1、非道路增压柴油机海拔性能变化及适应性研究施磊，魏明亮，毛瑞卿（先进内燃动力全国重点实验室，天津 ；智能农业动力装备全国重点实验室，河南 洛阳 ）摘要：针对满足欧排放标准某型非道路柴油机高原性能变化及适应性开展了研究。仿真结果表明该柴油机同一转速下转矩随海拔升高呈下降趋势，有效燃油消耗率随海拔升高而升高。与平原相比，该柴油机在高原 、保持相同喷油量运行时，发动机最大转矩分别减小 、；相对平原最大转矩转速点，高原同转速下有效燃油消耗率分别增加 、。当海拔低于 时，高原过量空气系统下降导致发动机热效率降低是其动力性能降低的主要原因，通过调整喷油有望实现动力性能恢复。当海拔高于 时，涡轮进口超温、增压
2、器超速使得该发动机必须减油降功率运行，涡轮增压器参数限制边界决定了非道路柴油机高海拔动力性能恢复能力。关键词：非道路柴油机；高原；性能变化；适应性中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；我国地势西高东低，拥有青藏、云贵、黄土及内蒙古等四大高原，高原面积位居世界首位。长期以来，西部高原地区交通基础设施及工程装备落后，相对东部平原，经济发展缓慢。在西部大开发战略的不断推进下，西部高原交通基础设施日趋完善，高原农业机械、工程机械等非道路用移动机械的工作需求正不断增大。高原地势起伏的山地环境要求非道路机械长期工作于低档位、大负荷工况，为上述机械提供动力的高原非道路柴油机低速高负荷工作
3、时间长。随着海拔升高，空气压力、温度及含氧量逐渐降低，原本为低海拔运行设计的柴油机在高原使用时进气量降低，燃烧不充分且后燃严重，导致性能恶化。利用废气涡轮增压提高进气密度是改善高原柴油机动力性、经济性及排放性能的核心技术 。对于涡轮增压柴油机，在匹配点工况，涡轮做功能力与压气机耗功需求达到平衡保证了发动机总体性能。然而，当柴油机运行于标定海拔以外时，由于环境参数的变化，涡轮做功能力与压气机耗功需求失衡，增压器工作点偏离匹配点，随着偏离程度的增大，增压器会出现喘振或超速等现象，严重威胁增压系统安全。因此，增压柴油机面临严峻的高原环境适应性问题 。申立中等 研究了不同形式柴油机燃烧过程及发动机性能
4、随大气压力变化规律，建立柴油机不同海拔运行的无量纲分析方法，提出收稿日期：基金项目：智能农业动力装备全国重点实验室开放项目（，）第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，了柴油机燃油消耗率和功率大气修正方法。等 发现采用可变几何截面涡轮增压可获得最优良的高原环境适应性，仿真结果表明在有效燃油消耗率得以控制的前提下达到功率恢复最高海拔。等 研究了不同海拔下柴油机涡轮增压系统匹配，通过废气阀控制策略及燃油补偿实现功率恢复的目标。黄粉莲等 研究了柴油机综合性能随海拔变化规律，发现两级增压可以实现非道路柴油机高海拔性能恢复目标。本文针对满足欧排放标准某型大功率非道路柴油机高原性能变化及
5、适应性开展了研究。高原环境下非道路柴油机性能及适应性 海拔高度对柴油机性能及增压系统参数的影响为了分析海拔高度对非道路柴油机性能及增压系统的影响，采用 建立了非道路增压中冷柴油机仿真模型如图 所示。表 给出了发动机基本参数。图 非道路柴油机一维性能仿真模型 施磊等：非道路增压柴油机海拔性能变化及适应性研究表 非道路柴油机基本参数 项目参数发动机型式四冲程四缸缸径 冲程 排量 压缩比 额定转速（）最高缸压 连杆长度 喷孔数图对应 海拔高度柴油机外特性工况下发动机转矩及有效燃油消耗随海拔变化。柴油机同一转速下转矩随海拔升高呈下降趋势，有效燃油消耗率随海拔升高而升高。与平原相比，柴油机在高原 、运行
6、时，发动机最大转矩分别减小 、；相对平原最大转矩转速点，高原同转速下有效燃油消耗率分别增加 、。在标定转速（），柴油机在高原 、运行时，转矩相对平原分别减小 、，有效燃油消耗率分别增加 、。这主要是由于海拔升高导致进气密度降低，发动机进气质量减小，相同喷油量下发动机燃烧性能恶化，热效率下降，最终导致发动机动力性、经济性同时下降。图 不同海拔下发动机 图 为柴油机外特性工况下进排气状态随海拔高度变化。涡轮前温度与压气机后温度随海拔升高均升高，而涡轮前压力与压气机后压力均降低。与图 海拔变化对发动机进排气状态的影响 拖拉机与农用运输车第 期 年 月平原工况相比，在 、海拔环境下标定转速下涡前温度升
