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高海拔与平原柴油机燃烧差异分析及起动性能对比 |
摘要：以康明斯重型电控高压共轨柴油机为研究对象，利用高海拔环境模拟试验台，开展在不同海拔高度环境下柴油机低温起动性能试验，对比不同海拔高度下柴油机起动性能及燃烧差异，研究高原低温环境对柴油机起动性能的影响。试验结果表明：相同低温环境下，随海拔高度升高，柴油机起动需要的循环数增加，起动时间变长；高海拔环境下，柴油机起动第一个循环，缸内未有明显燃烧迹象，低温起动前期缸内双峰燃烧比例增加；随着海拔高度升高，缸内燃烧始点逐步靠近压缩上止点位置。本文中利用高海拔环境模拟仓，开展柴油机在不同海拔高度下低温起动性能试验，结合燃烧放热规律分析柴油机起动过程缸内燃烧变化规律。
一、研究启动性能的意义
我国地域辽阔，高原山地面积占全国总面积的60%以上，高海拔地区冬季最冷时的温度可达-41℃。高原地区具有空气稀薄、氧气含量少、环境温度低等特点，且随着海拔高度升高，大气压力和温度呈现逐步降低趋势。据气象资料显示：海拔高度每升高1000 m，大气压力降低10 kPa，气温下降0.65℃。由于挥发性差，柴油燃烧为缸内自行压燃，因此柴油机起动阶段燃烧受外部环境条件影响较大。当柴油机在高原环境下起动时，受大气压力及环境温度影响，压缩上止点附近缸内温度及混合气形成条件均较差，导致混合气形成状况不及平原地区，柴油机在起动过程中会出现着火不稳甚至失火等现象。
冷起动性能是柴油机重要性能指标之一，冷起动性能不仅影响柴油机工作效率，还影响其使用寿命。受高原地区大气环境影响，柴油机在高海拔、低温环境下常存在起动困难现象。在低海拔地区，柴油机不采取冷起动辅助措施时，一般极限低温起动温度为-10℃；但在海拔高度为4800 m地区、温度为-5℃时，如果不带辅助措施就无法顺利起动。因此，研究柴油机高原低温起动性能具有重要意义。
二、试验设备与方案
1、试验设备及样机
高原低温起动试验系统由高海拔环境仓系统、柴油机试验台架系统组成，其中高海拔环境仓系统由罗茨风机控制发动机进气压力、排气背压，可用于模拟海拔高度为0~5000 m时的大气压力，并能进行环境温度调节控制，控制温度为-35~20℃，精度≤±1℃。高海拔环境仓见图1。
试验样机为某重型直列六缸、直喷、四冲程、增压中冷、电控高压共轨柴油机。
2、试验方案
进行0、2000、3500m 3个海拔高度下低温起动性能试验，环境温度均设为-15℃。起动过程中采用奇石乐燃烧分析仪记录缸内燃烧压力，缸压信号反映柴油机燃烧状况，可以充分反映缸内压缩、点火及燃烧放热过程；在柴油机第6缸的缸盖上安装缸压传感器，将缸压传感器电信号传输到燃烧分析仪放大并转化为缸内压力数据，曲轴转速传感器将曲轴信号传给曲轴转角适配器，燃烧分析仪连接如图2所示。水温、机油温度及柴油机转速信号通过电子控制单元(electronic control unit，ECU)采集，采样频率为10 Hz。
3、试验方法
为便于对比不同海拔高度下柴油机起动初期缸内燃烧情况，试验时其他边界条件不变，将环境仓温度设定为-15℃，采用强制循环系统冷却水，控制每次起动时柴油机的水温、机油温度保持一致。通过调整环境仓进气压力和排气背压模拟不同海拔高度。一次起动性能试验结束后，将环境仓升至常温、常压环境，并将发动机转速设置为1500 r/min，热车20 min，保证起动试验过程中缸内未完全燃烧的柴油充分燃烧。相邻起动试验相隔8 h，保证柴油机充分冷却至相同温度。
起动试验时控制起动电压一致，以保证每次倒拖转矩相同，采用电流钳记录起动瞬间最大电流。起动时同步记录ECU起动参数及燃烧分析仪参数，保证ECU记录数据与燃烧分析仪参数的同步对齐。试验用燃油为-35"国六低温柴油、机油牌号为Mobil5W-40，试验过程中采集气缸压力、柴油机转速、进气温度、水温、机油温度等参数。定义曲轴转角为-360°~+360°为一个燃烧循环，包含进气、压缩、做功、排气过程。通过ECU控制逻辑中自行判断的起动结束标志(当ECU监控到发动机转速达到该温度下对应的发动机转速，则判断起动结束)判断柴油机是否起动成功，即当柴油机起动成功后，怠速运行相同时间。
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图1 高海拔柴油机环境试验仓 |
图2 柴油机燃烧分析仪连接图 |
三、高原低温起动过程分析
1、不同海拔高度下起动性能对比
