高海拔地域内燃机功率补偿技术.pdf

342023年第2 期与车辆移动电源高海拔地域内燃机功率补偿技术王志斌，严健，潘小兵，向成宣（陆军工程大学通信士官学校，重庆，40 0 0 35）摘要：本文分析了高海拔地域对内燃机功率的影响，明确了研究高海拔地域内燃机功率补偿技术的重要意义。根据目前内燃机在高海拔地域功率下降的现象，分析了内燃机功率下降的原因，总结了对高海拔地域内燃机进行功率补偿的策略。关键词：内燃机；高海拔；功率补偿Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.02.009中图分类号：TM611.2文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 50（2 0 2 3）0 2-0 0 34-0 0 3概述内燃机以其显著的动力性、经济性、可靠性与耐久性指标，在农业、工业、交通运输业和工程领域得到了广泛的应用。内燃机作为一种动力机械，它是通过燃料在气缸内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为机械能，内燃机工作过程中输入的燃料、吸入的空气直接影响内燃机的功率。我国幅员辽阔，地形主要包括山地、高原、盆地、平原、丘陵，其中海拔1km、2 k m 和3km以上地域分别占国土面积的58%、33%和2 6%。高海拔地域独特的自然环境对内燃机功率具有非常显著的影响，会导致内燃机功率下降，因此研究高海拔地域内燃机功率补偿技术具有重要意义。2高海拔地域对内燃机功率的影响相比于其它地形，高海拔地域的环境更加独特，对内燃机工作的影响也更加突出。2.1高海拔地域环境特点在高海拔地域大气压随高度增加而降低，组成大气的各种气体的分压，亦随海拔高度增加而降低，氧气分压也是如此，这就导致大气中的含氧量和氧分压降低。研究表明，海拔每升高1km，大气压力平均下降9.5kPa，空气密度平均减小0.0 9 2 kg/m，空气含氧量平均减少30.18 g/m32。气温随着海拔高度的升高而逐渐下降，一般每升高10 0 0 米，气温下降约6，同时由于大部分地区空气稀薄、干燥少云，导致昼夜温差大。高海拔地域空气稀薄清洁，尘埃和水蒸气含量少，大气透明度比平原地带高，太阳辐射透过率随海拔高度增加而增大。2.2高海拔地域对内燃机功率的影响高海拔地域内燃机的燃烧实质是低气压富油燃烧。高海拔地域的低气压意味着内燃机工作于低于平常的进气初始压力环境，低的进气压最直接的后果就是造成内燃机压缩终点压力降低。众所周知，内燃机压缩终点压力降低，一方面，由于燃烧始点压力降低使得内燃机最终燃烧压力降低，造成做功能力显著下降，与此同时，低的进气压使得内燃机燃烧室内的有效氧气冲量减少，这两者都造成内燃机的做功能力显著下降。另一方面，低的压缩终点压力势必也意味着低的内燃机压缩终点的温度，随之产生内燃机起动困难的伴生问题。内燃机在高海拔地域工作就会形成低进气压，但内燃机的燃油供给系统并不能随海拔升高适时做出及时的调整和改变，使得内燃机缸内形成富油燃烧，造成排气黑烟，燃油消耗增加，内燃机燃油经济性显著下降，功率输出降低更加恶化。3高海拔地域内燃机功率补偿技术35与车辆移动电源2023年第2 期我国广衰的高海拔地域，存在着众多的内燃机，如果能在一定程度上解决高海拔地域内燃机的功率下降问题，其社会经济价值是不可估量的。3.1进气增压对于高海拔地域内燃机功率补偿，最主要的技术策略是补气并适时的对内燃机的燃油系统进行调校。常用的方法就是增压，主要包括内燃机废气涡轮增压，机械增压，进气谐波增压，电动马达增压，集气口增压等方式，其中最常用的增压有废气涡轮增压和机械增压两种方式。对于大型柴油机组而言，也有的采用废气涡轮增压和机械增压两种增压方式的复合增压模式。一般而言，由于废气涡轮增压的运转极大地依赖于内燃机的排气流量，也就是说内燃机的负荷情况将影响废气涡轮增压的效率。所以，对于小型机组，由于排气流量较小，涡轮增压的起动和运转的平稳性有待进一步研究，故而机械增压或者电动增压或许是更为合理的选择。对高原增压技术研究而言，内燃机的燃烧与平原燃烧状况相比，实质上并没有更大的改变。一般而言，高原地域内燃机增压后的进气终点压力也大致和与平原内燃机的进气终点压力相当。因而从这层意义上来说，研究的着眼点就是关注增压器的平稳运行和增压器随内燃机负荷情况的响应特性关系。从内燃机燃烧的角度，不难理解：当增压过度，而燃油喷射系统若未能及时响应，会造成内燃机过稀燃烧，造成内燃机负载能力降低，使得内燃机转速突降；同样，当增压不足，燃油供给过多，过浓燃烧也会使得内燃机的负载能力降低。增压系统与内燃机负荷转速特性的匹配特性研究是增压技术研究的中心工作，这需要大量的工程数据支撑内燃机不同转速下的有效增压有效曲线区间。3.2补氧高海拔地域对内燃机最大的影响是空气稀薄，可以通过在内燃机燃烧过程中补氧，弥补缸内进气中氧气不足、燃油相对偏多的问题。