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高海拔與平原柴油機(jī)燃燒差異分析及起動(dòng)性能對比 |
摘要：以康明斯重型電控高壓共軌柴油機(jī)為研究對象，利用高海拔環(huán)境模擬試驗(yàn)臺，開展在不同海拔高度環(huán)境下柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)，對比不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)性能及燃燒差異，研究高原低溫環(huán)境對柴油機(jī)起動(dòng)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同低溫環(huán)境下，隨海拔高度升高，柴油機(jī)起動(dòng)需要的循環(huán)數(shù)增加，起動(dòng)時(shí)間變長；高海拔環(huán)境下，柴油機(jī)起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)，缸內(nèi)未有明顯燃燒跡象，低溫起動(dòng)前期缸內(nèi)雙峰燃燒比例增加；隨著海拔高度升高，缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)逐步靠近壓縮上止點(diǎn)位置。本文中利用高海拔環(huán)境模擬倉，開展柴油機(jī)在不同海拔高度下低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)，結(jié)合燃燒放熱規(guī)律分析柴油機(jī)起動(dòng)過程缸內(nèi)燃燒變化規(guī)律。
一、研究啟動(dòng)性能的意義
我國地域遼闊，高原山地面積占全國總面積的60%以上，高海拔地區(qū)冬季最冷時(shí)的溫度可達(dá)-41℃。高原地區(qū)具有空氣稀薄、氧氣含量少、環(huán)境溫度低等特點(diǎn)，且隨著海拔高度升高，大氣壓力和溫度呈現(xiàn)逐步降低趨勢。據(jù)氣象資料顯示：海拔高度每升高1000 m，大氣壓力降低10 kPa，氣溫下降0.65℃。由于揮發(fā)性差，柴油燃燒為缸內(nèi)自行壓燃，因此柴油機(jī)起動(dòng)階段燃燒受外部環(huán)境條件影響較大。當(dāng)柴油機(jī)在高原環(huán)境下起動(dòng)時(shí)，受大氣壓力及環(huán)境溫度影響，壓縮上止點(diǎn)附近缸內(nèi)溫度及混合氣形成條件均較差，導(dǎo)致混合氣形成狀況不及平原地區(qū)，柴油機(jī)在起動(dòng)過程中會出現(xiàn)著火不穩(wěn)甚至失火等現(xiàn)象。
冷起動(dòng)性能是柴油機(jī)重要性能指標(biāo)之一，冷起動(dòng)性能不僅影響柴油機(jī)工作效率，還影響其使用壽命。受高原地區(qū)大氣環(huán)境影響，柴油機(jī)在高海拔、低溫環(huán)境下常存在起動(dòng)困難現(xiàn)象。在低海拔地區(qū)，柴油機(jī)不采取冷起動(dòng)輔助措施時(shí)，一般極限低溫起動(dòng)溫度為-10℃；但在海拔高度為4800 m地區(qū)、溫度為-5℃時(shí)，如果不帶輔助措施就無法順利起動(dòng)。因此，研究柴油機(jī)高原低溫起動(dòng)性能具有重要意義。
二、試驗(yàn)設(shè)備與方案
1、試驗(yàn)設(shè)備及樣機(jī)
高原低溫起動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)由高海拔環(huán)境倉系統(tǒng)、柴油機(jī)試驗(yàn)臺架系統(tǒng)組成，其中高海拔環(huán)境倉系統(tǒng)由羅茨風(fēng)機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、排氣背壓，可用于模擬海拔高度為0~5000 m時(shí)的大氣壓力，并能進(jìn)行環(huán)境溫度調(diào)節(jié)控制，控制溫度為-35~20℃，精度≤±1℃。高海拔環(huán)境倉見圖1。
試驗(yàn)樣機(jī)為某重型直列六缸、直噴、四沖程、增壓中冷、電控高壓共軌柴油機(jī)。
2、試驗(yàn)方案
進(jìn)行0、2000、3500m 3個(gè)海拔高度下低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)，環(huán)境溫度均設(shè)為-15℃。起動(dòng)過程中采用奇石樂燃燒分析儀記錄缸內(nèi)燃燒壓力，缸壓信號反映柴油機(jī)燃燒狀況，可以充分反映缸內(nèi)壓縮、點(diǎn)火及燃燒放熱過程；在柴油機(jī)第6缸的缸蓋上安裝缸壓傳感器，將缸壓傳感器電信號傳輸?shù)饺紵治鰞x放大并轉(zhuǎn)化為缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，曲軸轉(zhuǎn)速傳感器將曲軸信號傳給曲軸轉(zhuǎn)角適配器，燃燒分析儀連接如圖2所示。水溫、機(jī)油溫度及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號通過電子控制單元(electronic control unit，ECU)采集，采樣頻率為10 Hz。
3、試驗(yàn)方法
為便于對比不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)初期缸內(nèi)燃燒情況，試驗(yàn)時(shí)其他邊界條件不變，將環(huán)境倉溫度設(shè)定為-15℃，采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)冷卻水，控制每次起動(dòng)時(shí)柴油機(jī)的水溫、機(jī)油溫度保持一致。通過調(diào)整環(huán)境倉進(jìn)氣壓力和排氣背壓模擬不同海拔高度。一次起動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)束后，將環(huán)境倉升至常溫、常壓環(huán)境，并將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500 r/min，熱車20 min，保證起動(dòng)試驗(yàn)過程中缸內(nèi)未完全燃燒的柴油充分燃燒。相鄰起動(dòng)試驗(yàn)相隔8 h，保證柴油機(jī)充分冷卻至相同溫度。
