改善汽车柴油发动机高原起动性能的实验分析

郑永明 闵浪 李世峰

摘 要：搭载柴油发动机的汽车，在高原寒冷环境下，启动比较困难，且启动时间也比较长。为了有效解决这一问题，本次试验研究在理论知识分析的基础之上探讨缩短起动时间的具体方案，并在某高海拔地区进行高原起动试验和不同海拔高度的道路试验。同时，随着海拔的上升，汽车柴油发动机的动力性以及可靠性等相关指标都会较大幅度下降，但是只要针对实际情况，采取相应的措施予以处理，能够显著减少高原地区对汽车发动机产生的影响。分析表明提高发动机的压缩比与起动机功率，可以最大程度上有效提升汽车柴油发动机的起动性能。通过实验进一步验证调整方案的科学合理性，并寻找最佳的可行性方案，能够缩短发动机起动时间，提高启动效率。

关键词：柴油发动机；高原试验；起动试验

中图分类号：V263.3 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2020）05-0265-02

我国高原地区幅员辽阔，地形因素复杂，海拔高度在1 000米以上地区约占国土面积的65%，分布在西部地区的50个大中城市中，常驻人员约2亿人，汽车保有量在4 500万辆以上。高原环境气候具有大气压力低、空气密度小、气温低、昼夜温差大、水的沸点低等特点。随着中西部地区近年来不断发展，汽车拥有量也在不断增加，适合高原使用的运输车辆、工程机械越来越受到重视，相应的柴油发动机高原使用性能对用户来说也更为看重。但是由于高原气候和环境因素相对比较特殊，使得平原地区能正常使用的机动车到高原地区出现排气温度高、功率不足、油耗增加、增压器破损、冷却液“开锅”等水土不服现象。现代柴油机汽车的高原适应性试验主要是提升低温运行性能、燃油消耗率、耐久性以及环保性能等。本文对于高原寒冷环境下发动机低温冷启动困难的情况进行分析研究并进行相关改善试验研究。同时在高原地区进行了相应的道路实验，对改善情况进行实车验证。

1 高海拔地区对柴油发动机产生的影响

1.1 低温对发动机性能的影响

首先，高原地区温度非常低，导致燃油的实际蒸发性变得很差，不能和空气结合，形成混合气。同时，压缩温度也变得非常低，不能使柴油自燃。其次，低温下柴油发动机机油的粘度非常大，摩擦损失会急剧增大，并且随海拔升高空气稀薄，压力不断降低，不利于混合气的形成，造成冷启动较低海拔地区困难得多。

1.2 低气压对发动机性能的影响

高海拔地区大气参数以及水的沸点等都会发生很大的变化，空气含氧量降低。随着海拔的升高，进气量减少，进入柴油机缸内的氧气减少，导致柴油机压缩压力降低，滞燃期急剧增加[1]，造成汽车的功率大幅度下降，油耗也不断上升。对于涡轮增压发动机，在海拔不断上升的同時，变化状况相对比较小。所以，采用涡轮增压是比较有效的方法。但是，在平原地区增压器压气机特性线是按照马赫数M准则绘制的，随海拔高度显著增加，Re数将逐渐减小。车用柴油机和工程机械用的涡轮增压器均是小型径流式增压器[2]。增压柴油机会因为空气逐渐变得稀薄，造成进气量也减少，其实际输出功率也会逐渐减少。同时发动机控制系统自适应的调节增加涡轮转速，再加之高原空气密度较低，散热变差，导致零部件承受的热负荷大幅度增加，影响发动机的寿命。

对于车用增压柴油机运行点的选择，要结合汽车的实际使用环境状况来定。不同区域之间是不同的。如美国地区的基础建设比较好，道路状况也相对比较好，高速公路非常多，大多属于平原地区，很少有山区地形，整体海拔较低，所以，可在气压机最高效率区放置最大功率点。在欧洲国家，虽然公路也比较发达，但是因为丘陵和高山比较多，因此，汽车一定要具备一定的高海拔适应能力与爬坡能力。所以，其在选择匹配方面也不同，额定功率大约在65%等效率曲线的附近，这主要是根据道路的具体情况来决定的。

我国高速公路虽然近年来也得到了迅速发展，但是整体而言，因为山地较多，且地理环境恶劣，所以路面条件比较差。因此，将最大扭矩点置于压气机最高效率区域之内，额定功率和欧洲相比，差距不大。

2 模拟和实地高海拔地区实验对比分析

模拟海拔变化状况实验主要采用的是在带有进排气海拔模拟设备的发动机台架试验室进行，大气压力在不同环境下的模拟实验，但是会忽略一些方面的影响因素，如水的沸点变化情况、进气温度变化状况与冷却风量的变化状况等。所以，在固定海拔点通过模拟实验，所开发出的发动机并不能真正满足高原的具体应用环境状况。气压机进气阻力如果小于10pa的时候，压气机端的机油密封逐渐消失，实验无法对海拔在3 000m以上的环境下，发动机性能受到的影响和实际情况进行真实的模拟。因此，为了最大程度上保障发动机的实际性能，应当进行各海拔下实地起动性能试验。

