某柴油机高原使用供油系统调整研究

任兆欣，苏铁熊，王增全，于宝金，丁技峰（.中国北方发动机研究所，天津300400；.中北大学机电工程学院，山西太原03005）

某柴油机高原使用供油系统调整研究

任兆欣1，2，苏铁熊2，王增全1，于宝金1，丁技峰1
（1.中国北方发动机研究所，天津300400；2.中北大学机电工程学院，山西太原030051）

针对高原条件下柴油机使用暴露出的气缸盖燃烧室烧蚀等可靠性问题，分别进行了不同喷油泵最大供油量和不同喷油器喷嘴结构参数下，柴油机整机性能高原模拟计算与试验研究，得出了高原环境下通过调节供油系统控制柴油机热负荷的方法。通过性能优化模拟计算与试验研究，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供油系统技术状态高原调整方案，降低了柴油机热负荷，提高了柴油机高原条件下的可靠性。采取所确定的供油系统调整方案后，海拔高度4 500m时，柴油机功率降低27%，其他控制参数均在限制范围内，可满足车辆在高原地区的使用要求。

动力机械工程；柴油机；高原；供油量；调整

0　引言

海拔高度的增加对柴油机热负荷有重要影响。随着海拔高度的增加，大气压力逐渐下降，空气密度逐渐减小，导致进入柴油机气缸的空气量减少，喷油时缸内气体的压缩压力降低。如果喷油泵仍保持平原供油量，则油束贯穿度增大，可能造成过多的燃油附壁，附壁的燃油得不到充分、及时燃烧，引起燃烧恶化，使排温增高，热负荷增大[1-4]。随着海拔升高，大气温度变化有限，但大气压力变化很大，所以高原性能主要考虑大气压力对柴油机性能的影响。高原环境下，由于柴油机热负荷过高导致的典型问题主要有气缸盖燃烧室烧蚀、气缸垫烧蚀和活塞顶烧蚀等，这些故障对柴油机的可靠性和耐久性、造成了恶劣的影响[5]。因此，在尽可能改动最小的情况下，改善柴油机高原使用可靠性，提出柴油机有效、实用的改进措施非常必要。

国外产品早在40年前就开展了提高柴油机高原适应性的研究。按照国外产品的使用要求，在海拔3 000m以上使用，必须对柴油机进行调整，降低功率使用。以BF8L413FC柴油机为例，道依茨公司提供了随海拔高度供油量调整曲线，环境温度20℃时：海拔高度3 000 m，功率降低15%；海拔高度4 000m时，功率降低26%.

供油量、喷油器喷嘴结构参数作为柴油机重要的供油参数，对柴油机燃烧过程、排气温度、有效功率等有重要影响。本文通过模拟计算与试验，对比了不同供油量调整和不同喷油器喷嘴结构参数下的柴油机性能变化规律，提出降低柴油机热负荷的供油系统技术状态高原调整方案，证明了在柴油机结构不作大的改动的前提下，通过调整供油系统技术参数能够有效较低柴油机高原热负荷。

1　模拟分析方法

1.1分析方法

采取模拟计算与试验验证相结合的研究方式，对海拔0 m和4 500 m下外特性进行模拟分析。首先，假设柴油机在海拔4 500 m运行时，未经任何调整，即柴油机的循环供油量、喷油器喷嘴结构参数等保持不变，计算分析原机高原性能；然后，调整不同循环供油量和喷油器喷嘴结构参数，折中考虑排气温度、增压器转速、有效功率，计算优选最佳供油系统技术状态参数，并对计算结果进行试验验证。

1.2主要计算模型

本文采用某增压柴油机研究高原环境下的热负荷控制策略，建立基于AVL BOOST软件的柴油机仿真模型，柴油机主要技术参数如表1所示。柴油机喷油泵为直列多柱塞式机械泵，旋转喷油泵上的供油调整螺钉能够对柴油机每一转速下的最大供油量进行调整，供油调整螺钉向减油方向拧入角度愈大，最大供油量减少量愈大。正常工作时，要求涡轮前的排气温度不大于750℃，增压器转速不大于60 000 r/min.

