高海拔環(huán)境下農(nóng)用柴油機(jī)適應(yīng)性分析與展望

李成越 何超

摘要：海拔高度對農(nóng)用柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生巨大的影響，本文就高海拔地區(qū)多種環(huán)境因素對農(nóng)用柴油機(jī)性能的影響展開分析，最后，針對農(nóng)用柴油機(jī)在高海拔地區(qū)的工作現(xiàn)狀，進(jìn)行了總結(jié)和展望，提出了三種措施以提高在高海拔下農(nóng)用柴油機(jī)適應(yīng)性。

Abstract： Altitude has a tremendous influence on the operation of agricultural diesel engines. This paper analyses the effects of various environmental factors on the performance of agricultural diesel engines in high altitude areas. Finally， the paper summarizes and prospects the working status of agricultural diesel engines in high altitude areas and proposes three measures to improve the adaptability of agricultural diesel engines in high altitude.

關(guān)鍵詞：高海拔;農(nóng)用柴油機(jī);適應(yīng)性;技術(shù)措施

Key words： high altitude;agricultural diesel engine;adaptability;technical measures

中圖分類號：TK429? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0072-02

0? 引言

柴油機(jī)因扭矩大、動力性強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)機(jī)械，其技術(shù)發(fā)展程度對我國農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展水平有著重要的影響，也是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的動力基礎(chǔ)。中國地域遼闊，地形復(fù)雜多樣，南北緯度跨度極大，海拔分布呈現(xiàn)西高東低[1]，這就造成在我國中西部部分地區(qū)具有明顯的地域性氣候特點(diǎn)。柴油機(jī)在工作過程中，其性能主要受到環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、雨雪、風(fēng)沙等環(huán)境因素影響，這些自然因素在我國中西部高海拔地區(qū)尤為惡劣，此外，農(nóng)用柴油機(jī)的運(yùn)行過程中通常伴隨著連續(xù)長時間高負(fù)荷使用，使得高海拔地區(qū)的農(nóng)用柴油機(jī)出現(xiàn)明顯的動力性下降[2]、故障率升高、工作噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性[3]和排放特性[4]下降等問題。柴油機(jī)從設(shè)計、制造、定型、生產(chǎn)到投入使用，需經(jīng)歷漫長的時間，所以農(nóng)用柴油機(jī)在設(shè)計階段就應(yīng)考慮到其工作環(huán)境的復(fù)雜性，盡可能提高其環(huán)境適應(yīng)性，以此提高產(chǎn)品的競爭力。

針對我國高海拔地區(qū)的自然環(huán)境條件，結(jié)合農(nóng)用柴油機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境，分析了高海拔地區(qū)對農(nóng)用柴油機(jī)的性能影響，此外，本文提出來幾種提高農(nóng)用柴油機(jī)高原適應(yīng)性的技術(shù)措施，也是未來高海拔農(nóng)用柴油機(jī)開發(fā)的重要研究方向。

1? 高海拔地區(qū)環(huán)境概述

高海拔地區(qū)不同于平原和丘陵地區(qū)，自然環(huán)境組成部分相對復(fù)雜多變，其中包含大氣環(huán)境、地表環(huán)境、水文環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境以及空間環(huán)境等諸多因素。與高海拔地區(qū)的農(nóng)用機(jī)械最為密切聯(lián)系的主要為大氣環(huán)境和地表環(huán)境。高海拔地區(qū)大氣環(huán)境主要特征為：低溫、晝夜溫差大、濕度、較低的大氣壓力、太陽輻射，其對農(nóng)用柴油機(jī)的主要影響表現(xiàn)在：低溫冷啟動困難，零件脆化和電子元器件可靠性降低，溫度突變會導(dǎo)致農(nóng)用柴油機(jī)工作環(huán)境發(fā)生顯著變化，工作穩(wěn)定性下降。高濕度下工作會導(dǎo)致柴油機(jī)表面材質(zhì)氧化腐蝕，涂層處破壞。低濕度會導(dǎo)致柴油機(jī)零部件靜電荷積聚，粉塵等微粒聚集。高海拔地區(qū)大氣壓力的下降使得進(jìn)氣壓力下降，空燃比下降，缸內(nèi)燃燒惡化，農(nóng)用柴油機(jī)各項性能指標(biāo)下滑，這也是制約農(nóng)用柴油機(jī)性能的主要因素。海拔高度增加，大氣密度下降導(dǎo)致紫外線在高海拔地區(qū)較為強(qiáng)烈，農(nóng)用柴油機(jī)在強(qiáng)紫外線照射下易出現(xiàn)零部件老化，橡膠材料彈性下降等問題。

