高原环境下大功率柴油机燃烧性能分析及功率恢复研究

摘要

我国高原面积广阔，大量动力设备运行在高原地区。高原地区大气压力低，环境温度变化大，环境条件恶劣，对柴油机性能的影响主要有：功率下降、油耗上升、后燃严重、热负荷增大、排放恶化、增压器涡轮易超速、增压器效率下降且热负荷增大等。因此，针对上述问题开展高原环境下柴油机燃烧性能分析及功率恢复的研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　本文首先应用GT-POWER软件建立并验证了某大功率柴油机工作过程一维仿真模型，在此基础上开展了柴油机高原环境性能分析，研究了高原环境对柴油机总体性能的影响规律。应用AVL FIRE软件建立并验证了某大功率柴油机燃烧过程三维仿真模型，构建了定量描述缸内工作过程的特征参数，从燃烧放热规律、缸内流动特性、缸内油气混合及燃烧过程四个方面深入研究了高原环境下柴油机缸内工作过程进行的机制，揭示高原环境下柴油机性能下降的内在原因。
　　为改善柴油机高原性能，以某大功率柴油机原机型燃烧系统为基础，重点针对燃烧室廓形、喉口半径、油束夹角以及涡流比等参数开展了优化研究，最终优化出了在平原环境下能提高功率，高原环境下能一定程度恢复功率的燃烧系统参数。
　　经过分析论证，选择了为某大功率柴油机匹配可调涡轮增压系统来实现高原功率恢复的目标。在对可调涡轮增压系统建模仿真的基础上，首先研究了可调涡轮流通截面对增压器性能的调节作用，获得了可调涡轮流通截面对增压系统自身性能的影响规律，以此为基础开展不同海拔环境下可调涡轮流通截面对柴油机总体性能的影响分析，并进一步实现柴油机和可调涡轮增压系统在不同海拔环境下的良好匹配。结果表明，在匹配了可调涡轮增压系统后，柴油机高原动力性能得到了明显提升，海拔4km高原环境下柴油机各转速工况的功率较平原环境时下降幅度均不到4％，已恢复至接近平原环境时的水平，能够很好的满足车辆在高原地区行驶的动力需求。