3 汽车柴油机高原台架运行实验

为了保障增压柴油机能够适用于我国高原地区，通过相关试验设备与条件，在高原地区开展试验。初期，实验环节是在20m的低海拔区域进行，并结合实际情况，进行发动机的性能分析与研发改进。之后在海拔为2 206m的地区与海拔3 800m的区域进行性能对比，并采取相应的改进措施[4]。

3.1 经济性和可靠性试验

试验数据显示，改进发动机在各个海拔下动力性和经济性提升良好，且能够最大程度上适应不同海拔条件下的增压柴油机。海拔每升高1 000m，燃油的实际消耗率大约为1.55g/kw.h，增压器的实际转速大约增加了6%左右，涡轮前排温度大约上升了30℃左右。首先，高原使用的涡轮增压器一定要具备耐高温的性能；其次，流量的实际范围也应当适度的增加；最后，在选择的时候还要增加高海拔的使用特性。试验主要采取的是固定油门法，其可靠性与经济性指标见表1。

试验数据结果可反映出，因温度因素的影响，需要对增压器实施进气补偿措施。在海拔约为20m的环境下，空燃相对较高；在海拔约为2 206米的环境下，发动机的标定功率和最大扭矩未受到很大的影响；在海拔3 800m的环境下，其制定功率和最大扭矩受到的影响也是非常小的，但是空燃也比较低。海拔在不断升高的同时，空气越来越稀薄，已经不能再有效满足燃料的正常需求，导致扭矩逐渐下降。相关试验数据显示，柴油发动机的经济性和可靠性也能够满足在海拔3 800m以下的环境中使用。在海拔为3 800m的时候，1 000r/min的排温已经慢慢达到了96℃，逐渐接近增压器的极限，安全转速也慢慢达到了极限。如果在更高海拔条件下进行使用，则应当根据实际需求进行相应的改进[5]。

3.2 冷机起动试验

在试验过程中，海拔在超过2 000m的情况下，冷机起动过程中，会冒白烟，过一段时间热机后，白烟会逐渐消失。海拔在升高的同时，冒烟的时间也会逐渐延长。在海拔3 800m的环境下，温度为10℃左右。当海拔升高的情况下，发动机的压气机压力与温度都不断在下降，这样便造成温度和压缩终了压力也相应下降，着火的温度也会因为压力的下降逐渐增加。当海拔高度达到一定程度时，冷机起动之后会有大量的黑烟以及白烟。汽车柴油机还应当考虑更多的高原情况，该类型柴油机和高原实际需求相比，压缩不足，起动时的实际功率更低。海拔高度一旦超过2 000m时，气缸中的压缩空气量无法有效保障起动时燃烧[6]。

3.3 柴油机高原实车道路试验

针对该类型柴油发动机的试验结果，根据存在的不足地方，对活塞、增压器、起动机、空气加热器等零部件的实际参数进行了改进，具体如表2所示。

通过采取相应的改进措施之后，发动机装在卡车上，在高原道路进行试验。海拔5 200m左右，在试验过程中，发动机能够满足设计需求，且具备一定的經济性与可靠性，起动性能够有效满足设计目标。

4 结语

此次试验主要对涡轮增压发动机在不同海拔环境下的工作状况进行了研究，从而保障在高海拔区域环境下汽车发动机可以稳定工作和运行。在高海拔区域采用增压柴油机，额定功率为66%以上，从而保障高速情况下不会超速，低速状态下不喘振，进一步提升发动机的功率，并适当增加冷启动装置，在保障大气压力降低的环境下，具备足够的启动着火能量。同时，还需要提升汽车发动机的压缩比，可以采用高压缩比气缸盖，尽量缩小燃烧室，从而提高压缩比。如采用特制的铝缸盖，且散热性比较好，可以将压缩比提高。对于普通的汽缸盖，在高原地区使用，也需要将压缩比提高。另外，还可以采用增压设备，柴油机由于无爆燃限制，可以优化增压器增加充气量，从而有效改善发动机的经济性和动力性。

通过改变不同海拔和不同温度条件进行了深入的分析与研究，进一步探讨了汽车柴油机的起动性能随着海拔的不断变化从而呈现的特点和规律性。深入探究改善高原地区汽车发动机起动性的方法，对保障高海拔区域汽车发动机正常稳定工作有着重要的意义。

参考文献：

[1]杨艳庆.柴油机高原冷启动方法探讨与分析[J].柴油机设计与制造，2019（1）：1-3.

[2]周文波，朱梅林.高原柴油机的涡轮增压技术研究[J].柴油机设计与制造，2003（3）：4-8.

[3]郑永春，陈其志，郑国世.车用柴油机高原冷起动试验研究[C]//2015年APC联合学术年会.2019.

[4]高桐生.发动机高原特性模拟试验台的设计[J].汽车工程.2019，33（4）：22-23.

[5]高轩，刘泽坤，董素荣.低气压低温环境对柴油机起动性能的影响及改进措施[J].内燃机与配件，2016（5）：1-3.

[6]崔毅，邓康耀，田中旭.增压发动机高原性能模拟试验方法及其实施装置[J].2018，45（4）：33-34.

（责任编辑：李凌峰）