高海拔地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械通常工作在地勢起伏不平，道路蜿蜒曲折的高原山地環(huán)境，這對農(nóng)用柴油機(jī)使用上提出來更為嚴(yán)酷的環(huán)境，相較于低海拔的平原地區(qū)，農(nóng)用柴油機(jī)行駛在較復(fù)雜的山區(qū)路段，頻繁使用較低檔位，柴油機(jī)負(fù)荷較大，工作時長較長，且使用時間較為集中，周期內(nèi)機(jī)械負(fù)荷強(qiáng)度較高，導(dǎo)致農(nóng)用柴油機(jī)可靠性和耐久性下降。

農(nóng)用柴油機(jī)在高海拔低地區(qū)不僅受到大氣環(huán)境地表環(huán)境的影響，還受到兩者內(nèi)部多個因素的交叉綜合影響，而綜合環(huán)境效應(yīng)通常會強(qiáng)化單一因素對農(nóng)用柴油機(jī)的影響。

2? 高海拔環(huán)境對農(nóng)用柴油機(jī)性能影響

2.1 高海拔環(huán)境對農(nóng)用柴油機(jī)燃燒過程影響

農(nóng)用柴油機(jī)的燃燒過程一般分為四個階段，分別為滯燃期、速燃期、緩燃期與后燃期。對于自然吸氣農(nóng)用柴油機(jī)，江蘇大學(xué)的劉勝吉[5]，陳勇等選取3個不同海拔高度對某自然吸氣柴油機(jī)進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著海拔高度的增加，大氣壓力下降，最大燃燒壓力下降，燃燒始點(diǎn)發(fā)生推遲，滯燃期延長，預(yù)混合階段大量放熱，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度增加，缸內(nèi)燃燒狀況進(jìn)一步惡化。對于使用廢氣渦輪增壓的農(nóng)用柴油機(jī)，盡管廢氣渦輪裝置可以在一定程度上彌補(bǔ)了高海拔造成的進(jìn)氣壓力不足，但其在高原地區(qū)工作仍受到影響，只是相較自然吸氣農(nóng)用柴油機(jī)影響較小。由于農(nóng)用柴油機(jī)使用途徑和地理環(huán)境限制，通常運(yùn)行在較低的轉(zhuǎn)速，王俊，申立中[6]等研究表明，小型農(nóng)用柴油機(jī)在高海拔怠速工況下，渦輪增壓器不起作用。

2.2 高海拔環(huán)境對農(nóng)用柴油機(jī)增壓器性能影響

高海拔條件下，空氣密度降低，雷諾數(shù)Re減小，氣體黏性增大，摩擦力F增加，流動邊界層變厚，導(dǎo)致壓氣機(jī)效率的降低，同時，增壓器與柴油機(jī)的不匹配也導(dǎo)致了高海拔下效率下降。

2.3 高海拔環(huán)境對農(nóng)用柴油機(jī)啟動特性影響

高海拔地區(qū)氣溫較低，而農(nóng)用柴油機(jī)通過電動起動機(jī)運(yùn)行，蓄電池在低溫放電過程中，容量會急劇下降，電機(jī)功率下滑，冷啟動轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致農(nóng)用柴油機(jī)啟動困難。

2.4 高海拔環(huán)境對農(nóng)用柴油機(jī)綜合性能影響

高海拔地區(qū)環(huán)境大氣壓力低，柴油機(jī)進(jìn)氣量和進(jìn)氣壓力受到了明顯的制約，這將影響農(nóng)用柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性。

農(nóng)用柴油機(jī)動力性指標(biāo)主要包含輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機(jī)功率，研究表明，對于自然吸氣農(nóng)用柴油機(jī)，柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩均隨海拔高度的增加而逐漸增加，在3000-5000m范圍內(nèi)最為明顯，柴油機(jī)有效功率平均下降超過38%，而對于增壓發(fā)動機(jī)，除在低轉(zhuǎn)速外，平均動力下降幅度約為自然吸氣發(fā)動機(jī)的一半。

燃油消耗率是反應(yīng)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，陸軍軍事交通學(xué)院的劉瑞林，周廣猛[7]等基于GT-Power模擬仿真軟件對多款柴油機(jī)進(jìn)行不同海拔下性能測試，結(jié)果表明，對于自然吸氣農(nóng)用柴油機(jī)，海拔高度上升1km，燃油消耗率增加2%-12%，而對于增壓發(fā)動機(jī)，海拔高度上升1km，燃油消耗率增加3%-21%。

