高海拔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

譚梁 何輝波 羅雄彬 繆洪波 郭周勞 李華英

摘要：本文總結(jié)了我國(guó)高原地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)、海拔高度等環(huán)境因素對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，綜述了國(guó)內(nèi)外高原條件下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能改進(jìn)、燃燒性能改進(jìn)和排放特性改進(jìn)三個(gè)方向的研究現(xiàn)狀，分析了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)的發(fā)展方向。最后，針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高海拔工況下的性能需求，提出柴油發(fā)動(dòng)機(jī)多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化研究是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)的重要發(fā)展方向。

Abstract： This article summarizes the impact of environmental factors such as environmental characteristics and altitude in plateau areas on the performance of diesel engines， and summarizes the research status of three aspects of diesel engine starting performance improvement， combustion performance improvement and emission characteristic improvement under plateau conditions at home and abroad. The development direction of diesel engine performance improvement is analyzed. Finally， in view of the performance requirements of diesel engines under high-altitude operating conditions， it is proposed that the research on multi-parameter collaborative optimization of diesel engines is an important development direction for diesel engine performance improvement.

關(guān)鍵詞：高海拔;柴油發(fā)動(dòng)機(jī);起動(dòng);燃燒;排放

Key words： high altitude;diesel engine;starting;combustion;emission

中圖分類號(hào)：TK42 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0004-04

0 ?引言

我國(guó)高原地區(qū)具有平均海拔高、分布地域廣的特點(diǎn)，相比于平原工況，高原工況下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力低、缸內(nèi)燃空比下降，導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油燃燒不充分，比油耗升高效率降低，出現(xiàn)輸出功率嚴(yán)重降低、污染物排放增加以及經(jīng)濟(jì)性變差等不良現(xiàn)象。

我國(guó)高原面積占全國(guó)總面積的26%，高原環(huán)境使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況普遍，近期西部地區(qū)的周邊環(huán)境日趨嚴(yán)峻，西部經(jīng)濟(jì)的開發(fā)也是一帶一路戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能提升研究刻不容緩[1]。

近年來為解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境性能下降等問題，大量學(xué)者們進(jìn)行了研究。研究方式包括高原模擬平臺(tái)搭建測(cè)試、實(shí)地測(cè)試、軟件仿真研究以及多方法相互驗(yàn)證等。大氣條件對(duì)柴油機(jī)的性能和排放影響明顯，且以進(jìn)氣壓力的影響為甚。雖然渦輪增壓技術(shù)能極大地減小高原低氣壓環(huán)境對(duì)柴油機(jī)性能的影響，但該方式不適用小型柴油機(jī)。對(duì)于小功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)研究方向主要分為起動(dòng)性能改進(jìn)、燃燒性能改進(jìn)和排放性能改進(jìn)三個(gè)方面。

1 ?高原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能改進(jìn)研究現(xiàn)狀

低溫、含氧量不足導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)起動(dòng)困難。隨著海拔的增加，年平均氣溫降低，工作環(huán)境也更為復(fù)雜。在海拔4500m左右，空氣壓力和空氣密度只有平原地區(qū)的60%。

惡劣的高原環(huán)境導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火起動(dòng)時(shí)壓縮終了的空氣 溫度難以達(dá)到著火溫度;空氣稀薄導(dǎo)致氣缸內(nèi)混合氣體充氣量不足，缸內(nèi)壓力較低，造成起動(dòng)困難。傳統(tǒng)采用進(jìn)氣預(yù)熱，改變壓縮比等方法改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，對(duì)于低壓縮比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的研究包括供油參數(shù)、進(jìn)氣參數(shù)和壓縮比等柴油機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的改進(jìn)[2-5]，其中供油參數(shù)控制方便、自由，在原機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，幾乎不會(huì)影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，引起了學(xué)者的注意。

1.1 壓縮比對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能影響研究

氣門關(guān)閉，缸內(nèi)氣體壓縮，分子運(yùn)動(dòng)劇烈程度增加，導(dǎo)致溫度上升，高的壓縮比使得柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮終端溫度高，超過柴油著火點(diǎn)，使柴油更容易燃燒。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比增大能有效提高起動(dòng)性能，但在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷顯明顯增加，導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。

D.MacMillan[6]等人研究了壓縮比對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱效率和輸出功率的影響規(guī)律試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境溫度分別為-20℃、-10℃和10℃，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定為300r/min。試驗(yàn)表明，隨著壓縮比的增加，柴油發(fā)電機(jī)著火時(shí)刻越早，低壓縮比以及低溫工作環(huán)境使得柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮過程中，缸內(nèi)的溫度上升較慢，達(dá)到的最終溫度也較低。

