高原環(huán)境對大功率柴油機(jī)起動過程影響研究

王憲成，馬寧，王雪，孫志新，吉世文，劉大可

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高原環(huán)境對大功率柴油機(jī)起動過程影響研究

王憲成1，馬寧1，王雪1，孫志新1，吉世文1，劉大可2

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050）

研究高原環(huán)境對大功率柴油機(jī)起動過程影響規(guī)律。針對平原和高原地區(qū)某12缸柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)車起動試驗(yàn)，對兩種環(huán)境下柴油機(jī)起動過程轉(zhuǎn)速與缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對比兩種環(huán)境起動過程滯燃期變化規(guī)律，同時對兩種環(huán)境起動過程噴霧特性進(jìn)行仿真計算。發(fā)現(xiàn)在高原環(huán)境起動過程加速階段更易出現(xiàn)滯速，甚至失火現(xiàn)象，兩種環(huán)境下起動過程中以時間計滯燃期均在加速階段快速下降，在過渡階段下降平緩，在同一時刻高原環(huán)境滯燃期更大，且波動更大，最大可達(dá)0.9 ms。噴霧過程仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境起動過程噴霧貫穿距發(fā)展更快，油束重心更接近燃燒室壁面。高原環(huán)境使得柴油機(jī)起動過程噴霧貫穿距增大，油束碰壁導(dǎo)致混合氣形成質(zhì)量變差，滯燃期變長，最終導(dǎo)致高原環(huán)境下起動過程出現(xiàn)滯速甚至失火等現(xiàn)象。

高原環(huán)境；柴油機(jī)；起動過程；滯燃期；噴霧特性

高原環(huán)境柴油機(jī)起動過程頻繁出現(xiàn)若干循環(huán)失火造成的滯速現(xiàn)象，甚至熄火[1]。敖良忠[2]等人通過CFM56-5B發(fā)動機(jī)結(jié)合高原地區(qū)氣壓與含氧量低等特點(diǎn)，分析出燃油霧化質(zhì)量變差以及富油燃燒是造成起動困難的重要原因。S.A.Haba[3]等人則研究了一臺V型6缸柴油機(jī)在極低溫度下的起動狀況。文中通過高原實(shí)車起動試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了滯速及失火等現(xiàn)象的產(chǎn)生及特點(diǎn)，并通過燃油噴霧過程計算解釋了高原環(huán)境起動過程滯燃期偏大的原因。

1 柴油機(jī)起動過程試驗(yàn)

分別在海拔3700 m高原環(huán)境和平原環(huán)境針對12缸柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)車起動試驗(yàn)。主要測量參數(shù)包括瞬時轉(zhuǎn)速、上止點(diǎn)、缸壓等參數(shù)，測試現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)見表1，柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 環(huán)境參數(shù)

表2 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 起動過程階段劃分

柴油機(jī)起動過程是指柴油機(jī)由穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)到高速轉(zhuǎn)動的過程[4]。通過分析柴油機(jī)起動過程的瞬時轉(zhuǎn)速曲線，可將柴油機(jī)起動過程分為倒拖階段、加速階段、過渡階段以及穩(wěn)定階段，如圖1所示。其中，倒拖階段是指柴油機(jī)在外力驅(qū)動下開始轉(zhuǎn)動，到轉(zhuǎn)速開始自行上升時為止；加速階段是指從轉(zhuǎn)速開始自行上升，到轉(zhuǎn)速升至最大值為止；過渡階段是指從轉(zhuǎn)速最大值過渡到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為止；穩(wěn)定階段是指轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在怠速轉(zhuǎn)速[5]。

圖1 柴油機(jī)起動過程階段劃分

加速階段是柴油機(jī)起動過程的關(guān)鍵階段，在此期間，瞬時轉(zhuǎn)速快速上升，導(dǎo)致以曲軸轉(zhuǎn)角計的滯燃期偏長。在高原環(huán)境，空氣稀薄導(dǎo)致缸內(nèi)空氣密度低，燃油噴霧質(zhì)量嚴(yán)重劣化，使得高原環(huán)境下起動過程加速階段以角度計的滯燃期更長[5]，起動過程的滯速及失火現(xiàn)象就常發(fā)生于加速階段。

