汽车用涡轮增压柴油机高原性能的分析研究

汽车用涡轮增压柴油机高原性能的研究

叶林保1,杨林1,高治宏2

(1.上海交通大学，上海 200030；2.一汽解放公司无锡柴油机分公司，江苏无锡 214026> 摘要

针对高海拔地区特殊环境，涡轮增压柴油机在海拔20m、2200m、3800m进行了实地台架及道路实验；随着海拔升高，涡轮增压柴油机的动力性、经济性、可靠性等指标都会恶化，但采取适当措施，可以明显减少恶化程度；把最大扭矩点置于增压器压气机最高效率区，而额定功率点效率应在66%左右，能够提高柴油机高原综合性能；提高压缩比和起动机功率是保证高原起动性能的有效办法。

Research of highland performance of turbo-charged diesel engine for automobile Linbao Ye1，Lin Yang1，Zhihong Gao2）

(1.Shanghai Communication University, Shanghai 200030, China；

2.FAW Wuxi Diesel Engine Factory，Wuxi 214026，China>

Abstract:According to the especially environmental at high altitudes,the turbo-charged diesel engine have completed the bench test and road test at an

altitude of 20m、2200m、3800m.with the elevation increasing. The power 、economy and reliability of turbo-charged diesel engine can worsen.But the worse degree can decrease obviously with proper measure. Put the maximum torque point in the highest efficiency district of turbocharger pressure boost , and a efficiency of rated power should be around 66% , that can raise the diesel engine integral performance at high altitudes.It is the effective method of guaranteeing startability at high altitudes to raise compression ratio and starter power.

Key words: turbo-charged diesel engine。 highland。 performance

引言

我国幅员辽阔，地形复杂，整个陆地版图是东低西高，且西部路况较差，山多坡陡。我国陆地面积中，海拔1000m以上的占58%，海拔2000m以上的占33%，海拔3000m以上的占26%。随着我国西部大开发的进行，西部汽车市场迅速增大，汽车流动性加大，使用情况更复杂，因而高原用柴油机的性能成为中国柴油机市场上各厂家必须解决的问题。

由于高原柴的特殊气候环境，油机必须解决以下几方面的问题：

（1）动力性：额定功率及低速扭矩；

（2）经济性：燃油消耗率；

（3）可靠性：耐久性及性能的稳定性；

（4）低温运行性能；

（5）环保性：低尾气排放；

（6）其它：烟度，柴油机冷却性能，

机油温度的冷却控制等。

2000年～2002年，无锡柴油机厂与机械部西宁高原工程机械研究所合作，无锡柴油机厂6110ZL型柴油机在20m、2200m 及3800m三种不同海拔环境下进行了实地台架实验。2003年冬季，搭载无锡柴油机厂6110ZL型柴油机的一汽军车为了考核汽车在青藏高原的综合使用性能，在整个青藏地区进行了广泛的道路实验。本文就是通过对这两次高原实验的分析和研究，探讨涡轮增压柴油机的主要性能随海拔变化的规律和特点。

1、海拔高度对柴油机的影响

大气参数、水的沸点都会随海拔高度变化而变化，见表1。随着海拔升高，大气压力下降，空气的密度、空气的单位含氧量也均降低。这些将使燃烧恶化，造成功率下降、油耗上升，排气烟度变黑。大量实验统计结果表明，自然吸气发动机，

海拔每升高l 000m 功率约下降8%～10％，外特性最低比油耗增加3％～4％。采用涡轮增压后，由于增压器有一定补偿作用，增压柴油机的功率，随海拔升高而下降的幅度相对较小。因此，为使发动机在高原工作时恢复其原有的功率，采用涡轮增压是行之有效的方法。

但对于增压柴油机，由于随着海拔升

高，空气变得稀薄，柴油机实际进气量减少导致气缸内压缩终了压力、温度降低，起动困难，燃烧恶化，排气温度升高，增压器进气折合流量增加，增压器转速增加，柴油机输出的有效功减少，零部件热负荷变大，给柴油机使用寿命带来不利影响。因此在高原使用的发动机，必须在开发阶段就按高原条件进行考核。表1 大气参数、水的沸点与海拔变化对应关系

车用增压柴油机匹配运行点的选择，主要根据汽车使用的道路条件而定，这点各国都不一样。如美国的道路条件好，全国的高速公路网非常密集，同时山区较少，海拨也不高，所以他们把最大功率点放在压气机最高效率区或次高效率区之间，而最大扭矩点已接近喘振线。而在欧洲，虽然欧洲的高速公路也相当发达，但欧洲的高山、丘陵较多、汽车必须有足够的爬坡能力和高海拔的适应性。因此，欧洲各国在选择匹配点上采用了与美国相反的思路，把最大扭矩点置于压气机最高效率区，额定功率点约在65％等效率曲线附近。这是由欧洲的具体道路条件决定的。

我国虽然也有一些高速公路，但就总体而言，不仅路面条件差，而且地形复杂，运行线容易穿过喘振线，因此我们也是把最大扭矩点置于压气机的最高效率区之内，其喘振裕度应该比欧洲更大，而额定功率点效率应与欧洲类似。

2、模拟高海拔实验与实地高海拔实验的对比分析

控制发动机进气阻力来模拟发动机不同海拔的大气压力。其与实地海拔实验相比，忽略了以下因素：a.曲轴箱通风环境；b.水的沸点随海拔变化；c.冷却风量<质量流量）随海拔变化；d.进气温度随海拔变化等。