环境温度为-15℃时，3个海拔高度下发动机转速变化曲线如图3所示。由图3可知：温度为-15℃时，该机型在3个海拔高度均可以起动成功，但不同海拔高度下的柴油机起动性能存在差异；随着海拔高度升高，起动结束标志的循环数逐步增加，3个海拔高度下起动结束时对应的循环数依次为67、73、78，循环数增大表明起动时间增加。这是因为在低气压和低温双重因素共同影响下，柴油机起动阶段受进气质量少、进气温度低、燃油蒸发雾化质量差、机油黏度增大等因素影响，起动过程中柴油机拖动转速降低、气缸壁与外界传热损失增大，起动过程中压缩终了温度及缸内压力下降，燃烧滞燃期延长，影响发动机起动性能。
环境温度为-15℃时，不同海拔高度下缸压变化曲线如图4所示。由图4可知：海拔高度为0时，柴油机第一个燃烧循环最大缸压为12.8 MPa；海拔高度为2000、3500 m时，最大缸压仅约为3.0 MPa，起动开始的前3个循环，缸内未有明显燃烧迹象，且随着海拔高度的升高，起动结束标志前缸内最大缸压呈现降低趋势。这是因为高原地区空气稀薄，起动过程中进气质量少，导致缸内可燃混合气质量少，燃油与氧分子碰撞机会少，使柴油机无法顺利着火或产生间歇性失火，并且由于高海拔下含氧量相对较低，在相同喷油量基础上也无法完全燃烧，造成起动过程中缸内平均有效压力降低；随着起动阶段循环数增加，平原及高原起动过程中最大缸压均超过20.0MPa，平原起动过程中最大爆压甚至达到25.0 MPa。这是因为起动电控逻辑中有斜坡转矩，即当柴油机起动时间超过标定时间且起动结束标志仍未变化时，为增强起动效果，需要增加起动转矩，即向气缸内多喷油，随着循环数的增加，缸内形成了较易燃烧的环境，多喷的柴油会在缸内突然燃烧，使起动时的最高爆发压力比全负荷时高。当起动结束标志发生跳变后，柴油机运行在怠速工况，缸压逐渐恢复到正常水平。
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图3 不同海拔高度下柴油机转速变化曲线 |
图4 不同海拔高度下柴油机最大缸压变化曲线 |
2、高原与平原起动过程燃烧差异性分析
3个海拔高度下起动第一个循环缸压的变化曲线如图5所示。由图5可知：低温环境下，在平原地区，柴油机起动第一个循环燃烧迅速，着火发生后缸内做功能力良好，最大缸压瞬间可达到12.8 MPa；而海拔高度为2000、3500m时，起动第一个循环缸内均未出现较为明显的燃烧迹象，最大缸压约为3.0 MPa。这是因为平原地区进气量充足，且低温下空气密度较大，气缸充量系数大，缸内具备快速着火条件；在高海拔地区，在起动初期由于缸内气量少导致压缩上止点温度较低，延长了燃烧滞燃期，无法快速形成着火氛围，因此第一循环基本为纯压缩过程。
为研究某海拔高度下的燃烧循环规律，选择海拔高度为3500m的柴油机起动过程进行燃烧分析，起动前3个循环的缸压变化曲线如图6所示。由图6可知：起动前3个循环缸内未有明显燃烧迹象，在该海拔高度下，缸内双峰燃烧放热规律较为明显，第一个峰值为缸内气体压缩峰值，第二个峰值为燃烧着火峰值；当第二个峰值出现时，对应的曲轴转角为着火上止点后20°，此时活塞已处于下行状态，由于双峰燃烧属于不完全燃烧，缸内最高爆发压力不高，燃烧速率降低，且缸内燃烧环境不佳，因此加速到相同的转速需要更多的循环，即起动时间更长；起动过程中随循环数增加，缸内压力逐渐增大，经多个燃烧循环后，最终缸内着火。
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图5 不同海拔高度下柴油机起动第一循环缸压变化曲线 |
图6 3500米海拔高度下柴油机起动前3个循环缸压变化曲线 |
3个海拔高度下燃烧始点曲轴转角变化曲线如图7所示。由图7可知：随海拔高度升高，燃烧始点对应曲轴转角逐步靠近压缩上止点位置，平原地区燃烧始点对应曲轴转角在压缩上止点前4°；海拔高度为3500 m时，燃烧始点对应曲轴转角在压缩上止点前2°。这是因为海拔高度升高，大气压力下降，导致每循环进入气缸的空气较平原相对较少，压缩终点压力降低，滞燃期增大，且由于缸内混合气密度减小，导致反应物分子之间碰撞的机率减小，着火之前混合气预反应过程相应延长，造成着火时间延迟，燃烧始点角随海拔高度升高逐步向压缩上止点靠近。
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图7 不同海拔高度下柴油机燃烧始点前曲轴转角变化曲线 |
四、结论
（1）相同低温环境下，不同海拔高度对柴油机起动性能有明显影响。随海拔高度升高，起动结束标志的循环数逐步增加，0、2000、3500 m海拔高度下起动结束时对应的循环数依次为67、73、78。
（2）高海拔高度环境下，柴油机在起动前期，缸内着火条件普遍较差，双峰不完全燃烧现象较为明显，不利于迅速起动。
（3）随海拔高度升高，燃烧始点对应曲轴转角逐步靠近压缩上止点位置。
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