1.2 高原環(huán)境起動過程滯燃期特點(diǎn)

兩種環(huán)境以時間計的滯燃期進(jìn)行比對，如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境以時間計的滯燃期隨起動時間變化曲線

從圖2數(shù)據(jù)分析可見：在柴油機(jī)的起動過程中，隨著循環(huán)的進(jìn)行，以時間計的滯燃期呈現(xiàn)下降趨勢，在加速階段下降較快，在過渡階段下降較慢。同一時刻，高原環(huán)境以時間計的滯燃期明顯高于平原環(huán)境，而下降速度低于平原環(huán)境。穩(wěn)定階段高原環(huán)境滯燃期波動幅度高于平原環(huán)境，最大可達(dá)0.9 ms。

2 滯速現(xiàn)象及失火

2.1 滯速現(xiàn)象產(chǎn)生及特點(diǎn)

在柴油機(jī)起動過程加速階段，瞬時轉(zhuǎn)速停止持續(xù)上升而滯留在某一轉(zhuǎn)速附近，這一現(xiàn)象稱為滯速現(xiàn)象[5]。通過兩種環(huán)境柴油機(jī)起動試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高原起動過程易出現(xiàn)滯速現(xiàn)象。從圖3轉(zhuǎn)速與缸壓曲線可見，在柴油機(jī)起動過程的滯速期間出現(xiàn)了無燃燒壓力上升的循環(huán)，其延長了柴油機(jī)的起動時間。

圖3 高原環(huán)境起動過程滯速時轉(zhuǎn)速與缸壓曲線

在高原環(huán)境條件下柴油機(jī)起動過程之所以出現(xiàn)滯速現(xiàn)象，是因?yàn)楦咴h(huán)境柴油機(jī)起動過程以時間計的滯燃期一直處于一個較高水平。在加速階段，通過φ=6nτ可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速加速上升，并且上升幅度高于以時間計的滯燃期的下降幅度時，以角度計的滯燃期將增大，導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)著火延后。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境起動過程出現(xiàn)大量雙峰燃燒，著火時刻發(fā)生在上止點(diǎn)之后[6]。此時，活塞開始遠(yuǎn)離上止點(diǎn)位置，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度下降，混合氣錯失在本循環(huán)的燃燒時機(jī)，從而導(dǎo)致無燃燒壓力循環(huán)的出現(xiàn)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速停止持續(xù)上升，滯速現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2 失火產(chǎn)生及特點(diǎn)

通過高原環(huán)境多次起動試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境柴油機(jī)起動出現(xiàn)滯速現(xiàn)象較為普遍，滯速現(xiàn)象輕則會增長柴油機(jī)起動時間，重則導(dǎo)致柴油機(jī)起動過程失敗。圖4為起動失敗過程的轉(zhuǎn)速與缸壓曲線，從圖4中可見，瞬時轉(zhuǎn)速從290 r/min急劇升高到500 r/min。瞬時轉(zhuǎn)速的急劇升高嚴(yán)重減少了循環(huán)內(nèi)混合氣形成時間，加之起動工況缸內(nèi)壓縮溫度以及壁面溫度低。同時高原環(huán)境又會造成缸內(nèi)壓縮壓力嚴(yán)重偏低，使得缸內(nèi)混合氣形成質(zhì)量嚴(yán)重變差，從而導(dǎo)致連續(xù)若干循環(huán)失火，進(jìn)而起動失敗。

圖4 高原環(huán)境起動失敗時轉(zhuǎn)速與缸壓曲線

3 高原環(huán)境起動工況缸內(nèi)噴霧分析

通過圖2—4的分析發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境起動過程易出現(xiàn)滯速現(xiàn)象甚至失火，同時高原環(huán)境起動過程滯燃期水平明顯高于平原環(huán)境。高原環(huán)境起動工況的壓縮壓力及溫度偏低，其中缸內(nèi)燃油的噴霧狀況對著火燃燒特性產(chǎn)生重大影響。

