高海拔柴油机燃烧优化研究现状及发展趋势

内燃机与配件

0引言

我国青藏高原面积达230[1]万km 2，柴油机在高海拔工况下会出现燃烧恶化，体现在结果上会产生动力不足、炭烟颗粒增多[2-4]、热负荷过大[5-6]、经济性减弱等问题。由于西方国家高原海拔普遍较低，柴油机高海拔适应性研究较少，相应高海拔柴油机燃烧优化研究较少，研究也主要集中于高原排放和替代燃料等技术为提升柴油机高海拔燃烧性能。总的来说，高海拔柴油机燃烧优化研究主要从燃料、喷油、冷却、增压、燃烧方式和燃烧室结构优化等几个方面进行。

1燃料优化

替代燃料在高原条件下除了解决燃料不足条件下应急问题，还可以实现燃烧优化。柴油机主要代用燃料有复合燃料、二甲醚和天然气等，复合燃料由航空煤油，煤基燃料、生物柴油与柴油不同比例混合。

Benjumea P.[7]通过研究确定：在柴油机工作过程中，燃油使用纯棕榈油与燃油使用柴油相比较更有助于缩短滞燃期，随海拔升高，燃烧持续期变化幅度更大，有效热效率

得到明显提升。葛蕴珊[8]通过研究确定：

高海拔条件下，燃油使用大豆油的情况下会造成始燃点提前并且预混合比

例下降。王欣[9]试验对比柴油机燃烧柴油与生物柴油，

结果发现生物柴油预混燃烧放热始点较早但放热率峰值低于柴油。

李若亭[10]针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题，

分析了硝酸异辛脂（EHN ）的分解途径，通过化学反应动力学分析揭示了EHN 添加剂改善柴油机燃烧的机理。通过台架试验的方法，利用单缸机进行研究满负荷工况下：进气压力为68kPa 、转速为1400r/min 条件下EHN 添加剂对高原条件下柴油机燃烧特性的影响。结果表明：添加EHN 能够促进正庚烷反应中自由基OH ，H ，HO 2和H 2O 2的出现，加速分解正庚烷，缩短着火滞燃期；在低压进气条件下，随着EHN 添加剂含量的增加，柴油机运行过程中放热率曲线前移、缸内压力峰值略有下移，柴油机扭矩明显增强，柴油机燃烧性能有较大改善。

董素荣[11]等基于柴油机高海拔燃烧与排放特性模拟试验台，开展了不同海拔下煤基复合燃料（67%-35#柴油，33%煤基含氧燃料）柴油机燃烧与排放特性研究。结果表明，随着海拔升高，煤基复合燃料柴油机最高燃烧压力降

低，放热率峰值Ｔ降，滞燃期延长，碳烟排放增加，海拔

2500m 标定工况下碳烟排放比平原增加28.9%。与燃用柴油相比较，相同海拔，煤基复合燃料柴油机滞燃期延长，燃烧持续期缩短，碳烟排放减少，且海拔越高碳烟排放降低幅度越大。高海拔条件下煤基复合燃料柴油机进行燃烧过程数值模拟发现，5500m 海拔下，煤基复合燃料碳烟排放明显降低。

沈颖刚[12]通过在高原地区进行柴油机生物柴油与柴油不同掺混比的混合燃料的台架试验。根据其掺混比及物理特性计算出当量燃油消耗率，分析了柴油机混合燃料的有效热效率和负荷特性。结果表明，高原条件下柴油中添加体积比为10~30%的生物柴油，经济性明显改善。

王志民[13]基于低压氧弹模拟高原环境进行燃料燃烧试验，研究了在缺氧工况下3种含氧添加剂的助燃性能。提出采用实际每克柴油放热量Qm 来评价添加剂的作用。结果表明，在缺氧条件下，3种含氧添加剂对0#柴油的燃烧均有不同程度的促进作用。且添加剂中氧含量占比越高，其助燃效果越好；在一定限制范围，随着添加量增加，助燃效果明显增强。

