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1、1 / 5 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
2、 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 environmentalat high altitudes,the turbo-charged diesel engine hav
3、e 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 efficien
4、cy 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 word
5、s: 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；
6、（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
7、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，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 5 页2 / 5 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
8、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海拔 /m 大气压力 /kPa 水沸点 / 备注0 101.3 100 海 拔 每 升 高1000m，大气温度降低6.5 左右1000 89.7 96.8 2000 79.2 93.8 3000 70.1 91.2 4000 61.6 88.8 5000 54.0 86.7
9、6000 47.2 84.8 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
10、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模拟海拔变化实验的通用方法是通过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 110 125 发火秩序1-5-3-6-2-4 总排量 (L 7.127 标定功率 (kW 170 标定转速 (r/min 2300 最大扭矩 (Nm 850 最大扭矩转速 (r/min 1300 1500 实验样机首先在海拔20m 的无锡按照目标
11、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
12、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海拔高度 m 20m 2206m 每千M 海拔变化3800m 每千 M海拔变化标定点功率 kW ）171.4 173.6 0.60% 162.4 -1.38% 标定点燃油耗率1-2-3/4-5-6 587/566 637/618 23.1 663/656 21.8 最大扭矩 N.m(1400r/min 860 874 0.73% 845 -0.45% 最大扭矩点油耗率1-2-3/4-5-6 625/611 676/669 24.7 696/666 16.5 1000r/min 时扭矩686 652 -2.22% 608 -2.9
13、9% 备注相对变化均以海拔20m 的结果为基准。实验时气温与大气压力：海拔 20m时是 38和 100.8kPa ，海拔 2026m时是 21和78.5kPa ，海拔 3800m时是 12和 62.5kPa 。010020030040050060070080090010001100120013001400150016001700180019002000210022002300Engine Speed(r/min)BrakeTorque(Nm)215280260250240235230225220400350300精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
14、 - -第 3 页，共 5 页4 / 5 图 1 6110ZL柴油机在海拔20m 实线）、 2200m 虚线）万有特性对比图 2 6110ZL 柴油机在海拔20m实线）、 3800m 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
15、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=P0nmn1）Tc=T0n-1
16、mn-1 2）P0压缩初始压力压缩比n多变指数m=Gc/Ga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，在不变时，压缩终了压力Pc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01002003004005006007008009001000110012001300140015
17、0016001700180019002000210022002300Engine Speed(r/min)BrakeTorque(Nm)215280260250240235230225220400350300205250240235230225220215210260280300350400精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页5 / 5 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
18、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 主要改进工作改进工程改进前改进后压缩比 17 17.8 起动机功率 kW ）5.2 5.6 增压器平原喘振裕度1230% 额定功率点效率7266% 额定扭矩点效率68% 73% 进气加热器功率W ）800 1200 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
19、，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.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页