7、高 、，压气机后温度升高 、，涡前压力降低 、，增压压力降低 、。海拔升高导致缸内进气量减少，在相同喷油量下，滞燃期油气混合速率下降，缸内燃烧质量差，后燃期加长。因此，涡轮前温度升高，废气可用功升高，增压器与发动机共同运行线逐渐向高转速大流量偏移，工作点逐渐偏离高效区，压气机出口温度升高。根据增压器厂商提供数据，涡轮前温度限值为 ，因此，当海拔超高 ，柴油机必须减油降转速以降低涡前温度。图 为不同海拔高度下柴油机与压气机联合运行线，需要注意的是横坐标为折合流量。随着海拔升高，压气机折合流量增加，压比升高，此时联合工作点朝右上方移动，逐渐远离高效区。当海拔高度超过 时，发动机高转速联合运行点超过
8、压气机最大转速，压气机压比和效率急剧下降。此外，在中间转速处，联合运行点超出喘振边界。图 海拔变化对柴油机与压气机联合运行线的影响 图 给出了不同海拔下增压器转速及功率随发动机转速变化。随着海拔升高，增压器转速升高。当海拔不超过 时，在发动机低转速工况下时，压气机功率随发动机变化较小；在中高转速下，压气机功率明显升高。这主要是由于海拔升高，新鲜空气充量减少，后燃严重，缸内气流温度升高，废气可用能增大，增压器转速升高、功率增大。当海拔高度超过 时，发动机高转速下增压器转速超过其最大限值，此时增压器转速及功率随发动机变化较小。不同海拔下发动机性能恢复约束规律研究发动机爆压、排温以及增压器转速是限制
9、发动机工作域的关键参数。本小节研究上述参数对发动机变海拔运行性能的约束作用。爆压、排温及增压器转速最大限值由柴油机设计方及增压器厂商提供，如表 所示。其中，爆压受发动机机械强度限制，排温与超速则分别取决于涡轮耐高温能力及转子支撑系统结构强度。图 海拔变化对增压器运行参数的影响 表 非道路增压柴油机限制参数 发动机限制参数数值爆压 涡前温度 增压器转速（）限制参数对非道路柴油机变海拔动力性能的影响如图 所示。其中黑色线为采用平原相同油量仿真计算得到的柴油机动力性能，红色、蓝色及紫色线分别为发动机参数达到排温限值、爆压限值以及增压器转速限值时柴油机动力性能。针对非道路柴油机使用场景及动力需求，选取
10、最大转矩点和标定功率点开展变海拔动力性能对比分析，以相应转速下柴油机转矩进行无量纲处理。对于标定功率点，发动机变海拔安全运行的主要限制参数为排温和增压器转速。由图可以看出，在增压器转速限制下，发动机需要在更低海拔下减油运行。当海拔超过 后，功率下降速度提升至 。对于最大转矩发动机转速，发动机排温与爆压限制了其在中、低海拔处（）的转矩提升；而发动机排温、转速则限制了其在高海拔（）处的转矩提升，此施磊等：非道路增压柴油机海拔性能变化及适应性研究图 海拔变化对发动机运行参数的影响 时柴油机在排温限制下必须减油降转矩运行，转矩以 下降。与之相比，在相同油量下，随着海拔升高，转矩呈 下降。因此，若提升涡
11、轮耐温极限，高海拔最大转矩有望提升超 。为了分析高原环境非道路柴油机动力性能下降的原因，图 、图 给出了未调油与调油时柴油机转矩及相关参数变化。从图中可以看出，发动机未减油时其转矩随海拔下降速率与热效率下降速率相当，说明此时主要是进气不足导致的燃烧恶化引起热效率下降进而影响发动机转矩。而在高海拔下，转矩下降速率与减油速率相当，说明此时动力性能下降主要受发动机限制参数影响。因此，当海拔低于 时，高原过量空气系统下降导致发动机热效率降低是其动力性能降低的主要原因，通过调整喷油有望实现动力性能恢复。当海拔高于 时，涡轮进口超温、增压器超速使得发动机必须减油降功率运行，涡轮增压器参数限制边界决定了非道
