张众杰，董素荣，周广猛，许 翔，林春城，刘瑞林

(1.军事交通学院 学员旅，天津300161;2.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;3.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161)

高原地区大气压力低，空气中含氧量少，昼夜 温差大，平均气温低，紫外线辐射强，风沙大。在这种环境下行驶的汽车，其柴油机功率下降，燃油消耗率增加，启动性能变差，冷却系统散热能力下降，碳烟排放增大［1-4］。目前，对于自然吸气和涡轮增压柴油机的高海拔性能研究较多［5-9，12］，但对于电控柴油机在高海拔(低气压)条件下的性能模拟试验研究鲜有报道。随着现代工业和交通运输业的飞速发展，电控共轨技术已经成为柴油机发展的重要方向。因此，开展电控柴油机高海拔性能模拟试验，对改善柴油车高原适应性，提高其高原运输能力，具有重要意义。鉴于此，本文在自行研制的内燃机高原环境性能模拟试验台［1，5］上，进行了0 ～5 500 m不同海拔CA6DL 电控柴油机的性能模拟试验，以研究不同海拔对该电控柴油机进气特性、动力性和经济性的影响规律。

1 试验装置和方案

电控柴油机特性试验在内燃机高原环境性能模拟试验台［5］上进行。该试验台主要由测功机、进排气模拟装置、控制系统，以及压力、转速、温度、流量等传感器组成;可以模拟海拔0 ～6 000 m、-45 ℃到常温范围内的大气压力和温度;利用进气节流、真空泵排气抽真空实现对电控柴油机进排气不同海拔大气压力的模拟，同时利用自动控制系统实现进排气压力的调节。试验中，电控柴油机的主要技术参数见表1。

表1 CA6DL 电控柴油机主要技术参数

电控柴油机高原性能模拟试验选择0、3 000、5 500 m 等3 个不同海拔，基本覆盖我国绝大部分公路。每个海拔下，进行全负荷速度特性试验，以及1 300 r/min 和2 100 r/min 的负荷特性试验。试验中，测量进气流量、增压前后压力、转矩、燃油消耗量、排气温度等参数。

2 试验结果与分析

2.1 高海拔(低气压)对电控柴油机进气特性的影响

(1)不同海拔外特性试验中，进气流量随发动机转速的变化如图1 所示。可以看出，随着海拔的升高，大气压力下降，空气密度降低，电控柴油机的进气流量逐渐下降。中、高转速区进气流量下降幅度较大，低转速区下降幅度较小。标定转速(2 100 r/min)下，海拔5 500 m 时的进气流量与海拔0 m 时相比下降了26.7%。进气流量的下降使参加燃烧的实际空气量减少、燃烧恶化，造成电控柴油机的动力性和经济性下降。

(2)不同海拔外特性试验中，进气压力随发动机转速的变化如图2 所示。可以看出，相同转速下，进气压力随海拔升高而下降。在标定转速下，海拔5 500 m时的进气压力与海拔0 m 时相比下降了33.3%。此外，随着发动机转速的升高，进气压力在低速区增加较快，在中、高转速区(1 300 ～2 100 r/min)基本维持不变。

图1 进气流量随海拔高度的变化

图2 进气压力随海拔高度的变化

2.2 高海拔(低气压)对电控柴油机动力性的影响

图3 为不同海拔条件下电控柴油机全负荷速度特性曲线。可以看出，随着海拔升高，电控柴油机动力性主要有以下2 个特点。

图3 不同海拔电控柴油机全负荷速度特性曲线

(1)随着海拔升高，电控柴油机的动力性下降明显。海拔5 500 m 时的标定功率与海拔0 m 时相比，下降13.6%。

海拔高度变化对电控柴油机的动力性影响较大，主要因为:随着海拔升高，大气压力降低，进气压力降低，导致进气量减小;同时，为了防止涡轮在高原超温、超速运转［10］，需要减小循环喷油量，进气量和循环喷油量的同时降低，导致电控柴油机的动力性明显下降。

(2)相对高转速区，海拔高度对电控柴油机低转速区的动力性影响较大。在海拔5 500 m、转速1 200 r/min以上时，电控柴油机的有效功率下降不超过20%;但在800 ～1 100 r/min 时，电控柴油机的有效功率下降42.1% ～62.4%。