表1　柴油机主要技术参数Tab.1　Major technical parameters of diesel engine

高原大气条件采用了如表2所示的数据，其中，大气温度统一按20℃考虑。据此对系统边界的压力、温度等受海拔高度影响发生变化的参数进行设置。

表2　高原大气条件Tab.2　Atmospheric conditions of plateau

燃烧过程计算采用AVL MCC燃烧模型，该模型能够考虑喷油器喷孔数、喷孔直径、流量系数等喷嘴结构参数对燃烧过程的影响。

AVLMCC燃烧模型假设放热率由喷油量和紊流能量密度控制。燃料的燃烧放热率

式中：Q为累积放热量（kJ）；φ为曲轴转角（°CA）；Cmod为模型常数（kJ/kg/°CA）；MF为喷油质量（kg）；k为局部湍流动能密度（m2/s2）；V为瞬时缸内容积（m3）.

式中：LCV为低热值（kJ/kg）；Crate为混合速度常数（s）；Cturb为湍流常数；Ekin，F，diss为油束能量损耗（J）；λdiff为扩散燃烧过量空气系数；mstoich为理论空燃比下新鲜充量的质量（kg/kg）.

由于挤流和涡流动能与燃油喷射动能相比，数值相对较小，所以在AVL MCC模型中油气混合的能量来源只考虑燃油喷射动能。传递给缸内的动能由喷油速率决定，喷油速率与动能的关系

式中：Ekin，F为油束动能（J）；ρF为燃油密度（kg/m2）；n为发动机转速（r/min）；μA为有效喷孔面积（m2）；VF为喷油速率（m3/s）.

AVLMCC燃烧模型中，认为能量损耗与动能成比例变化。能量损耗与动能的关系

式中：Cdiss为损耗系数。

1.3模拟高原试验台架

试验使用中国北方发动机研究所高原模拟试验台，其原理结构图如图1所示，主要由发动机进气调控系统、发动机排气模拟系统和控制检测系统3大部分组成，可模拟海拔0～4 500m，进气温度控制范围-30℃ ～25℃，压力控制范围57.57～100 kPa，湿度控制范围25℃时30%～90%r.h，最大进气量8 000m3/h.

图1　高原模拟试验台原理结构图Fig.1　Schematic diagram of plateau simulation test-bed

本试验主要使用的仪器设备有：SCHENCK D2600测功器、AVL TGS1760油耗仪、德维创燃烧分析仪、苏州长风温度传感器、中国北方发动机研究所增压器转速传感器等。测功器量程为功率小于等于1 200 kW、转速小于等于 4 000 r/min，精度为±0.2%；油耗仪量程为0～500 kg/h，精度小于等于0.1%；燃烧分析仪缸压测量范围为0～250 bar，精度为0.05%；温度传感器量程为0～1 000℃，精度为±2.0℃；增压器转速传感器量程为0～20 000 r/min，精度为1.

2　原机高原性能分析

柴油机原机技术状态时，在海拔0m和4 500m下，柴油机主要性能参数变化情况如图2所示。

图2　海拔0m和4 500m下主要性能参数变化曲线Fig.2　The changing curves ofmajor performance parameters at altitude of0m and 4 500m

从图2可看出：海拔高度从0m上升到4 500m时，各转速外特性涡轮前排气温度均超过柴油机正常工作限制值，最高值达到798℃；柴油机转速大于1 800r/min时，外特性增压器转速超过柴油机正常工作限制值，最高值达到63 600 r/min；外特性转矩降低20%～35%，转速越低转矩下降幅度越大；燃油消耗率升高，外特性燃油消耗率均在250 g/（kW·h）以上；最高燃烧压力下降。

图3给出了海拔0m和4 500m下对应的柴油机空气流量和过量空气系数的变化情况。

图3　海拔0m和4 500m下过量空气系数和空气流量变化曲线Fig.3　Air flow and excess air ratio at altitude of 0m and 4 500m

从图3可看出：海拔4 500 m时，相对于平原（海拔0m）状态，在整个外特性工况下，柴油机进气量大幅减少，减少幅度为37%～45%，且转速愈低变化幅度愈大。同时，随着空气流量的减少，过量空气系数也大幅减小，海拔4 500 m整个外特性工况过量空气系数都在 1.4以下，最大扭矩点仅为1.18；而平原状态时，整个外特性工况过量空气系数都在1.8以上，在标定工况时过量空气系数为2.0.

