針對(duì)性高原船用D683B型柴油機(jī)特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)班公湖區(qū)巡邏艇用柴油機(jī)使用管理時(shí)遇到的難題，分析高原環(huán)境給柴油機(jī)在起動(dòng)性、冷卻性和動(dòng)力性等方面帶來的不良影響，并提出改善柴油機(jī)性能的具體方法策略：

（1）在優(yōu)化起動(dòng)性能方面，提出超級(jí)電容并聯(lián)鉛酸蓄電池起動(dòng)、加注冷啟動(dòng)液、使用預(yù)熱裝置3種冷起動(dòng)輔助措施，降低高原低溫、低壓對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)帶來的不良影響，提高柴油機(jī)在高原環(huán)境下的起動(dòng)性能。

（2）在改善冷卻效果方面，提出通過冷卻液改性和閉式冷卻系統(tǒng)加壓的方法，提高冷卻液的沸點(diǎn)，提升柴油機(jī)的冷卻性能。

（3）在提升動(dòng)力性能方面，主要立足進(jìn)氣和燃燒兩個(gè)層面，提出空氣濾清器選型、合理調(diào)整氣門間隙和優(yōu)化燃油系統(tǒng)等措施，結(jié)合高原環(huán)境下柴油機(jī)使用特點(diǎn)綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)動(dòng)力性能的提升。