3? 提高農(nóng)用柴油機(jī)高原適應(yīng)性技術(shù)措施

農(nóng)用柴油機(jī)最為農(nóng)業(yè)機(jī)械最主要的動力來源，在我國中西部高原山地地區(qū)耕作過程中起到了不可或缺的作業(yè)，但在實(shí)際應(yīng)用中，我國現(xiàn)存高原農(nóng)用柴油機(jī)技術(shù)相對落后且環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)作業(yè)工作效率相對平原地區(qū)顯著下滑，本節(jié)就提高農(nóng)用柴油機(jī)高海拔地區(qū)環(huán)境適應(yīng)性提出幾種技術(shù)措施。

3.1 廢氣旁通閥渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓技術(shù)作為已經(jīng)在機(jī)動車領(lǐng)域應(yīng)用已久的成熟技術(shù)，其在農(nóng)用機(jī)械上正在逐漸普及，常規(guī)的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)通過缸內(nèi)廢氣驅(qū)動渦輪葉片轉(zhuǎn)動，帶動壓氣機(jī)以提供較高的進(jìn)氣壓力，然而在高海拔地區(qū)，柴油機(jī)無法與渦輪增壓器良好匹配，例如：高海拔下，農(nóng)用柴油機(jī)處于大負(fù)荷工況時，缸內(nèi)燃燒惡化，排氣溫度升高，排氣能量突增，渦輪增壓器超溫超速[8]，增壓壓力過高，嚴(yán)重影響了增壓器工作穩(wěn)定性?？紤]到農(nóng)用柴油的綜合經(jīng)濟(jì)效益，提出通過在常規(guī)廢氣渦輪增壓器的基礎(chǔ)上安裝廢氣旁通閥，標(biāo)定所在使用環(huán)境的最大增壓壓力值，當(dāng)超過該值時，廢氣旁通閥打開，部分排氣排出，使柴油機(jī)始終在較為合適的空燃比范圍內(nèi)運(yùn)行。

3.2 燃油供給系統(tǒng)匹配

通過調(diào)整燃油供給系統(tǒng)的供油速率[9-10]、噴油壓力以及供油提前角，提高泵油壓力等以匹配高海拔低氣壓環(huán)境。對于我國現(xiàn)有農(nóng)用機(jī)械，主要采用機(jī)械泵式柴油機(jī)，對其具體調(diào)整如：調(diào)整高壓油泵凸輪型線、柱塞直徑等提高泵油壓力;增加噴油器開啟壓力以提高缸內(nèi)霧化質(zhì)量;增加噴油嘴噴孔數(shù)目，改善燃燒等方法能有效提高農(nóng)用柴油機(jī)高海拔的燃燒特性，優(yōu)化動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性等。

3.3 低溫冷啟動技術(shù)

目前，我國絕大多數(shù)高原農(nóng)用機(jī)械配備了冷啟動輔助裝置（啟動液、電熱塞等輔助裝置），但實(shí)際使用中這些裝置仍不足以應(yīng)對高海拔的極端環(huán)境，造成農(nóng)用機(jī)械使用者采用火烤油底殼、發(fā)動機(jī)灌熱水、拖車等落后費(fèi)時費(fèi)力的方法啟動發(fā)動機(jī)。為適應(yīng)高海拔條件下低氣壓和低溫兩個條件對農(nóng)用柴油機(jī)的影響，需對農(nóng)用柴油機(jī)冷啟動裝置進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。蓄電池保溫箱由箱蓋、箱體、密封件、加熱管等組成，將發(fā)動機(jī)蓄電池安裝在保溫箱內(nèi)部，其原理是利用燃油加熱裝置將冷卻液加熱，產(chǎn)生的高溫?zé)崃黧w經(jīng)經(jīng)加熱管對蓄電池進(jìn)行加熱，同時具備保溫功能使蓄電池始終處在良好的工作溫度，該方法能有效解決在高海拔下極低溫度范圍（-41℃～-20℃）內(nèi)農(nóng)用柴油機(jī)冷啟動要求。

4? 結(jié)束語

本文概述了高海拔地區(qū)各種自然條件因素，并簡述了幾種主要因素對農(nóng)用柴油機(jī)的影響，提出了三種可以提高農(nóng)用柴油機(jī)高海拔適應(yīng)性且成本相對較低、效果良好的措施，為我國高海拔地區(qū)農(nóng)用柴油機(jī)的設(shè)計和使用提供了一定的發(fā)展思路。

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