12、路柴油机高海拔动力性能恢复能力。总结本文针对满足欧 排放标准某型大马力非道路柴油机高原性能变化及适应性开展了研究。仿真结果表明该柴油机同一转速下转矩随海拔升高呈下降趋势，有效燃油消耗率随海拔升高而升高。与平原相比，该柴油机在高原 、保持相同喷油量运行时，发动机最大转矩分别减小 、；相对平原最大转矩转速点，高原同转速下有效燃油消耗率分别增加 、。当海拔低于 时，高原过量空气系统下降导致发动机热效率降低是其动力性能降低的主要原因，通过调整喷油有望实现动力性能恢复。当海拔高于 时，涡轮进口超温、增压器超速使得该发动机必须减油降功率运行，涡轮增压器参数限制边界决定了非道路柴油机高海拔动力性能恢复能力。
13、参考文献：沈颖刚 高原环境下内燃机工作过程研究 天津：天津大学，周广猛，刘瑞林，董素荣，等 柴油机高原环境适应性研究综述 车用发动机，（）：刘应材，雷基林，申立中，等 柴油机高原适应性研究及压气机流场分析 内燃机工程，（）：董素荣，刘鹏宇，牟永辉，等 车用柴油机高原环境适应性评价研究 汽车技术，（）：李书奇，邓春龙，陈刚，等 放气阀增压器在柴油机高原环境适应性改进中的应用研究 车用发动机，（）：（下转第 页）拖拉机与农用运输车第 期 年 月出流方向背对刀尖具有更小的流动损失 。（）相近直角弯道集成块中如图 所示的相近直角弯道，当流体流经第一个弯道时，速度的大小和方向发生急剧变化，产生漩涡，当流
14、体迅速进入下一个弯道时，流动状态还未稳定，流体质点将发生更加剧烈的撞击，产生更大的压力损失，两个弯道相互干扰会造成实际压力损失大于单个损失之和。这种干扰会因各局部损失间距的减小而加剧 。因此在相近直角弯道设计时，应尽可能加大弯道间距 的尺寸，减小压力损失。图 相近直角弯道 （）相交管道直径差在设计相交流道时，两条流道直径差值应尽量减小，以降低通流面积变化，造成较大漩涡产生的局部损失。结论通过对液压集成块布局原则和设计方法的讨论，得出了液压集成块的一般设计步骤分为四步：（）外部元件的布局；（）油路连通性评估；（）油路详细设计；（）液压集成块校验，并形成了液压集成块设计流程图。同时，针对几种典型流
15、道布局方式的设计方法和影响进行了总结，可作为拖拉机液压集成块设计的参考。参考文献：胡建军，孔祥东，侯冠男，等 刀尖角容腔对直角弯流道液流特性影响的 实验研究 中国机械工程，（）：胡建军，陈进，权凌霄，等 液压集成块湍流模型修正及内流特性分析 中国机械工程，（）：张宏，田树军，刘万辉，等 基于 的液压集成块典型流道液阻仿真研究 中国机械工程，（）：（编辑张晓超）作者简介：李浩扬（），男，河南洛阳人，工程师，主要从事拖拉机液压系统设计、分析方向研究檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷。（上接第 页）靳嵘，张俊跃，胡力峰，等 高原自适应柴油机涡
16、轮增压技术研究 内燃机工程，（）：王俊，申立中，文奕钧，等 小型农用柴油机高原增压匹配与适应性研究 ，（）申立中，沈颖刚，易宁，等 应用无量纲分析法对柴油机性能的大气修正 内燃机学报，（）：，：，（）：黄粉莲，雷基林，宋国富，等 非道路涡轮增压柴油机高原适应性研究 内燃机工程，（）：（编辑张晓超）作者简介：施磊（），安徽桐城人，助理研究员，从事发动机增压技术研究櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂殬殬殬殬
17、。拖拉机与农用运输车 杂志简介 拖拉机与农用运输车 杂志是 年 月为适应我国农用运输车的技术发展，由创刊于 年的 拖拉机 杂志更名而来。它是经国家新闻出版总署批准，由洛阳拖拉机研究所、中国农机学会拖拉机学会主办，面向国内外公开发行的国家级技术期刊。自农用运输车与汽车并轨后，本刊主要报导拖拉机和车辆工程专业有关的专题评述、试验研究、产品开发、工艺材料、计算机应用、标准与质量、国外技术、行业动态和使用与维护等。我刊一直是我国该领域生产企业、大专院校、科研院所及其相关行业形象宣传、产品宣传的理想媒体。本刊现为国际标准的大 开本，双月刊，逢双月 日出版，每期 页，约 万字。国际标准刊号：，国内统一刊号：。国内邮发代号：，国外发行代号：。拖拉机与农用运输车第 期 年 月