从柴油机高原实车使用情况可看出，排气烟度较大，车辆在起步、加速及转向工况时发动机排黑烟较重。

通过以上原机高原性能分析说明，该型柴油机在高海拔条件下存在着较为严重的油、气不匹配问题，多喷入的油量超过正常燃烧的冒烟极限不能有效做功。

3　供油量调整影响分析

针对多喷入的油量超过正常燃烧的冒烟极限不能有效做功的问题，通过适当减少喷油泵供油量，在与不调油量功率基本相当前提下，能够有效缓解高原使用时排气温度超限、增压器转速超限、热负荷高等问题。

图4给出了喷油泵供油调整螺钉向减油方向拧入不同角度时的油量变化。可看出，在相同拧入角度下，高转速油量减少率大于低转速的。当拧入角度为 270°时，标定工况外特性油量减少率为11.6%，最大扭矩工况外特征油量减少率为8.2%.

图4　外特性油量减少率随拧入角度的变化Fig.4　Variation of external characteristic oil mass slip with screw-in angle

不同减油量（即供油调整螺钉向减油方向不同拧入角度）状态时，在海拔4 500 m下，柴油机不同转速主要性能参数变化情况如图5所示。

从图5可看出，在海拔4 500m下，当拧入240°时，外特性各转速下涡轮前排气温度超过或接近柴油机正常工作限制值，且2 000 r/min下，增压器转速62 100 r/min超过正常工作限制值；随着拧入角度的增大，涡轮前排气温度和增压器转速均降低，但功率也随拧入角度的增大而下降；当拧入角度为270°时，外特性涡轮前排气温度最高为739℃、增压器转速最大值59 300 r/min，二者均在正常工作范围内，且功率降低幅度不大，与原机平原相比，此时功率约降低28.9%；当拧入角度大于315°后，虽然涡轮前排气温度和增压器转速进一步降低，但功率出现大幅度下降，与原机平原相比当拧入角度为360°时功率约降低38.9%.综合考虑，确定该型柴油机高原使用喷油泵供油调整螺钉向减油方向拧入270°.

海拔0m减少油量对柴油机功率、涡轮前排气温度和增压器转速的影响如图6所示。随着拧入角度的增大，功率、涡轮前排气温度和增压器转速均降低，但功率下降幅值很大；涡前排温降低幅度没有海拔4 500m时的大，主要原以为平原地区能够达到需求的空气流量，且比较恒定。但海拔4 500 m时随着拧入角度的增大过量空气系数急剧增加，改善燃烧过程，涡前排温降低剧烈。通过前面的原机高原性能分析知道，海拔4 500m时，柴油机外特性工况耗气量相对于平原减少率为37%～45%，仍然远大于喷油泵供油调整螺钉向减油方向拧入270°时的油量减少率，过量空气系数仍然偏小。如果进一步增大供油量减少率，可使过量空气系数增大，但会导致功率下降急剧增大，严重影响车辆的机动性能。因此要从根本上解决该型柴油机在高海拔条件下的油、气不匹配问题，还应从柴油机增压器匹配上采取进一步措施。

图5　海拔4 500m下主要性能参数随拧入角度的变化Fig.5　Variation ofmajor performance parameters with screw-in angle at altitude of 4 500m

图6　海拔0m下主要性能参数随拧入角度的变化Fig.6　Variation ofmajor performance parameters with screw-in angle at altitude of 0m

4　喷油器喷嘴结构参数影响分析

原机在高原地区使用中，大量车辆暴露出发动机气缸盖燃烧室烧蚀和严重积炭问题如图7所示。利用AVL MCC喷雾燃烧模型，进行了低空气密度条件下燃油雾化与油束发展仿真研究，优选出一组增大喷孔数、减小孔径和减小喷雾锥角的喷油器[6-7]，其规格为10×0.30×130°.优化结果如图8和图9所示。

图7　原机高原条件下故障状况Fig.7　The failures of original engine in plateau area

图8中，保持喷油器的流通面积不变，通过优化喷孔数、同时改变喷孔直径对高原和平原发动机功率及热负荷的影响。当喷孔数为10时，发动机的功率最大，涡轮前排气温度最低，所以选择喷孔数为10，直径为0.3 mm.在此基础上，对喷雾锥角进行优化，由图9可看出优化结果，喷雾锥角130°为排温最低、功率变化幅度较小。

