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摘 要：综述了高海拔（低气压）对柴油机及增压系统性能的影响，从高海拔对整机性能和缸内燃烧影响，对增压器匹配特性影响以及对柴油机响应特性影响三个方面进行了国内外研究现状总结与分析，为进一步提升柴油机高海拔性能改善提供了理论依据。
关键词：高海拔；柴油机；燃烧；匹配特性；响应特性
0 引言
柴油机在高原使用时会出现动力下降、油耗增加、起动困难、热负荷增大、压气机喘振倾向增加和涡轮超温超速等问题[1]，据统计[2]，海拔每升高1000m柴油机动力性下降4.0%～13.0%、经济性下降2.7%～12.9%，HC、CO和烟度排放量增加30%、35%和34%。
1 高海拔（低气压）对整机性能和缸内燃烧影响
高海拔（低气压）对柴油机的影响过程如图1所示。对于指定的柴油机，功率和转矩是由平均有效压力唯一决定，指示热效率 和过量空气系数 、燃烧放热规律参数有直接关系[3]。机械效率 受泵气损失影响。泵气功和进排气压差呈线性关系[4]。高海拔下进气密度和温度降低，发动机压缩冲程上止点时的缸内状态与平原不同。
1989年李照东[5]研究发现：在等负荷工况下，由于柴油机高原燃烧压缩过程压力下降，供油提前角不变时，柴油机高原工作时滞燃期增加，燃烧始点后移，预混合燃烧所占的比例增大，扩散燃烧比例减小，燃烧开始后压力、温度上升得很快，继续喷入燃料的滞燃期缩短，扩散燃烧的温度水平提高，扩散燃烧速度增加，燃烧持续期缩短。申立中[6]对自然吸气柴油机的研究结果也进一步验证了上述结论，但对涡轮增压柴油机在等负荷工况下的研究结果表明：柴油机的滞燃期、缸内最高燃烧压力及其对应的曲轴转角均变化不大，但后燃仍然明显增加，排温升高。
John A[7]对涡轮增压柴油机在等负荷工况进行研究进一步得出：随海拔的增加，涡轮增压柴油机的机械效率基本保持不变，在高海拔下，缸内混合气体？损失增加，而且在压缩冲程中更加明显；扩散燃烧时？损失增大，排气能量品质降低。相比较而言，在等过量空气系数工况，环境压力的变化对涡轮增压柴油机燃烧过程的影响更为显著，随着环境压力的降低，增压和增压中冷柴油机缸内燃烧不充分，指示热效率减小，缸内燃烧过程压力曲线明显降低，最高燃烧压力下降。王欣等[8]针对不同海拔进行了燃烧与排放试验，结果表明，随海拔高度增加，柴油机热效率降低，排放增加。装甲兵工程学院王宪成等[9]利用柴油机燃烧过程实车测试系统，分别在4500m和500m海拔地区进行了原位空载条件下某大功率柴油机的燃烧过程试验，试验结果表明：在高原下最高燃烧压力下降，对应的相位滞后，燃烧效率降低13.6%～20%；指示效率下降17.5%～20.5%以上。
2 高海拔（低雷诺数）对增压器匹配特性影响
随海拔高度增加，空气密度迅速减小，雷诺数（Re）也随之减小。在海拔高度3500m时压气机进口压力降至60kPa，工作轮进口Re为0.66×105，Re不在自动模化区内，说明气流粘性力明显增加，压气机流道内的附面层增厚，流动阻力增大，将对压气机特性产生不可忽略的影响。在转速一定而流量变化时，气流以更大冲角进入叶轮进口和扩压器进口，更易引起流道中附面层脱离，使流阻损失急剧上升[10]。同时，相对马赫数（Ma）升高，内部流动状态表现为跨声速流动，激波、附面层干扰、二次流等复杂非定常流动现象导致高海拔压气机内部流动分离加剧，流量范围变窄，等熵效率降低，喘振倾向增加[11]。
离心式压气机特性随海拔高度的变化，主要是由Re变化引起的。李书奇[12]分析比较了高原环境下压气机三种通用特性变化规律。吴刚[13]采用理论分析和数值模拟的方法，研究了高原进口条件（进气温度、进气压力）及低雷诺数对于压气机的性能影响，得到了高原条件下压气机通用特性的变化规律。结果表明，高原压气机进口压力下降是Re下降的主要原因。徐斌[14]分析了海拔高度的增加压气机处于非自模区的流量界限，随着海拔的增加，压气机进口临界流量降低。同时，采用相似模型理论推导出高原涡轮增压器效率修正公式。
海拔增压，缸内后燃严重，排气温度升高，涡轮背压降低，涡轮膨胀比增大，涡轮进入跨声速区，可能引起涡轮机叶轮进口产生局部超音速流，引起流道“阻塞”，增加波阻损失[15]。