針對所研究柴油機(jī)進(jìn)行噴霧仿真計算，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。由于高原環(huán)境坦克柴油機(jī)起動過程噴霧有如下特點(diǎn)：燃油噴射壓力低、柴油黏度大、缸內(nèi)壓力低，因此建模時選用的模型見表3。同時考慮六孔噴油器的對稱式結(jié)構(gòu)，為提高計算效率，在計算過程中只計算1/6圓周的區(qū)域。

表3 噴霧計算采用的子模型

在定容噴霧模擬計算中，高原環(huán)境柴油機(jī)起動過程缸內(nèi)壓縮壓力介于1.35~1.65 MPa之間，平原環(huán)境在2.25~2.70 MPa之間，因此在計算過程中取高原1.5 MPa和平原2.5 MPa作為背壓，兩種環(huán)境下的氣體溫度均取壓縮溫度600 K，噴油規(guī)律如圖5所示。同時缸內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)在計算初始時刻的分布假定均勻。在計算中，固體邊界為氣缸蓋底面、氣缸壁面以及活塞頂面。邊界壁面速度條件為無滑移，壁面溫度取600 K。

圖5 噴油規(guī)律曲線

從圖6貫穿距以及圖7混合氣濃度計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境低背壓條件下的噴霧貫穿距更大，且油束重心更加靠近燃燒室壁面。過大的貫穿距使得油束更早接觸低溫壁面而不易蒸發(fā)，部分燃油附著壁面，導(dǎo)致燃油與空氣的混合質(zhì)量變差，使得著火準(zhǔn)備時間增長，而起動過程轉(zhuǎn)速升高又使得混合氣形成時間縮短。這將導(dǎo)致著火角度嚴(yán)重滯后，重則錯失本循環(huán)著火時機(jī)導(dǎo)致失燃，進(jìn)而致使高原環(huán)境起動性能劣化。

圖6 高原與平原環(huán)境噴霧貫穿距對比曲線

圖7 不同背景壓力下氣缸內(nèi)當(dāng)量比分布

4 結(jié)論

1）高原環(huán)境下柴油機(jī)起動過程易出現(xiàn)滯速甚至失火等現(xiàn)象。

2）高原環(huán)境下柴油機(jī)起動過程中燃燒滯燃期更長，且不穩(wěn)定性更大，波動幅度比平原環(huán)境高出0.9 ms以內(nèi)。

3）高原環(huán)境下柴油機(jī)起動過程噴霧貫穿距更大，油束重心更靠近燃燒室壁，混合氣質(zhì)量變差。

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Effects of Altitude Environment on High-power Diesel Engine Starting Process

WANG Xian-cheng1, MA Ning1, WANG Xue1, SUN Zhi-xin1, LIU Da-ke2

(1.Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2.Academy of Armored Force, Bengbu 233050, China)

To study influence rules of altitude environment on starting process of high-power diesel engine.The starting process of a 12-cylinder diesel engine was tested respectively in plateau and plain to analyze the rotational speed and cylinder pressure of diesel engine in different environment. The laws on change of ignition delay period in different environment were compared and simulating calculation on spray characteristics in different environment were carried out.The diesel engine was prone to suffer from phenomenon such as stagnation or even misfire in altitude environment. The combustion delay period declined rapidly in accelerating stage, and declined gently in transition stage. The combustion delay period on altitude environment was longer and the volatility was bigger up to 0.9 ms than plain environment. The spray penetration on altitude environment formed faster, and the main part of spray was closer to the wall of combustion chamber.The altitude environment makes the spray penetration in starting the engine longer. The wall impingement of spray reduces the quality of the formation of mixed gas and makes the combustion delay period longer, causing the phenomenon of stagnation and even misfire in the diesel engine starting process of the altitude environment.

altitude environment; diesel engine; starting process; combustion delay period; spray characteristic

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.002

TJ07；TK411.26

A

1672-9242(2017)10-0008-04

2017-05-30；

2017-06-13

“973”計劃項(xiàng)目（201797301）

王憲成（1964—），男，北京人，教授，主要研究方向?yàn)閯恿ο到y(tǒng)論證與運(yùn)用。