因此，在低海拔地区用模拟方法开发的高原用发动机经常不能完全适应高原使用环境。按增压器使用要求，当压气机前进气阻力大于10kPa 时，压气机端的机油密封将会失效，按表1统计数据，模拟实验将无法模拟海拔1000m 以上地区的气压对增压发动机的性能影响。为了使增压发动机适应高原地区使用，必须到高原地区进行实地实验。

3、增压柴油机的高原台架运行实验

为了使柴油机能适合我国高原使用，在目标使用环境进行开发是最有效的方法。我公司与西宁高原工程机械研究所合作，充分利用西宁高原工程机械研究所的实验设备和条件，进行了合作开发。合作开发的机型为6110ZL ，该机型的基本设计参数见表2。

实验样机首先在海拔20m 的无锡按照目标使用海拔要求行了预期性能开发，然后在海拔2206m 的西宁工程机械研究所和海拔3800m 的大坂山隧道收费站进行了性能对比和改进工作。 3.1经济性及可靠性工程实验 以往实验数据统计［1］

表明，开发成功的能适应各种海拔使用的增压柴油机，海拔每升高1000m ，燃油消耗率升高约1.5%；增压器转速增加约6%；涡轮前排温

上升约30℃；另外，进气折合流量增加3%，实际流量减少5%。因此高原用涡轮增压器必须具有耐高温、超速的能力，流量范围应针对各种使用海拔相应加大，同时选用时要给允许使用的高海拔环境留有余地。

实验采取固定油门法。主要经济性及可靠性指标变化见表3、图1、图2。 表3 6110ZL 型柴油机在相同配置下各种海拔高度外特性性能性能对比

图1 6110ZL柴油机在海拔20m<实线）、2200m<虚线）万有特性对比

从实验数据来看，由于气温的影响，增压器的进气补偿作用，以及在海拔20m 时空燃比较高，因而在海拔2206m以下环境，发动机的标定功率及最大扭矩没有损失；即使到了海拔3800m的环境，标定功率及最大扭矩的损失也很小。但1000r/min时的扭矩定得较高，空燃比较低，随海拔升高，空气已经无法满足燃料需要，因而扭矩直线下降。实验表明，6110ZL型柴油机的经济性和可靠性基本适合在海拔3800m以下环境使用。

但是，在海拔3800m时，1000r/min 时排温已经达到696℃，接近增压器要求的700℃极限；增压器最高转速达到了121700r/min，接近增压器安全转速130000r/min的极限。如果要求在更高海拔条件下使用，需针对使用要求进行改进。

3.2冷机起动实验

实验中，当海拔超过2000m时，每次冷机起动时都要冒白烟，等到热机后，白烟消

失，且随海拔升高，冒白烟时间延长。当时实验时间为9月上旬，西宁实验环境温度为20℃，海拔3800m的环境温度为10℃左右。压缩终了时空气压力Pc及温度Tc 计算公式［2］：

Pc=P0εn m n (1)

Tc=T0εn-1m n-1 (2)

P0—压缩初始压力

ε—压缩比

n—多变指数

m=G c/G a—压缩终点时气缸内比空气量

Gc、Ga—压缩开始和终点时气缸内的空气量

T0—初始温度

由计算公式<1）可知，在ε不变时，压缩终了压力P c与初始压力P0成正比。由计算公式<2）可知，压缩终了温度Tc与初始温度T0成正比。由表1的统计数据可知，随着海拔的升高，发动机的压缩初始压力和温度都成比例下降，导致压缩终了压力和温度的相应降低。而着火温度随压力降低而增加［3］，当海拔达到一定高度后，使起动困难，热机时间加长，燃烧恶化，冷机起动后大量、长时间冒黑烟，甚

至白烟。

6110ZL型柴油机样机是低海拔条件下开发的，许多高原情况考虑不足，与高原使用要求相比，压缩比较小，起动机功率也偏低，在海拔超过2000m后，起动时的气缸内压缩空气能量已经不能保证起动时的燃烧。4、增压中冷柴油机的高原装车道路实验

根据6110ZL增压柴油机高原台架实验结果，针对设计中的不足之处，改进了活塞、增压器、起动机、空气加热器等零部件的结构参数，主要改进工作见表4。

表4 高原用6110ZL主要改进工作

改进后的发动机装在一汽集团的卡车上，在青藏高原进行了道路实验，道路最高海拔最高超过5200m。实验结果表明，根据台架实验改进的发动机基本达到设计要求，可靠性、加速性、经济性、起动性能均达到设计目标。

5、结论

a）为了保证涡轮增压发动机在海拔超过4500m高度下能正常工作，高原用增压柴油机在低海拔选用增压器做实验时，应该把最大扭矩点置于压气机最高效率区，而额定功率点效率应在66%左右，保证增压器低速不喘振，高速不超速；

b）为了保证高原发动机的起动性能，需适当提高压缩比和起动机功率，并根据使用条件加装适当的冷起动装置，保证大气压力降低情况下，仍然有足够的冷起动着火能量。

参考文献

［1］史绍熙、孙永平、张德庆等.柴油机设计手册［M］.北京：中国农业出版社，1984.

［2］董静、庄志.汽车拖拉机发动机［M］.北京：机械工业出版社，1988.