目前，还没有研究机构针对高海拔下二级可调增压系统高、低压级特性参数进行相关研究，英国巴斯大学Calogero Avola et al[16]等人采用數学方法分析了不同进气参数下，二级可调增压系统高、低压级特性曲线变化规律，并将高低压级非稳态流动和增压系统传热两个因素考虑为影响增压系统特性的原因，并最终将高、低压级压气机MAP等等效为一个压气机MAP。北京理工大学何义团[17]研究了平原环境下高压级压气机进口条件对高压级压气机特性的影响，经过雷诺数计算表明，二级增压系统中高压级空气流动已经处于雷诺数自模区，可以将高压级实际测量参数按照Ma相似准则转化为标准状态下的折合参数。
3 高海拔（低气压）对柴油机响应特性影响
在高原地区，随着大气压力降低，柴油机在起动、加载、加速等瞬态工况下，出现增压压力响应滞后、转矩突降、压气机喘振和倒流[18]，进气量减少与涡轮迟滞现象共同造成瞬态过程中空燃比下降，燃烧过程恶化，燃油消耗量和烟度峰值增加[19]等问题。钱跃华[20]研究不同海拔下顺序增压系统瞬态过程表明：随着大气压力降低，进气量减少，燃烧恶化，排气温度升高、涡轮功率增大，使增压器稳定工作的压比和转速均提高，两个增压器在瞬态过程中加速、减速至两增压器增压压力相同所需时间延长。
在高海拔下，柴油机瞬态过程是机械-热量-流动动态过程，喷油量的增加能够即时响应操作者的意图，但缸内新鲜空气增加到最终稳定值却要克服排气能量传递、涡轮增压器转动惯量以及进气管压力建立等多种惯性因素[21]。与低海拔相比，高原柴油机加速、加载瞬态工况达到相应的增压压力对应的涡轮转速更大，建立增压压力时间更长。其次从燃烧角度分析，增压压力和空气质量流量上升的速率低于循环油量的上升速率，供气滞后的现象导致过量空气系数变小，缸内燃烧边界变化[22]。吉林大学和陆军军事交通学院研究表明：在低转速时，由于发动机受海拔高度升高的影响较大，因而扭矩会减小；在高速区域扭矩影响比较小。综合的影响导致扭矩特性随海拔高度的升高而变差，低转速扭矩减小，因而低速加速性能降低，适应性系数变小[23]。 通过以上分析，在高海拔条件下，提高进气压力的响应速度是改善柴油机的瞬态响应特性唯一办法，而减少涡轮迟滞现象是提高进气压力响应速度的主要办法，通过减少涡轮转动惯量，提高排气流量有助于提高涡轮响应特性。
4 全文总结
本文从内燃机原理角度，分析了高海拔（低气压）柴油机及增压系统的影响规律。包括高海拔（低气压、低雷诺数）对整机性能、柴油机燃烧过程、增压匹配性能和柴油机的瞬态响应特性几个方面，为高海拔柴油机性能改善提供了理论依据。
参考文献：
[1] ANDREW T， THOMPSON. The effect of altitude on turbocharger performance parameters for heavy duty diesel engines： Experiments and GT-power modeling - ProQuest[D]. Colorado State University， 2014.
[2] 王建昕.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.
[3] 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究[M].北京：北京理工大学出版社，2013.
[4] 李华雷，胡志龙，曹杰，等.变海拔柴油机增压系统全工况控制策略研究[J].汽车工程，2016（07）：791–799.
[5] 李照东，王陈生.高速直喷式柴油机高原工况模拟放热规律的研究[J].内燃机工程，1989，10（1）：76-82.
[6] 申立中，沈颖刚，毕玉华，等.不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程[J].内燃机学报，2002，20（1）：50-52.
[7] Agudelo J，Andrés A，Pérez J.Energy and exergy analysis of a light duty diesel engine operating at different altitudes[J].Rev.Fac.Ing.2009（48）：45-54.
[8] WANG X， GE Y， YU L， et al. Effects of altitude on the thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine[J]. Energy， 2013， 59： 543–548.
[9] 王宪成，姜力，和穆.大功率柴油机燃烧过程高原实车测试与分析[J].车用发动机，2012（3）：32-36.
