高原环境下的特种车辆发动机改进研究

2018-01-11 神汽专用车


       在高原地区,由于使用条件和环境状况相对于平原地区有很大差异,特种车辆的动力性、经济性以及可靠性都会产生较大的变化。为了适应高海拔环境,必须有针对性地对特种车辆发动机进行改进,以满足高原车辆对动力性、经济性的要求。为此在进行新型特种车辆的研制开发过程中,必须同时开展高原环境适应性研究。


1、典型高原地区环境

我国的高原地域广阔高原地域约占国土面积的1/3。高原地区地势复杂,气候多变,具体表现为气压降低、空气稀薄、氧含量不足、平均气温低和风沙尘土大等,这种气候条件对特种车辆是个严峻的考验,要求特种车辆必须具有适应高原环境的特殊使用性能高。


2、高原环境对特种车辆的影响分析

2.1 海拔高度对燃油经济性的影响

随着海拔高度的增加,大气压力逐渐降低,进人发动机气缸内的空气量相应减少,导致缸内燃烧恶化,从而使功率下降,燃油消耗率升高。国内外资料表明,海拔高度每升高1000m,汽油发动机的功率约下降8%~13%,燃油消耗率约上升6%~9%; 高原柴油发动机功率下降约1%~8%,油耗增加1%-6%,其中增压中冷柴油机功率下降约1%~4%,油耗增加1%~5%。此外,海拔高度对排气污染物的生成也有影如上所述,海拔高度影响发动机的空燃比,空响。燃比的变化又导致排气成分浓度的改变,从而影响有害物质的排放量。CO、HC 的排放浓度都随海拔升高而增大,而NOX的浓度则有所下降。


2.2 海拔高度对发动机动力性的影响

当大气压力下降时,若进气温度和进气系统的阻力不变,进气终了的压力与进气压力的比值基本不变,相对于进气状态而言,充气系数变化不大。但是,随着海拔升高,气压逐渐降低,空气密度减小,致使发动机的进气量减少,平均指示压力下降。对于四冲程发动机而言,平均指示压力与发动机功率成正比关系:x10-3 (kw)。N;= (p,vh/120)式中,N; 为发动机指示功率,kw; vh 为发动机总工作容积,L; p.为平均指示压力,kpa ;n 为曲轴转速,r/min。对于-定型号的发动机在转速不变的情况下,即发动机功平均指示压力直接影响着发动机功率,率随着海拔升高而下降。在高原使用条件下,按照海拔高度适当调整空燃比与点火提前角可使发动机性能有所改善,随着大气压力的下降,空气变得稀薄,混合气变浓,严重时会由于混合气过浓而运转不稳定或产生喘振现象。此外,随着海拔高度的增加,大气压力降低,进气管真空度下降,在原怠速节气门开度下进气量不足,使发动机的转速下降。同时,由于混合气过浓,发动机息速稳定性差。海拔每增高1000 m,息速转速降低50 r/min。


2.3 高原环境对发动机冷启动的影响

高原环境条件下的柴油机冷启动与低海拔高寒地区不同,不仅由于进气温度低,各旋转部润滑油流动性差,阻力加大,柴油机燃烧室内的空气不易达到柴油自燃温度而造成整机难以启动,而且高海拔空气低含氧率也使启动的进气量不足以产生达到柴油自燃温度所必需的氧气量。车用柴油机高原低温启动的特点是最低温度并不严酷(一般在-40-25C),但启动是在低温缺氧条件下完成的。高原低温环境对冷启动性能的影响主要有: 大气气压的下降,导致充气量减少,使得在压缩终点的压力和温度降低,点火延迟期增长,致使其启动比低海拔相同温度下的启动要困难; 低温条件下蓄电容量减少,当启动力矩大时,蓄电池剧烈放电,温度升高,使极板早期损坏,低温下充电能力也在下降,温度愈低充电能力愈差; 低温使系统各种油泵和变矩器泵轮的负荷增加,造成启动阻力加大。


2.4 高原沙尘对空气滤清器的影响

柴油机工作在高转速高机械负荷和热负荷下,其工作状况直接关系到车辆功率的发挥和经济性能的好坏。气缸非正常磨损的主要原因是由于进气不洁造成的,而空气滤清器起着决定性的作用。柴油机高负荷工作时,增压器抽吸空气的吸力非常大,当滤纸精度或均匀度不足时,高速灰尘穿过滤纸进人柴油机气缸,加强滤清器纸芯的安装密封性是空滤器达到过滤精度的关键。通过检修安装滤清系统

和滤芯,保证滤芯安装后的密封性和质量。探索柴油机进气量和空气滤芯进气阻力之间的关系,使滤清精度和柴油机进气量达到最好的匹配点。


3、提高特种车辆高原适应性的对策

3.1 改用柴油发动机替代汽油机

根据高原地区的特点,对发动机进行必要的调整,使其动力性提高,油耗降低。改用柴油机特别是高原型柴油机不仅可以增强发动机动力性能,充分发挥车辆的技术性能,而且还可节约燃料,减少对环境的污染,具有一定的经济和社会效益。


3.2 安装废气涡轮增压器

为了克服柴油机在高原地区使用功率下降、燃料消耗增加的不足,可使用采用了涡轮增压技术的高原型柴油机。由于高原型柴油机对进气进行了增压,使得发动机的充气量系数大幅度增加,混合气趋于正常比例,因而燃烧状况大为改善,发动机功扭矩提商20%~30%,燃料率增加15%~ 25%消耗下降5%~10%。


3.3 加装辅助燃烧室提高燃前可用功

在旁通补燃的超高增压系统中,于涡轮前加装一辅助燃烧室,这样可利用辅助燃烧室提高涡轮前燃气的可用功,减少涡轮增压器的加速滞后时间,大大改善过渡工况性能。如美国在AVCR360-2 发动机涡轮前增加补燃室,从压气机引部分空气进行补燃后进人涡轮,以加速涡轮,取得了很好的效果。西德在MB870 系列柴油机上采用BKS 补燃系统在1.3 S内能加速到108%扭矩,未采用的在5 S

内才达到89%。


3.4

加装冷启动装置柴油机在寒冷的冬季启动相对困难,有时往往会连续反复启动很多次才能成功启动,这样一来又极易损坏发动机性能。基于此,高原及高寒地区可在发动机的基础上加装一个冷启动系统。冬天在启动特种车辆时,应先开启冷启动系统,对车辆进行启动前的充分预热,提高车辆一次启动成功率。若次启动不成功,再次启动的时间间隔为5~10min,让电瓶里电量有一个充分恢复时间。启动发动机后,应先预热--段时间,待温度升高后方可开油门工作,否则会造成增压器损坏,使发动机提前报废。


4、结束语

通过对高原地区环境特点分析,认为空气稀薄、氧分压低、气候寒冷、高原沙尘是影响特种车辆性能的主要因素,并详细分析了高原环境对特种车辆发动机的影响,制定了提高特种车辆高原适应性的对策。主要通过改进发动机,解决特种车辆在高原地区燃油经济性差、动力不足、冷启动困难等主要问题,确保特种车辆经常处于良好技术状态,有效地延长正常使用寿命,充分发挥性能和特点,不断提高工作任务完成效率,保证部队各项战训能够圆满顺利完成,确保部队在高寒地区也能始终保持强有力的战斗力。


转自(武警后勤学院)