燃烧过程的补氧目前常采用的手段不外乎包括，进气补氧或者燃料补氧（采用含氧燃料）两种方式。进气补氧尽管很简单，易于实现，但氧气源对于高海拔地域是一个很大的问题。含氧燃料的供给主要包括含氧醇类燃料添加于燃料中，但其补氧效果较差，很难达到明显补偿功率的要求。3.3提高压缩比内燃机压缩比可以表征气缸气体被压缩的程度，直接影响内燃机的功率和扭矩输出，是内燃机运行中的重要参数。在高海拔地区，空气稀薄，内燃机进气量减少，压缩终了时燃烧室内可燃混合气的温度和压力都降低，导致燃烧速度减慢，热损失增加。提高内燃机压缩比后，压缩终了时燃烧室内可燃混合气的温度和压力升高，使气缸内可燃混合气燃烧更加充分，提高了燃烧速率，减少了热损失，可以在一定程度上补偿海拔升高造成的内燃机功率损失。虽然压缩比越提高功率补偿效果越好，但内燃机压缩比是受内燃机状态、工作温度、海拔等因素共同影响的参数，不能无限提高，需根据具体情况选择理想的压缩比。3.4调整配气相位配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开闭时刻和开启持续时间，对于四行程内燃机来说，为了确保内燃机工作过程中进气更充分、排气更彻底，进、排气门提前开启、延迟关闭，进、排气门开启行程都大于18 0 曲轴转角。随着海拔高度的升高，空气逐渐稀薄，对内燃机的进气影响尤为明显。在高海拔地区，根据内燃机的运行工况合理的调整配气相位，能够有效的提高内燃机的充气系数，提高内燃机的动力。高原车辆可以通过调整气门间隙改变配气相位，也可以采用气门可变相位技术达到调整配气相位的目的。3.5调整供油提前角供油提前角就是指内燃机的供油时刻，活塞顶部距上止点所对应的曲轴转角，供油提前角对内燃机的动力性和经济性有一定的影响。高海拔地域内燃机工作时的供油提前角对燃料燃烧的最大压力影响显著，可适当将供油提前角提前，使燃料与空气混合更加充分，改善燃烧条件，增大燃烧压力。4结语362023年第2 期与 车辆移动电源高海拔地域内燃机功率补偿技术是解决高海拔地域空气稀薄导致功率下降问题的关键技术，可以保证在高海拔地域的条件下，缓解乃至解决内燃机功率下降问题，确保内燃机在高海拔地域稳定输出功率。参考文献：1靳，张俊跃，胡力峰，等。高原自适应柴油机涡轮增压技术研究 J.内燃机工程，2 0 11，32（4)：2 7-31.2 周广猛，刘瑞林，董素荣，等柴油机高原环境适应性研究综述述J车用内燃机，2 0 13，4：1-4.作者简介：王志斌（19 8 6-），硕士研究生，讲师，长期从事通信电源和动力发电专业的教学与科研工作，对内燃机的增压技术、燃烧技术有较浓厚的兴趣和较深入的研究，发表学术论文10 余篇。Power Compensation Technology of Internal Combustion Engine inHigh Altitude RegionWANG Zhi-bin,YAN Jian,PAN Xiao-bing,XIANG Cheng-xuan(Communication NCO Academy of Army Engineering University,Chongqing400035,China)Abstract:This paper analyzes the influence of high altitude region on the power of internal combustion engine,and clarifies theimportance of studying the power compensation technology of internal combustion engine in high altitude region.According to thecurrent problem of power reduction of internal combustion engines in high altitude region,the reasons for power reduction of internalcombustion engines are analyzed,and the strategies for power compensation of internal combustion engines in high altitude regionare summarized.Keywords:internal combustion engine,power compensation,high altitude版权声明经本刊选用的稿件，编辑部有权统一加入CNKI中国期刊全文数据库、万文数据以及中文科技期刊数据库等系统，进入因特网提供信息服务，本刊所付稿酬包括上述系统著作权使用费。作者向本刊提交文章发表的行为即视为同意本编辑部上述声明。移动电源与车辆编辑部