[10] LLAMAS X， ERIKSSON L. Control-Oriented Compressor Model with Adiabatic Efficiency Extrapolation[C]//SAE Paper 2017-01-1032. 2017， 10： 1903–1916.
[11] 张众杰，刘瑞林，梁志峰，等.柴油机增压系统变海拔自适应技术研究现状与发展趋势[J].装备环境工程，2017（10）：1–7.
[12] 李书奇，刘畅，胡力峰，等.高原环境增压器离心压气机特性试验研究[J].机械工程学报，2016（20）：151–158.
[13] 吴刚.离心压气机高原适应性研究[D].北京：北京理工大学，2015.
[14] 徐斌，薄东，尧辉.高原发动机涡轮增压的效率修正计算[J].车用发动机，2009（06）：7–10.
[15]王艳华，李云清，陈小龙，等.轻型航空发动机二级涡轮增压匹配模拟[J].航空动力学报，2011（05）：1099–1103.
[16] AVOLA C， COPELAND C， BURKE R， et al. Numerical Investigation of Two-Stage Turbocharging Systems Performance[C]//ASME， 2016： V001T07A007.
[17] 何义团. 车用柴油机可调二級增压系统的研究[D]. 北京： 北京理工大学， 2007.
[18] Serrano J R， Arnau F J， Dolz V， et al. Analysis of the capabilities of a two-stage turbocharging system to fulfil the US2007 anti-pollution directive for heavy duty diesel engines[J]. International Journal of Automotive Technology， 2008， 9（3）：277-288.
[19] 田径，刘忠长，许允，等.柴油机瞬变过程烟度排放的劣变分析[J].内燃机学报，2016（02）： 125–134.
[20] 钱跃华.双涡轮增压系统匹配方法和优化控制的研究[D].上海：上海交通大学，2015.
[21] N. WATSON， M. S. JANOTA. Turbocharging the Internal Combustion Engine[M]. MacMillan Publishers Ltd.. Houndmills， 1982.
[22] 隋菱歌. 增压柴油机瞬态工况性能仿真及优化[D].吉林：吉林大学， 2012.
[23] 张龙平.车用柴油机瞬变工况性能劣变及其控制策略研究[D].吉林：吉林大学，2015.
作者简介：
刘大川（1994-），汉，男，河北石家庄，硕士研究生，研究方向：柴油机增压控制
通讯作者：
刘瑞林（1963-），汉，男，山东青岛，博士后，教授，研究方向：内燃机高原环境适应性.
关键词：高海拔；柴油机；燃烧；匹配特性；响应特性
0 引言
柴油机在高原使用时会出现动力下降、油耗增加、起动困难、热负荷增大、压气机喘振倾向增加和涡轮超温超速等问题[1]，据统计[2]，海拔每升高1000m柴油机动力性下降4.0%～13.0%、经济性下降2.7%～12.9%，HC、CO和烟度排放量增加30%、35%和34%。
1 高海拔（低气压）对整机性能和缸内燃烧影响
高海拔（低气压）对柴油机的影响过程如图1所示。对于指定的柴油机，功率和转矩是由平均有效压力唯一决定，指示热效率 和过量空气系数 、燃烧放热规律参数有直接关系[3]。机械效率 受泵气损失影响。泵气功和进排气压差呈线性关系[4]。高海拔下进气密度和温度降低，发动机压缩冲程上止点时的缸内状态与平原不同。
1989年李照东[5]研究发现：在等负荷工况下，由于柴油机高原燃烧压缩过程压力下降，供油提前角不变时，柴油机高原工作时滞燃期增加，燃烧始点后移，预混合燃烧所占的比例增大，扩散燃烧比例减小，燃烧开始后压力、温度上升得很快，继续喷入燃料的滞燃期缩短，扩散燃烧的温度水平提高，扩散燃烧速度增加，燃烧持续期缩短。申立中[6]对自然吸气柴油机的研究结果也进一步验证了上述结论，但对涡轮增压柴油机在等负荷工况下的研究结果表明：柴油机的滞燃期、缸内最高燃烧压力及其对应的曲轴转角均变化不大，但后燃仍然明显增加，排温升高。
John A[7]对涡轮增压柴油机在等负荷工况进行研究进一步得出：随海拔的增加，涡轮增压柴油机的机械效率基本保持不变，在高海拔下，缸内混合气体？损失增加，而且在压缩冲程中更加明显；扩散燃烧时？损失增大，排气能量品质降低。相比较而言，在等过量空气系数工况，环境压力的变化对涡轮增压柴油机燃烧过程的影响更为显著，随着环境压力的降低，增压和增压中冷柴油机缸内燃烧不充分，指示热效率减小，缸内燃烧过程压力曲线明显降低，最高燃烧压力下降。王欣等[8]针对不同海拔进行了燃烧与排放试验，结果表明，随海拔高度增加，柴油机热效率降低，排放增加。装甲兵工程学院王宪成等[9]利用柴油机燃烧过程实车测试系统，分别在4500m和500m海拔地区进行了原位空载条件下某大功率柴油机的燃烧过程试验，试验结果表明：在高原下最高燃烧压力下降，对应的相位滞后，燃烧效率降低13.6%～20%；指示效率下降17.5%～20.5%以上。