1.2 冷起動(dòng)輔助措施對(duì)柴油冷發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能影響研究

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比一定的條件下，由于高原氣溫低、大氣壓力低，活塞達(dá)到壓縮行程末端時(shí)氣缸內(nèi)的溫度無法達(dá)到燃燒條件，造成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難。改善起動(dòng)性能傳統(tǒng)方式是增加進(jìn)氣預(yù)熱輔助裝置和加熱冷卻液。

常用的進(jìn)氣預(yù)熱裝置有以下三種：電熱塞、火焰塞以及以熱敏陶瓷作為材料的預(yù)熱起動(dòng)器。

張怡軍[7]等人針對(duì)常用的3種外裝式進(jìn)氣預(yù)熱裝置的適用范圍，性能參數(shù)以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。A.Ramadhas等人進(jìn)行了加熱冷卻液對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的影響規(guī)律研究。將在-7℃時(shí)起動(dòng)試驗(yàn)作為對(duì)照組，分別將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液加熱至10℃和20℃進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，冷卻液溫度越高，起動(dòng)時(shí)間越短，可有效改善起動(dòng)性能，同時(shí)降低污染物排放濃度。但此方法在小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較為困難。

1.3 噴油策略對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能影響研究

Han[8]等人通過試驗(yàn)的方式，研究了不同噴油提前角對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在恒溫恒定轉(zhuǎn)速的工作條件下，合理的噴油提前角能保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)，如果噴油提前角過大或過小時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率急劇下降，甚至導(dǎo)致無法正常運(yùn)行。

在海拔4500m條件下，樓狄明[10]等人研究發(fā)現(xiàn)，隨著供油提前角的增大，起動(dòng)過程的初始期變化不明顯，升升速期時(shí)間出現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)，存在最優(yōu)供油提前角，過渡期時(shí)間縮短，變化趨勢(shì)如圖1（a）所示。在供油提前角為32°保存不變的條件下，改變循環(huán)噴油量進(jìn)行了A、B、C、D和E五種方案試驗(yàn)，方案A起動(dòng)策略維持不變作為對(duì)照組，B，C，D均減少循環(huán)供油量，E為增加循環(huán)供油量;其中方案C，D為凸臺(tái)型循環(huán)供油，A，B，E為梯臺(tái)型循環(huán)供油，改善情況如圖1（b）所示。

2 ?高原環(huán)境下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能改進(jìn)研究現(xiàn)狀

高原條件下，大氣壓力、溫度、空氣密度和含氧量明顯下降，導(dǎo)致在高原工況條件下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃空比降低，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡劣，導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、扭矩下降，排放物濃度上升等一系列問題[11，12]。

2.1 噴油參數(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性影響研究

朱振夏等人[13]根據(jù)供油參數(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響規(guī)律，在海拔4500m的工況下，通過試驗(yàn)優(yōu)化，使得柴油機(jī)額定功率提升了14.7%，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單位輸出功率燃油消耗率降低了9.6%。

焦宇飛等人[14]研究循環(huán)噴油量和噴油提前角對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，海拔高度相同的工況下，隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，柴油機(jī)最佳循環(huán)噴油量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳噴油提前角與其相反，出現(xiàn)減小后增加的趨勢(shì)，隨著工作海拔高度的增加，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳噴油提前角增大，當(dāng)海拔高度每上升1000m，噴油提前角平均增大1.15°CA。隨海拔升高，最佳循環(huán)噴油量減小趨勢(shì)隨海拔增加逐漸遞增，在海拔0m至海拔3500m過程中，循環(huán)噴油量平均降低了10.96%，由海拔3500至海拔5500m平均降低了16.99%。

2.2 EGR率對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性影響研究

高原環(huán)境的空氣含氧量降低，燃燒惡化，廢氣濃度增加，進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量與氧體積分?jǐn)?shù)都將降低，EGR技術(shù)的運(yùn)用，導(dǎo)致大量廢氣再循環(huán)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)，從而對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性產(chǎn)生影響。

張韋等人[15]研究了在不同循環(huán)供油量（37mg和24mg）條件下，不同EGR率對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響發(fā)現(xiàn)，隨著海拔高度的增加，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗增加、輸出轉(zhuǎn)矩下降、EGR適用范圍縮小，其影響隨著負(fù)荷變化規(guī)律如圖2所示。