起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)控制起動(dòng)電壓一致，以保證每次倒拖轉(zhuǎn)矩相同，采用電流鉗記錄起動(dòng)瞬間最大電流。起動(dòng)時(shí)同步記錄ECU起動(dòng)參數(shù)及燃燒分析儀參數(shù)，保證ECU記錄數(shù)據(jù)與燃燒分析儀參數(shù)的同步對齊。試驗(yàn)用燃油為-35"國六低溫柴油、機(jī)油牌號為Mobil5W-40，試驗(yàn)過程中采集氣缸壓力、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、水溫、機(jī)油溫度等參數(shù)。定義曲軸轉(zhuǎn)角為-360°~+360°為一個(gè)燃燒循環(huán)，包含進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣過程。通過ECU控制邏輯中自行判斷的起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志(當(dāng)ECU監(jiān)控到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到該溫度下對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，則判斷起動(dòng)結(jié)束)判斷柴油機(jī)是否起動(dòng)成功，即當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)成功后，怠速運(yùn)行相同時(shí)間。
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圖1 高海拔柴油機(jī)環(huán)境試驗(yàn)倉 |
圖2 柴油機(jī)燃燒分析儀連接圖 |
三、高原低溫起動(dòng)過程分析
1、不同海拔高度下起動(dòng)性能對比
環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，3個(gè)海拔高度下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示。由圖3可知：溫度為-15℃時(shí)，該機(jī)型在3個(gè)海拔高度均可以起動(dòng)成功，但不同海拔高度下的柴油機(jī)起動(dòng)性能存在差異；隨著海拔高度升高，起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志的循環(huán)數(shù)逐步增加，3個(gè)海拔高度下起動(dòng)結(jié)束時(shí)對應(yīng)的循環(huán)數(shù)依次為67、73、78，循環(huán)數(shù)增大表明起動(dòng)時(shí)間增加。這是因?yàn)樵诘蜌鈮汉偷蜏仉p重因素共同影響下，柴油機(jī)起動(dòng)階段受進(jìn)氣質(zhì)量少、進(jìn)氣溫度低、燃油蒸發(fā)霧化質(zhì)量差、機(jī)油黏度增大等因素影響，起動(dòng)過程中柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速降低、氣缸壁與外界傳熱損失增大，起動(dòng)過程中壓縮終了溫度及缸內(nèi)壓力下降，燃燒滯燃期延長，影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能。
環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，不同海拔高度下缸壓變化曲線如圖4所示。由圖4可知：海拔高度為0時(shí)，柴油機(jī)第一個(gè)燃燒循環(huán)最大缸壓為12.8 MPa；海拔高度為2000、3500 m時(shí)，最大缸壓僅約為3.0 MPa，起動(dòng)開始的前3個(gè)循環(huán)，缸內(nèi)未有明顯燃燒跡象，且隨著海拔高度的升高，起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志前缸內(nèi)最大缸壓呈現(xiàn)降低趨勢。這是因?yàn)楦咴貐^(qū)空氣稀薄，起動(dòng)過程中進(jìn)氣質(zhì)量少，導(dǎo)致缸內(nèi)可燃混合氣質(zhì)量少，燃油與氧分子碰撞機(jī)會少，使柴油機(jī)無法順利著火或產(chǎn)生間歇性失火，并且由于高海拔下含氧量相對較低，在相同噴油量基礎(chǔ)上也無法完全燃燒，造成起動(dòng)過程中缸內(nèi)平均有效壓力降低；隨著起動(dòng)階段循環(huán)數(shù)增加，平原及高原起動(dòng)過程中最大缸壓均超過20.0MPa，平原起動(dòng)過程中最大爆壓甚至達(dá)到25.0 MPa。這是因?yàn)槠饎?dòng)電控邏輯中有斜坡轉(zhuǎn)矩，即當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間超過標(biāo)定時(shí)間且起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志仍未變化時(shí)，為增強(qiáng)起動(dòng)效果，需要增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即向氣缸內(nèi)多噴油，隨著循環(huán)數(shù)的增加，缸內(nèi)形成了較易燃燒的環(huán)境，多噴的柴油會在缸內(nèi)突然燃燒，使起動(dòng)時(shí)的最高爆發(fā)壓力比全負(fù)荷時(shí)高。當(dāng)起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志發(fā)生跳變后，柴油機(jī)運(yùn)行在怠速工況，缸壓逐漸恢復(fù)到正常水平。