2 高海拔（低雷诺数）对增压器匹配特性影响
随海拔高度增加，空气密度迅速减小，雷诺数（Re）也随之减小。在海拔高度3500m时压气机进口压力降至60kPa，工作轮进口Re为0.66×105，Re不在自动模化区内，说明气流粘性力明显增加，压气机流道内的附面层增厚，流动阻力增大，将对压气机特性产生不可忽略的影响。在转速一定而流量变化时，气流以更大冲角进入叶轮进口和扩压器进口，更易引起流道中附面层脱离，使流阻损失急剧上升[10]。同时，相对马赫数（Ma）升高，内部流动状态表现为跨声速流动，激波、附面层干扰、二次流等复杂非定常流动现象导致高海拔压气机内部流动分离加剧，流量范围变窄，等熵效率降低，喘振倾向增加[11]。
离心式压气机特性随海拔高度的变化，主要是由Re变化引起的。李书奇[12]分析比较了高原环境下压气机三种通用特性变化规律。吴刚[13]采用理论分析和数值模拟的方法，研究了高原进口条件（进气温度、进气压力）及低雷诺数对于压气机的性能影响，得到了高原条件下压气机通用特性的变化规律。结果表明，高原压气机进口压力下降是Re下降的主要原因。徐斌[14]分析了海拔高度的增加压气机处于非自模区的流量界限，随着海拔的增加，压气机进口临界流量降低。同时，采用相似模型理论推导出高原涡轮增压器效率修正公式。
海拔增压，缸内后燃严重，排气温度升高，涡轮背压降低，涡轮膨胀比增大，涡轮进入跨声速区，可能引起涡轮机叶轮进口产生局部超音速流，引起流道“阻塞”，增加波阻损失[15]。
目前，还没有研究机构针对高海拔下二级可调增压系统高、低压级特性参数进行相关研究，英国巴斯大学Calogero Avola et al[16]等人采用數学方法分析了不同进气参数下，二级可调增压系统高、低压级特性曲线变化规律，并将高低压级非稳态流动和增压系统传热两个因素考虑为影响增压系统特性的原因，并最终将高、低压级压气机MAP等等效为一个压气机MAP。北京理工大学何义团[17]研究了平原环境下高压级压气机进口条件对高压级压气机特性的影响，经过雷诺数计算表明，二级增压系统中高压级空气流动已经处于雷诺数自模区，可以将高压级实际测量参数按照Ma相似准则转化为标准状态下的折合参数。
3 高海拔（低气压）对柴油机响应特性影响
在高原地区，随着大气压力降低，柴油机在起动、加载、加速等瞬态工况下，出现增压压力响应滞后、转矩突降、压气机喘振和倒流[18]，进气量减少与涡轮迟滞现象共同造成瞬态过程中空燃比下降，燃烧过程恶化，燃油消耗量和烟度峰值增加[19]等问题。钱跃华[20]研究不同海拔下顺序增压系统瞬态过程表明：随着大气压力降低，进气量减少，燃烧恶化，排气温度升高、涡轮功率增大，使增压器稳定工作的压比和转速均提高，两个增压器在瞬态过程中加速、减速至两增压器增压压力相同所需时间延长。
在高海拔下，柴油机瞬态过程是机械-热量-流动动态过程，喷油量的增加能够即时响应操作者的意图，但缸内新鲜空气增加到最终稳定值却要克服排气能量传递、涡轮增压器转动惯量以及进气管压力建立等多种惯性因素[21]。与低海拔相比，高原柴油机加速、加载瞬态工况达到相应的增压压力对应的涡轮转速更大，建立增压压力时间更长。其次从燃烧角度分析，增压压力和空气质量流量上升的速率低于循环油量的上升速率，供气滞后的现象导致过量空气系数变小，缸内燃烧边界变化[22]。吉林大学和陆军军事交通学院研究表明：在低转速时，由于发动机受海拔高度升高的影响较大，因而扭矩会减小；在高速区域扭矩影响比较小。综合的影响导致扭矩特性随海拔高度的升高而变差，低转速扭矩减小，因而低速加速性能降低，适应性系数变小[23]。 通过以上分析，在高海拔条件下，提高进气压力的响应速度是改善柴油机的瞬态响应特性唯一办法，而减少涡轮迟滞现象是提高进气压力响应速度的主要办法，通过减少涡轮转动惯量，提高排气流量有助于提高涡轮响应特性。
4 全文总结
本文从内燃机原理角度，分析了高海拔（低气压）柴油机及增压系统的影响规律。包括高海拔（低气压、低雷诺数）对整机性能、柴油机燃烧过程、增压匹配性能和柴油机的瞬态响应特性几个方面，为高海拔柴油机性能改善提供了理论依据。
参考文献：
[1] ANDREW T， THOMPSON. The effect of altitude on turbocharger performance parameters for heavy duty diesel engines： Experiments and GT-power modeling - ProQuest[D]. Colorado State University， 2014.