图8　喷油器孔径的影响Fig.8　Influence of injection hole size

图9　喷油器喷雾锥角的影响Fig.9　Influence of spray cone angle of injector

图10给出了采用新规格喷油器与采用原机喷油器海拔4 500 m下柴油机主要性能参数变化情况。可看出，在海拔4 500m下，当采用新方案喷油器时，柴油机动力性呈增长趋势，热负荷呈减小趋势，外特性功率增大11～19 kW，涡轮前排气温度降低11℃～20℃，低速工况变化相对明显。据此确定该型柴油机高原使用采用新规格喷油器。柴油机采用新规格喷油器进行了平原性能仿真计算，结果表明，能够到达平原需求功率，并且涡轮前排气温度降低15℃～21℃.

5　调整方案确定和试验验证

综合考虑，在海拔4 500m高原地区使用时，该型发动机供油系统技术状态调整方案为：采取规格为10×0.30×130°新方案喷油器，且喷油泵供油调整螺钉向减油方向拧入270°.

图10　海拔4 500m下匹配不同方案喷油器主要性能参数曲线Fig.10　Major performance parameters of diesel engine with different injectors at altitude of 4 500m

按照所确定的供油系统调整方案，对柴油机调整后进行模拟高原发动机台架试验与装车高原（西藏羊八井地区）行驶试验验证。发动机台架试验结果表明：采用较小喷油量后相对原机在整个外特性工况下，柴油机功率略有下降，但过量空气系数提高约5%，冒烟问题也得到了改善。海拔4 500 m时，柴油机功率降低27%，排气温度和增压器转速均在限制范围内。由前面分析，原机海拔4 500 m时标定功率下降20%；采取该供油系统调整措施后，海拔4 500m时，虽然发动机功率下降略微增大，但排气温度和增压器转速均得到了控制。同时，采取该供油系统调整措施后，车辆在高原行驶试验中，未再发现类似故障现象，如图11所示。

图11　供油系统调整后柴油机高原气缸盖使用状况Fig.11　The behavior in service of new fuel supply system in plateau area

因此，采取供油系统调整措施，降低了发动机热负荷，在一定程度上能够缓减发动机原来暴露出的高原条件下气缸盖烧蚀现象。

6　结论

1）通过柴油机调整不同喷油泵最大供油量和匹配不同喷嘴结构参数喷油器模拟高原试验研究，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供油系统技术状态高原调整方案，降低了柴油机热负荷，提高了柴油机高原条件下的可靠性。

2）采取所确定的供油系统调整方案后，海拔4 500m时，柴油机功率降低27%，其他控制参数均在限制范围内，可满足车辆在高原地区的使用要求。

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Study of Adjusting Diesel Fuel Supply System in Plateau Area

REN Zhao-xin1，2，SU Tie-xiong2，WANG Zeng-quan1，YU Bao-jin1，DING Ji-feng1
（1.China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300400，China；2.College of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

For the reliability problems of diesel engine in plateau area，such as cylinder head ablation and so on，the simulation investigation ismade on themaximal fuel supply of injection pump and the different structures of injector nozzle.The effectiveness of themethod to control the thermal load of engine in plateau environment is verified by adjusting the fuel supply parameterswithoutmodifying the engine structures.A plateau adjustment scheme of fuel supply system is presented，which includes decreasing the largest supply of the fuel pump properly，increasing the number of the jet holes，and reducing the diameter of jet holes and the spray angle of injector，by performance optimization experiment.The proposed scheme can be used to reduce the heat load of diesel engine and improve the reliability of diesel engine in plateau environment.The results show that the power output of diesel engine is dropped by 27%at high altitude of 4 500m，and other control parameters are in the limited range.

powermachinery engineering；diesel；plateau area；fuel supply；adjustment

TK421

A

1000-1093（2015）12-2217-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.002

2015-06-05

任兆欣（1973—），男，研究员级高级工程师。E-mail：renzhaoxin@126.com；丁技峰（1979—），男，副研究员。E-mail：jfding_2005@163.com