周广猛，刘瑞林，焦宇飞，杨春浩,2，张众杰，李浩

(1.陆军军事交通学院军用车辆工程系，天津 300161；2.海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033)

我国拥有世界上典型的高原地域，仅青藏高原面积就达230万km2[1]。海拔每升高1 km，大气压力平均下降约10%，气温下降约4 ℃，水沸点降2.7 ℃[2-3]。特殊的高原环境使柴油机燃烧恶化，造成柴油机动力性和经济性下降、炭烟排放增加[4-6]、热负荷增大[7-8]、冷却性能降低[9]、低温起动性能下降等问题。通过对柴油机高原燃烧过程进行研究，可以揭示高海拔(低气压)环境对柴油机工作过程的影响机理，进一步探明诸如增压、增压中冷、高压共轨燃油喷射、可变截面涡轮增压、二级可调增压等先进增压技术的运用对柴油机性能的影响，具有重要的意义，已广泛用于柴油机高原环境匹配、标定和关键技术开发，对未来在高原环境条件下实现柴油机的燃烧闭环控制具有直接的参考。

1 柴油机高原燃烧特性研究概况

技术的进步和国家的发展战略不断推动着柴油机高原环境适应性研究的深入，从20世纪的“西部大开发”战略到现在的“一带一路”倡议，在节能减排和军民融合发展国策的激励下，柴油机环境适应性研究不断深入，推动了柴油机燃烧过程研究的进一步发展。柴油机燃烧过程的研究，以提升柴油机高原动力性和燃油经济性，降低发动机的排放为综合目标，关键技术的发展推动了燃烧特性研究的深入，燃烧特性的研究又进一步推动了关键技术在高原应用的进步和发展。总的来说，现有文献主要集中于海拔对发动机性能的影响规律研究、增压器优化匹配研究等内容，而不同海拔下燃烧过程研究相对较少[10]。由于欧美国家海拔普遍较低，多低于海拔2 000 m，柴油机高海拔适应性研究较少，已有研究也主要集中于高原排放和替代燃料等技术。哥伦比亚的J. Agudelo[10]，P. Benjumea[11]，美国宾夕法尼亚大学P. L. Perez[12]针对柴油机高原环境下热力参数变化及高原富氧燃烧等燃烧过程开展了研究。

早在1989年，上海交通大学的李照东[13]就针对柴油机开展了高原放热规律模拟研究，此后直到2010年，研究一直比较平稳，年均1～2篇研究成果见诸期刊。进入2011年，柴油机燃烧过程研究得到了爆发式增长，以柴油机、高原、燃烧为主要内容的相关文献数量大大增加，柴油机高原燃烧过程研究已经成为柴油机高原环境适应性研究的热点问题。相关研究以柴油机关键技术的运用对柴油机燃烧过程的影响及柴油机优化为逻辑主线，从自然吸气柴油机[14-17]，向增压及增压中冷柴油机[15,18-25]、高压共轨柴油机[26-30]、替代燃料柴油机[31-33]、二级可调增压柴油机[34]等方向逐渐拓展。不仅包括燃烧特征参数随海拔的变化规律，还进行了喷油、增压等参数的燃烧优化研究[8,22,24-25,30,34]。当前，企业对新发动机的开发必须进行三高标定，在进行高原标定时，对缸内燃烧压力进行监控即可。国内柴油机高原燃烧特性的研究主要集中在相关的科研院所。

2 柴油机高原燃烧特性研究基本规律

2.1 高海拔(低气压)环境条件对柴油机燃烧过程的影响规律

柴油机高海拔(低气压)燃烧特性研究最早针对自然吸气柴油机，早在1989年李照东[13]就采用了等腰三角形加韦伯函数模型拟合高速直喷式柴油机的放热规律，建立了高原模拟放热规律关系式。研究发现：在等负荷工况下，由于高原环境下柴油机进气压缩压力降低，在不改变供油提前角的前提下，柴油机滞燃期增长，燃烧推迟，预混合燃烧所占的比例增大，扩散燃烧比例减小，燃烧开始后压力、温度上升得很快，缸内燃烧温度升高，速燃期缩短。申立中[14]对自然吸气柴油机的研究结果也进一步验证了上述结论，但对涡轮增压柴油机在等负荷工况下的研究结果表明，柴油机的滞燃期、缸内最高燃烧压力及其对应的曲轴转角均变化不大，但后燃仍然明显增加，排温升高[15]。2016年，刘胜吉[16]进一步通过数值模拟研究给出了自然吸气柴油机在高原环境下油气混合过程的变化。结果表明，随海拔的增加，喷油油束贯穿距变长，油束破碎和蒸发过程减缓，由于燃烧室近壁面处的油气堆积，不完全燃烧加剧。海拔的升高产生两方面影响：一是燃烧推迟造成压力升高比降低，而初始膨胀比跟随增大；二是缸内气体温度增加，使得等熵指数减小。二者均使简化后的理论循环热效率下降。此外，随海拔的升高，缸内温度和排温增大，传热、排气等不可逆损失随之增大，实际循环热效率也跟随进一步下降。燃烧的变化对排放也造成了影响，HC，PM明显增大，CO，NOx变化较小[17]。