[2] 王建昕.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.
[3] 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究[M].北京：北京理工大学出版社，2013.
[4] 李华雷，胡志龙，曹杰，等.变海拔柴油机增压系统全工况控制策略研究[J].汽车工程，2016（07）：791–799.
[5] 李照东，王陈生.高速直喷式柴油机高原工况模拟放热规律的研究[J].内燃机工程，1989，10（1）：76-82.
[6] 申立中，沈颖刚，毕玉华，等.不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程[J].内燃机学报，2002，20（1）：50-52.
[7] Agudelo J，Andrés A，Pérez J.Energy and exergy analysis of a light duty diesel engine operating at different altitudes[J].Rev.Fac.Ing.2009（48）：45-54.
[8] WANG X， GE Y， YU L， et al. Effects of altitude on the thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine[J]. Energy， 2013， 59： 543–548.
[9] 王宪成，姜力，和穆.大功率柴油机燃烧过程高原实车测试与分析[J].车用发动机，2012（3）：32-36.
[10] LLAMAS X， ERIKSSON L. Control-Oriented Compressor Model with Adiabatic Efficiency Extrapolation[C]//SAE Paper 2017-01-1032. 2017， 10： 1903–1916.
[11] 张众杰，刘瑞林，梁志峰，等.柴油机增压系统变海拔自适应技术研究现状与发展趋势[J].装备环境工程，2017（10）：1–7.
[12] 李书奇，刘畅，胡力峰，等.高原环境增压器离心压气机特性试验研究[J].机械工程学报，2016（20）：151–158.
[13] 吴刚.离心压气机高原适应性研究[D].北京：北京理工大学，2015.
[14] 徐斌，薄东，尧辉.高原发动机涡轮增压的效率修正计算[J].车用发动机，2009（06）：7–10.
[15]王艳华，李云清，陈小龙，等.轻型航空发动机二级涡轮增压匹配模拟[J].航空动力学报，2011（05）：1099–1103.
[16] AVOLA C， COPELAND C， BURKE R， et al. Numerical Investigation of Two-Stage Turbocharging Systems Performance[C]//ASME， 2016： V001T07A007.
[17] 何义团. 车用柴油机可调二級增压系统的研究[D]. 北京： 北京理工大学， 2007.
[18] Serrano J R， Arnau F J， Dolz V， et al. Analysis of the capabilities of a two-stage turbocharging system to fulfil the US2007 anti-pollution directive for heavy duty diesel engines[J]. International Journal of Automotive Technology， 2008， 9（3）：277-288.
[19] 田径，刘忠长，许允，等.柴油机瞬变过程烟度排放的劣变分析[J].内燃机学报，2016（02）： 125–134.
[20] 钱跃华.双涡轮增压系统匹配方法和优化控制的研究[D].上海：上海交通大学，2015.
[21] N. WATSON， M. S. JANOTA. Turbocharging the Internal Combustion Engine[M]. MacMillan Publishers Ltd.. Houndmills， 1982.
[22] 隋菱歌. 增压柴油机瞬态工况性能仿真及优化[D].吉林：吉林大学， 2012.
[23] 张龙平.车用柴油机瞬变工况性能劣变及其控制策略研究[D].吉林：吉林大学，2015.
作者简介：
刘大川（1994-），汉，男，河北石家庄，硕士研究生，研究方向：柴油机增压控制
通讯作者：
刘瑞林（1963-），汉，男，山东青岛，博士后，教授，研究方向：内燃机高原环境适应性.