2喷油系统

高原条件下，

进气条件发生变化，为优化柴油机燃烧，喷油系统需要进行相应的调整。国内外学者针对喷油正时、压力，油粒直径和控制策略等方面进行了优化研究。

王雪丰[14]通过供油提前角的调整控制燃烧始点，以此来调节NOx 的排放。通过改进燃烧室结构、减小压缩余隙等方式改善燃烧空间并优化喷油效果，实现燃烧室结构更合理、对于燃烧室利用率更高、油气混合效果更好，有利于燃料高效燃烧，减少碳烟等物质的排放，改善排放性能，提升柴油机的燃烧性能。

沈海涛[15]基于单因素控制方法分析发动机进气参数与喷油参数对油气混合、燃料燃烧、污染物排放等的影响。得出主喷定时是影响燃油消耗率的主要因素；喷油压力是影响碳烟排放的主要因素。

廖建彬[16]以4190ZL 型船用中速柴油机为例，利用CFD 软件FIRE 对其喷油器在不同喷孔直径下的喷射雾化和燃烧过程进行数值模拟，得到燃油雾化特性和燃烧过程的数据，并分析其对柴油机NOx 和碳烟排放的影响。

王媛[17]研究了喷油策略对发动机燃烧性能的影响，以一次预喷与主喷相结合的方式进行燃烧模拟。

得出高温高压时预喷时刻要短，主喷时刻较晚可以将缸温、缸压及污

高海拔柴油机燃烧优化研究现状及发展趋势

马家明①；杨春浩②；张众杰①；任露①

（①陆军军事交通学院学员五大队研究生队，天津300161；②海军工程大学动力工程学院，武汉430033）

摘要：高海拔柴油机燃烧优化研究可以提升其高海拔燃烧过程，提升柴油机高海拔性能，对于国防建设具有重要意义。本文从多

个方面综述了柴油机高海拔燃烧优化现状，提出了柴油机高原燃烧特性优化技术。

关键词：柴油机；燃烧优化；燃烧特性

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—作者简介：马家明（1994-），男，安徽马鞍山人，五大队学员，硕士，研究方向为军用动力机械环境适应性。·58·DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2019.05.023

Interna l Combustion Engine&Parts

染物排放控制在较低水平。

刘高[18]针对二级增压柴油机NOx排放升高，采用EGR 的方式可减少NOx排放，并通过EGR和喷油控制策略协同控制，能够改善柴油机的燃油经济性和排放性，达到低油耗率和低排放量的目标。

3冷却系统

高海拔条件下，空气密度降低，柴油机散热条件发生变化，燃烧过程发生变化，柴油机的热平衡性能大幅变化，相同工况下热负荷增加。

刘楠[19]等研究人员进行了高海拔条件下柴油机热平衡模拟试验整个系统的设计与开发，该系统可实时对发动机冷却液温度与流量进行控制。周磊[20]设计了柴油机高海拔（低气压）大气模拟试验系统，运用其展开了不同海拔条件下柴油机基于冷却液温度的燃烧过程与性能试验，通过分析冷却液温度对燃烧过程的影响。结果表明：将冷却液控制在一定温度，放热率峰值、缸压峰值及平均指示压力均随海拔的上升而下降，缸温峰值却有所增加。

许翔[21]通过内燃机高海拔（低气压）大气模拟试验系统平台，研究分析大气压力与冷却液温度对内燃机燃烧性能和燃烧特性的影响。结果表明：随着进气压力降低，柴油机最高燃烧压力下降，缸内平均温度大幅升高，燃烧始点推迟且持续期延长，后燃严重，燃烧过程未能及时释放热量，动力性能和燃料经济性下降明显；伴随冷却液温度的提升，燃烧始点有所提前且燃烧持续期略有延长，最高燃烧压力增大，柴油机燃烧重心略微前移，燃烧放热率随之减小；并且随着大气压力的降低发动机冷却液的温度对柴油机燃烧过程的影响越明显。高海拔条件下，提高柴油机冷却液工作温度，可以明显减少冷却液散热量，提高柴油机的热-功转换效率，显著改善柴油机的高原动力性和经济性，同时柴油机热负荷升高幅度并不大。