通过三维数值模拟能够进一步发现涡轮增压柴油机高原环境下燃烧过程的微观机理。李华莹[37]通过数值模拟发现：与平原相比，柴油机在高海拔(3 700 m)下，柴油机喷嘴内空穴现象加剧，燃油流动速度增加，喷孔出口燃油分布不均匀度增加；缸内燃烧温度分布不均匀性增大，燃烧室局部热负荷偏高。刘永丰[21]研究表明：高原条件壁面累积油膜质量随海拔的升高而增大；壁面油膜在燃油喷射弹着点处形成，随着时间推移，油膜向活塞边缘扩散，在高海拔条件下，燃烧结束时活塞边缘仍有残留。高荣刚[20]建立了描述缸内油气混合过程的中间参数，定量给出了燃油质量分数均方差和不同当量比区间混合气质量分数随海拔的变化规律，发现高原环境下较浓混合气易堆积于燃烧室近壁面处，并形成燃油附壁，从而造成燃烧室中心区空气利用不足。针对柴油机高原应用出现的缸盖局部烧蚀问题，张博文[23]研究发现，缸内对流传热量随海拔的上升逐渐下降，缸内辐射和对流的传热总量随海拔的上升而上升，说明了缸内辐射对换热产生了影响。

采用高压共轨燃油喷射技术后，在高原环境条件下能够灵活地实现循环喷油量、共轨压力和喷油定时的调整，从而改善柴油机的高原燃烧。周广猛[26]进行了高压共轨柴油机不同海拔全负荷工况下燃烧特性模拟试验，研究发现，工况对柴油机燃烧特性随海拔变化规律具有直接影响，在低速和标定转速两个工况下具有代表性。在标定转速下，由于高原预混合燃烧阶段放热增加，此时放热率峰值随海拔的增加而增大。同时缸内燃烧压力作为标定限制条件，其峰值在高海拔下保持不变。受进气压力和喷油参数的双重影响，随海拔的升高，低速下最高燃烧压力点、放热率重心、峰值放热率点基本一致，压力升高率最大点后移，高速下最高燃烧压力点、最高燃烧温度点和放热率峰值点提前。进一步研究[28]发现，优化喷油参数能改善部分负荷工况燃烧相位，补偿因气压降低造成的缸内燃烧压力下降，提升热效率，同时能够缩小高温温度场的范围，减少后燃，改善柴油机的高原燃烧[29]。通过研究发现：高原环境下，柴油机缸内燃烧温度升高主要是由于缸内热容物质减少，缸内累积放热量的减小对温度升高具有抑制作用[29]。董素荣[27]通过数值模拟研究发现，随着海拔的升高，燃烧后期浓混合气分布区域、燃烧高温区域以及炭烟形成区域明显增大。

2.2 柴油机高原燃烧优化基本规律

对柴油机进行高原燃烧优化能够获得使柴油机正常工作的最佳喷油结构参数、最佳喷油控制参数、最佳增压控制参数，从而改善柴油机的燃烧过程，提高高原环境条件下的空气利用率，提升柴油机的有效热效率，改善柴油机的动力性和燃油经济性。

a) 喷油结构参数优化

任兆欣等[22]针对传统机械泵柴油机，开展了针对高原条件下柴油机气缸盖易烧蚀等问题的研究，通过仿真和模拟试验，提出了适当减小喷油泵最大供油量及采用增大喷孔数、减小孔径和减小喷雾锥角的喷油器的燃油系统优化方案，4 500 m海拔下，柴油机标定功率降低27%，热负荷等其他控制参数能够满足要求，提高了柴油机高原工作可靠性。合理的喷孔夹角有利于提高缸内空气与燃料的混合质量，从而改善缸内燃烧。徐华平[24]通过数值模拟研究发现：喷孔夹角增大后，缸内压力和温度上升，功率得到一定恢复，柴油机的排放随之上升。在平原工况的基础上，增大喷孔夹角有利于提升发动机的动力性和燃油经济性。