文萬斌等人[16]在研究EGR率對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用EGR技術(shù)后，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的新鮮空氣量減少，導(dǎo)致燃燒緩慢，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低;隨著EGR率增加，使得柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率下降，缸內(nèi)的最高燃燒溫度降低。

3 ?高原環(huán)境下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能改進(jìn)研究現(xiàn)狀

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放廢氣成分復(fù)雜，主要包括N2、O2、CO2、H2O、碳煙、NOX、HC、CO、PAHs、醛類、SO2等，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能改進(jìn)，大量學(xué)者進(jìn)行了研究。

3.1 不同生物質(zhì)燃料對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能影響研究

BED燃料是石化柴油的替代燃料，也是現(xiàn)在限排要求下熱門的生物質(zhì)燃料，它可以直接應(yīng)用在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放狀況。

劉少華等人[17]，采用燃用柴油、乙醇柴油E10（含10%體積分?jǐn)?shù)的乙醇和90%體積分?jǐn)?shù)的柴油）及生物柴油-乙醇-柴油B10E10（含10%體積分?jǐn)?shù)的生物柴油，10%體積分?jǐn)?shù)的乙醇和80%體積分?jǐn)?shù)的柴油）3種燃料進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)（以燃用柴油為參照），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

黃金鳳等人[18]不同配比生物柴油混合燃料后 NO 與碳煙的排放進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：燃用摻混比為30%以內(nèi)的生物柴油混合燃料，能同時(shí)有效地降低NO與碳煙的排放。

3.2 噴油參數(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能影響研究

沈穎剛等人[19]在海拔1890m高原大氣環(huán)境下，對(duì)B0、B10和B100三種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用0.10mm、0.15mm和0.20mm孔徑直徑噴油器時(shí)的燃燒過程與排放特性進(jìn)行仿真模擬對(duì)比研究。計(jì)算結(jié)果表明：在不同的燃料、較小的噴孔直徑條件下，柴油發(fā)電機(jī)的燃油油耗增加，放熱率升高，燃燒始點(diǎn)提前，缸內(nèi)最高燃燒溫度上升，OH活性基濃度增大，燃空當(dāng)量比降低，NO排放增加，碳煙和CO排放則減小。

陳暉等人[20]研究噴油參數(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性影響發(fā)現(xiàn)，隨著噴油時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)壓力峰值降低，放熱率峰值增加，燃油消耗率增加，熱效率下降，CO和HC排放增加，NOX排放減小，顆粒物質(zhì)量濃度降低，數(shù)量濃度先降低后升高;隨噴油壓力的增加，缸內(nèi)壓力和放熱率峰值增加，CO和HC排放減小，NOX排放增加，顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度下降。

3.3 EGR率對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能影響研究

大量研究表明，EGR技術(shù)能夠有效降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NOX排放。文萬斌等人[16]研究發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速恒定為1800r/min輸出扭矩為200N·m工況下，隨著EGR率的增大，NOX排放逐漸降低，顆粒物的排放出現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)。張韋等人[15]研究發(fā)現(xiàn)，下相同海拔、相同EGR率的工況下，廢氣中含量較高的NO進(jìn)入缸內(nèi)后，在高溫條件下迅速轉(zhuǎn)變成NO2，NO在缸內(nèi)呈現(xiàn)出先減少后增加，但最終缸內(nèi)的NO含量和碳煙含量比不采用EGR時(shí)缸內(nèi)含量高。

4 ?結(jié)語

本文根據(jù)我國(guó)高原環(huán)境對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的特點(diǎn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能改進(jìn)、燃燒性能改進(jìn)和排放性能改進(jìn)的研究現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論。①柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)性能指標(biāo)之間通常是相互關(guān)聯(lián)的，像供油策略、EGR技術(shù)的研究對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能、燃燒性能和排放性能都會(huì)有改變，優(yōu)化一個(gè)參數(shù)通常會(huì)對(duì)其他性能產(chǎn)生不利影響。②柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)研究經(jīng)歷了從結(jié)構(gòu)參數(shù)改變到設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化控制;從單一性能優(yōu)化，到多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化的過程。③柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因其便攜高效的特性，在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，隨著社會(huì)的發(fā)展與人們對(duì)生活的追求，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能改進(jìn)，多技術(shù)融合、多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化方法是未來柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)研究的發(fā)展方向。

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基金項(xiàng)目：重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)面上項(xiàng)目-高原環(huán)境下3kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用（cstc2020jscx-msxmX0192）。

作者簡(jiǎn)介：譚梁（1996-），男，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)?kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能改進(jìn);何輝波（通訊作者）（1972-），男，四川儀隴人，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。