这是因为，随着海拔升高，大气压力降低，排气背压也随之降低，增压比增大(如图4 所示)。在高转速时，增压比随海拔升高增加较快，使涡轮增压器做功能力相对提高，起到了一定的补偿作用［11］;而在低转速时(图4 中用圆圈标志区域)，由于排温随着海拔升高不仅没有增加反而降低(如图5 所示)，造成电控柴油机废气能量不足，涡轮增压器工作能力迅速下降，增压比随海拔升高而增加较小，因而电控柴油机的动力性下降迅速。

图4 增压比随海拔高度的变化

图5 排温随海拔高度的变化

2.3 高海拔(低气压)对电控柴油机经济性的影响

(1)海拔高度的变化对电控柴油机低速区燃油消耗率的影响较大，对高速区的影响较小(如图3 所示)。在低转速时，燃油消耗率随海拔升高急剧增加，在海拔5 500 m时的低转速区，燃油消耗率增加13.5% ～18.6%;在高转速区时，海拔高度变化对燃油消耗率的影响较小，增加值在6%以内。

这是因为，随着海拔升高，大气压力下降，相对于高转速区，电控柴油机的进气量在低转速时下降迅速，空燃比减小，混合气变浓，电控柴油机的燃油消耗率下降明显。

(2)电控柴油机燃油经济区范围随海拔升高变得越来越窄。图6、图7 为不同海拔时电控柴油机负荷特性曲线。可以看出:海拔0 m 条件下，燃油消耗率曲线较为平坦，经济性区域较宽;随着海拔升高，在低转速、大负荷工况下，进气不足，燃油消耗率增加较大，燃油经济区范围随海拔升高变得越来越窄。

可见，海拔高度变化对电控柴油机的经济性影响明显。这是由于，燃油消耗量基本保持不变，大气压力下降，空气密度降低，进气量减少，必然导致电控柴油机燃烧过程恶化，有效热效率下降，所以燃油消耗率随海拔的升高而增加。

图6 柴油机(2 100 r/min)不同海拔负荷特性曲线

图7 柴油机(1 300 r/min)不同海拔负荷特性曲线

3 结 论

(1)海拔高度变化对电控柴油机的进气特性影响较大。海拔5 500 m 时，标定转速(2 100 r/min)的进气流量和进气压力与海拔0 m 时相比，分别下降了26.7%和33.3%。

(2)海拔高度变化对电控柴油机高转速区的功率影响较小，对低转速区的功率影响较大。海拔5 500 m、转速1 200 r/min以上时，电控柴油机的有效功率下降不超过20%;但在转速800 ～1 100 r/min时，电控柴油机的有效功率下降达42.1% ～62.4%。

(3)海拔高度变化对电控柴油机高转速区的燃油消耗率影响较小。当海拔5 500 m、低转速时，燃油消耗率增加13.5% ～18.6%;高转速时，增加值小于6%。

［1］ 刘瑞林，刘宏威，秦德.涡轮增压柴油机高海拔(低气压)性能试验研究［J］.内燃机学报，2003，21(3):213-216.

［2］ Shen L Z. Dimensionless Analysis of the Properties of Diesel Engines at Different Atmospheric Pressures［C］// SAE Paper.Detroit，MI，USA，1995，952064.

［3］ Shen L Z. Combustion Process of Diesel Engine Sat Regions with Different Altitude［C］//SAE Paper. Detroit，MI，USA，1995，950857.

［4］ Human D M，Cullman T L，Baines T M. Simulation of high altitude effects on heavy-duty diesel emissions［C］//SAE Paper. Detroit，MI，USA，1990，900883.

［5］ 刘瑞林，周广猛，许翔，等.SOFIM 电控共轨柴油机高海拔性能模拟［J］.燃烧科学与技术，2010，16(4):303-308.

［6］ 刘瑞林，周广猛，李骏，等.高压共轨柴油机高海拔全负荷标定［J］.燃烧科学与技术，2012，18(3):199-205.

［7］ 周广猛，刘瑞林，董素荣，等. 高压共轨柴油机高海拔(低气压)燃烧特性［J］.内燃机学报，2012，30(3):220-226.

［8］ 申立中，沈颖刚，毕玉华，等.不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程［J］. 内燃机学报，2002，20(1):49-52.

［9］ 刘瑞林，刘宏威.内燃机高海拔(低气压)模拟试验台研制［J］.军事交通学院学报，2003，5(1):43-46.

［10］ 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究［M］. 北京:北京理工大学出版社，2013:97-98.

［11］ 周广猛.高压共轨柴油机高海拔标定和燃烧过程研究［D］.武汉:海军工程大学，2012.

［12］ 周广猛，刘瑞林，董素荣，等. 柴油机高原适应性研究综述［J］.车用发动机，2013(4):1-5.