b) 喷油控制参数优化

通过对高原环境下柴油机喷油参数进行优化，能够改善柴油机缸内燃烧，提升其高原性能。针对机械泵柴油机，徐华平[25]通过数值模拟发现，在高海拔下(4 550 m)喷油提前，缸内燃烧压力和温度峰值点增大，燃烧始点和燃烧重心均提前，功率得到恢复，NOx排放上升；缸内预混合燃烧加强，后燃期缩短，燃烧室中心区域空气也得到更有效利用，发动机动力性提升，燃油经济性下降。王宪成[8]通过仿真发现，在高海拔下(4 000 m)适当减少供油，提前喷油能够降低缸内温度峰值和涡前排温，在柴油机功率满足要求的前提下，降低重载柴油机的热负荷。

由于高压共轨柴油机能够对喷油参数进行“柔性控制”，能够随海拔环境条件对循环喷油量、喷油定时和共轨压力进行修正，有助于改善柴油机高原燃烧。刘瑞林[30]通过燃油系统高海拔模拟试验标定，提出了高压共轨柴油机高海拔喷油参数标定策略，即以循环喷油量的调整为主，辅以喷油定时和共轨压力的调整。随海拔的增加，在中高转速下降低循环喷油量，提前喷油，适量增大共轨压力。在低转速下大幅降低循环喷油量，推迟喷油，基本保持共轨压力不变，在高海拔下适量减小共轨压力。

c) 进气参数优化

柴油机高原变海拔增压技术的应用，通过对变海拔全工况下柴油机进气参数优化，有望从根本上改变柴油机高海拔(低气压)运行问题。董素荣[34]开展了不同海拔条件下VGT叶片开度对两级增压柴油机燃烧特性影响的模拟试验研究，结果表明：不同海拔、最大扭矩全负荷工况下，随着VGT叶片开度的增大，柴油机最高燃烧压力、平均指示压力以及瞬时放热率均降低，滞燃期、速燃期、缓燃期增长，柴油机动力性与经济性下降；随着海拔的升高，VGT叶片最佳开度减小。

3 柴油机高原燃烧特性研究的未来方向

a) 研究目标从单工况下功率恢复向变海拔全工况综合性能提升发展

传统柴油机高原环境燃烧过程研究，最初是验证性研究，主要表现为通过在用发动机的高原环境研究，揭示柴油机在高原工作的规律特点，进一步由验证性研究向以技术应用为主要特征的探索性研究转变。但无论如何发展，其研究目标主要围绕诸如标定工况等少量工况下的功率恢复进行，随着技术的不断进步和国家节能减排要求的不断提高，在国Ⅵ排放标准征求意见稿中已将测试环境条件扩展到海拔2 400 m，未来甚至能达到更高海拔，柴油机燃烧过程研究势必向变海拔全工况下动力性、经济性、排放性等综合性能提升方向发展。

b) 研究内容从宏观规律到微观过程发展

柴油机高原燃烧特性研究，是探索柴油机燃烧机理，评价关键技术应用效果，优化柴油机性能的重要手段。传统的柴油机高原燃烧特性研究内容主要以开展柴油机缸内燃烧压力、燃烧温度、累计放热率等特征参数随海拔的变化规律为主要特征，进行宏观集总参数的变化规律研究。随着新技术的不断应用，特别是柴油机排放法规的不断严格，研究内容从宏观规律的研究向展示燃烧过程喷注的破碎、弥散、蒸发、雾化和燃烧等微观过程发展，重在揭示柴油机在低密度环境下工作过程及排放物的生成机理。

c) 研究方向向变海拔增压先进技术应用侧重

柴油机变海拔增压技术的应用，有助于增加变海拔全工况下柴油机的进气充量，从而全面改善柴油机的缸内燃烧，为柴油机高原功率恢复、经济性提升等柴油机高原环境适应性研究目标的达成提供了条件。董素荣等[34]已经开展了不同海拔条件下VGT叶片开度对两级增压柴油机燃烧特性影响的模拟试验研究，进行了VGT最佳开度的燃烧优化。而近几年，刘瑞林[38-39]、李华雷[40]等对二级可调增压柴油机开展的优化匹配等研究，为未来柴油机高原燃烧特性研究的开展提供了基础，有望通过进一步研究从根本上解决柴油机高原燃烧问题。