4增压系统

增压是提升柴油机高海拔性能的重要技术之一，通过增压系统优化燃烧。

董素荣[22-23]通过可调二级增压柴油机高海拔燃烧与性能模拟试验，研究了不同海拔条件下二级增压器与柴油机的匹配特性、柴油机燃烧特性和动力经济性能随可调二级增压系统调节参数（VGT叶片开度）的变化规律。结果表明：不同海拔下，可变截面的涡轮增压器VGT叶片开度对增压器高压级特性参数影响较大，而对增压器低压级特性参数影响较小；随VGT叶片开度减小，柴油机进气流量增大，联合运行线向阻塞线方向移动，缸压峰值和瞬时放热率峰值增大，预混燃烧的瞬时放热率峰值减小，滞燃期缩短，燃烧重心向上止点方向偏移；通过高海拔模拟试验研究了VGT二级可调增压柴油机不同海拔的燃烧特性。结果表明，随着海拔的升高，二级可调增压柴油机的滞燃期延长，速燃期放热率增大，但缓燃期放热率和累计放热量均减小，放热率重心向上止点偏移，缸内平均指示压力下降。与普通增压柴油机比较，二级可调的增压柴油机在高海拔条件下的燃烧状况得到明显改善。

邹泽宇[24-25]在一台电控高压共轨重型柴油机上，基于高压冷却废气再循环（EGR），对比研究了WGT、VGT、WGT-FGT和VGT-FGT四种涡轮增压器增压方式对柴油机燃烧性能的影响。

5燃烧室结构优化

不同结构燃烧室对缸内燃烧情况有很大影响。王耀辉[26]利用模拟手段进行了燃烧室结构匹配进气系统对燃烧和排放的优化研究，通过燃烧室结构匹配涡流比对缸内油气混合的改善作用以及米勒循环和EGR对缸内温度的降低作用来减少排放物生成。

胡启坤[27]通过将4190型柴油机中喷油系统的机械式喷油泵替换成电控组合泵后，选择不同类型的燃烧室进行匹配，实现喷油压力增大的同时并维持良好的燃烧质量。沈颖刚[28]等人使用CFD软件进行模拟研究燃烧室内结构对发动机性能的影响；结果发现：在保持压缩比不变的情况下，选用大径深比的燃烧室，燃烧后期逆挤流较弱，根据高原地区大气压力较低，这样的燃烧室设计，有助于进气均匀分布，改善燃烧效率。

6总结

①高海拔柴油机燃烧优化可从多个方面进行，在高压共轨燃油系统与增压系统应用日趋普遍的条件下，喷油与增压两方面具有更大提升空间。

②平原高原环境差异导致柴油机热平衡性能必定发生变化，基于冷却系统的燃烧优化仍然很重要。

③燃烧室结构优化对于发动机结构改变将产生较大成本，目前主要将在仿真中进行，当技术较为成熟的前提下开展燃烧室结构优化可以直接优化燃烧。

参考文献：

[1]Wang S J，Chen J B，Zhang J Z，et al.Development of highway constructing technology in the permafrost region on the Qinghai-Tibet plateau[J].Science in China Series E:Technological Sciences，2009，52(2):497-506.

[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[J]．车用发动机，2013（4）：1-5.

[3]Chaffin C A，Ullman T L.Effects of increased altitude on heavy-duty diesel emissions[C].SAE.Paper940669，1994.

[4]He C，Ge Y，Ma C，et al.Emission characteristics of a heavy-duty diesel at simulated high altitudes[J].Science of the total environment，2011，409(7):3138-3143.

[5]汪茂海，陈涛，张扬军，等．高原发动机热管理系统性能分析研究[J]．汽车工程，2010，32（10）：851-853.

[6]王宪成，郭猛超，张晶，等．高原环境重型车用柴油机热负荷性能分析[J]．内燃机工程，2013，33（1）：49-53.

[7]Benjumea.P，Agudela A.Effect of altitude and palm oil biodiesel fueling on the performance and combustion characteristics of HSDI diesel engine[J].Fuel，2009，88(4):725-731.

[8]YU L，Ge Y，Tan J，et al.Experimental investigation of the impact of biodiesel on the combustion and emission characteristics of a heavy duty diesel engine at various altitudes[J].Fuel，2014，115:220-226.

[9]Wang X，Ge Y，Yu L，et al．Comparison of combustion characteristics and brake thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine fueled with diesel and biodiesel at high altitudes[J].Fuel，2013，107：852-858.

[10]李若亭，赵文柱，郭猛超，等.有机酸脂对高原柴油机燃烧特性的影响[J]．华中科技大学学报（自然科学版），2016．44

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