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圖3 不同海拔高度下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線 |
圖4 不同海拔高度下柴油機(jī)最大缸壓變化曲線 |
2、高原與平原起動(dòng)過程燃燒差異性分析
3個(gè)海拔高度下起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)缸壓的變化曲線如圖5所示。由圖5可知：低溫環(huán)境下，在平原地區(qū)，柴油機(jī)起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)燃燒迅速，著火發(fā)生后缸內(nèi)做功能力良好，最大缸壓瞬間可達(dá)到12.8 MPa；而海拔高度為2000、3500m時(shí)，起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)缸內(nèi)均未出現(xiàn)較為明顯的燃燒跡象，最大缸壓約為3.0 MPa。這是因?yàn)槠皆貐^(qū)進(jìn)氣量充足，且低溫下空氣密度較大，氣缸充量系數(shù)大，缸內(nèi)具備快速著火條件；在高海拔地區(qū)，在起動(dòng)初期由于缸內(nèi)氣量少導(dǎo)致壓縮上止點(diǎn)溫度較低，延長了燃燒滯燃期，無法快速形成著火氛圍，因此第一循環(huán)基本為純壓縮過程。
為研究某海拔高度下的燃燒循環(huán)規(guī)律，選擇海拔高度為3500m的柴油機(jī)起動(dòng)過程進(jìn)行燃燒分析，起動(dòng)前3個(gè)循環(huán)的缸壓變化曲線如圖6所示。由圖6可知：起動(dòng)前3個(gè)循環(huán)缸內(nèi)未有明顯燃燒跡象，在該海拔高度下，缸內(nèi)雙峰燃燒放熱規(guī)律較為明顯，第一個(gè)峰值為缸內(nèi)氣體壓縮峰值，第二個(gè)峰值為燃燒著火峰值；當(dāng)?shù)诙€(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為著火上止點(diǎn)后20°，此時(shí)活塞已處于下行狀態(tài)，由于雙峰燃燒屬于不完全燃燒，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力不高，燃燒速率降低，且缸內(nèi)燃燒環(huán)境不佳，因此加速到相同的轉(zhuǎn)速需要更多的循環(huán)，即起動(dòng)時(shí)間更長；起動(dòng)過程中隨循環(huán)數(shù)增加，缸內(nèi)壓力逐漸增大，經(jīng)多個(gè)燃燒循環(huán)后，最終缸內(nèi)著火。
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圖5 不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)第一循環(huán)缸壓變化曲線 |
圖6 3500米海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)前3個(gè)循環(huán)缸壓變化曲線 |
3個(gè)海拔高度下燃燒始點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖7所示。由圖7可知：隨海拔高度升高，燃燒始點(diǎn)對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角逐步靠近壓縮上止點(diǎn)位置，平原地區(qū)燃燒始點(diǎn)對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角在壓縮上止點(diǎn)前4°；海拔高度為3500 m時(shí)，燃燒始點(diǎn)對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角在壓縮上止點(diǎn)前2°。這是因?yàn)楹０胃叨壬撸髿鈮毫ο陆担瑢?dǎo)致每循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣較平原相對較少，壓縮終點(diǎn)壓力降低，滯燃期增大，且由于缸內(nèi)混合氣密度減小，導(dǎo)致反應(yīng)物分子之間碰撞的機(jī)率減小，著火之前混合氣預(yù)反應(yīng)過程相應(yīng)延長，造成著火時(shí)間延遲，燃燒始點(diǎn)角隨海拔高度升高逐步向壓縮上止點(diǎn)靠近。
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圖7 不同海拔高度下柴油機(jī)燃燒始點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線 |
四、結(jié)論
（1）相同低溫環(huán)境下，不同海拔高度對柴油機(jī)起動(dòng)性能有明顯影響。隨海拔高度升高，起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志的循環(huán)數(shù)逐步增加，0、2000、3500 m海拔高度下起動(dòng)結(jié)束時(shí)對應(yīng)的循環(huán)數(shù)依次為67、73、78。
（2）高海拔高度環(huán)境下，柴油機(jī)在起動(dòng)前期，缸內(nèi)著火條件普遍較差，雙峰不完全燃燒現(xiàn)象較為明顯，不利于迅速起動(dòng)。
（3）隨海拔高度升高，燃燒始點(diǎn)對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角逐步靠近壓縮上止點(diǎn)位置。
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