輔助加溫對柴油機變海拔起動性能的影響

胡志遠， 謝 毅， 闞澤超， 樓狄明

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

冷起動的難易是柴油機重要性能指標之一，柴油機冷起動時，壓縮終了溫度低、可燃混合氣的組成及品質(zhì)惡化、摩擦損耗大、蓄電池性能下降、柴油機起動阻力增大等因素導(dǎo)致其冷起動困難[1].我國高原面積占國土面積的37%，高海拔地區(qū)低氣壓、低溫雙重因素對柴油機起動性能造成了嚴重的影響[2].采用較低的壓縮比是限制柴油機最高爆壓的重要手段[3]，同時也是降低柴油機氮氧化物和顆粒物排放達到更高排放標準的最具前景的技術(shù)路線之一[4].但是，低壓縮比柴油機的壓縮終了溫度較低，導(dǎo)致柴油機高原起動性能更加惡化.因此，研究柴油機，尤其是低壓縮比柴油機，在高原條件下起動性能的改善措施具有重要意義.

采取措施改善柴油機起動性能是目前的研究熱點，國內(nèi)學(xué)者進行了大量的研究工作.主要包括優(yōu)化噴油參數(shù)[5-7]、調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉正時[8]、提高壓縮比[9]等柴油機設(shè)計參數(shù)的改進，以及進氣預(yù)熱[10]、燃燒室電熱塞[11]、冷卻液加熱[12-13]等起動輔助措施.例如，梁金廣等[14]以CA498Z型電控柴油機為對象，試驗研究了進氣預(yù)熱對電控柴油機起動轉(zhuǎn)速、起動時間、碳氫污染物排放的影響規(guī)律.杜巍等[15]試驗研究了進氣預(yù)熱對柴油機起動特性的影響.劉忠長等[16]在一臺直噴式柴油機上，利用缸壓和單循環(huán)采樣測試系統(tǒng)研究了冷卻液溫度對柴油機起動過程初期燃燒不穩(wěn)定性及排放的影響規(guī)律.Gazon M等[17]在一臺4缸16氣門直噴柴油發(fā)動機上，研究了冷卻液溫度對柴油機起動過程怠速階段放熱率和燃燒噪聲等特性的影響.然而，上述研究均針對柴油機平原低溫起動工況，關(guān)于加溫輔助措施對低壓縮比柴油機在不同海拔條件下起動過程的影響研究未見報道.

柴油機高原起動時，升速期增長，燃燒不穩(wěn)定，出現(xiàn)做功能力不同的燃燒形態(tài)，是導(dǎo)至升速轉(zhuǎn)速波動，起動變差的主要原因[18-19].本文以一臺低壓縮比6缸增壓直噴柴油機為研究對象，利用高原模擬試驗系統(tǒng)，試驗分析進氣加熱、冷卻液加溫輔助措施在不同海拔下對柴油機起動性能的影響規(guī)律，以及柴油機起動過程不同階段燃燒形態(tài)的變化規(guī)律，為低壓縮比柴油機高原起動性能的改善提供參考依據(jù).

1 試驗系統(tǒng)及方案

試驗發(fā)動機為一臺壓縮比14.25，缸徑150 mm，行程160 mm，增壓中冷、四沖程6缸柴油機.試驗裝置包括德國Imtech公司的發(fā)動機高原環(huán)境進排氣模擬試驗系統(tǒng),大氣壓力控制范圍57.57～101.3 kPa，可模擬0～4 500 m海拔條件.檢測設(shè)備包括DEWETRON燃燒分析儀，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，Kistler進氣壓力、排氣壓力傳感器，其中轉(zhuǎn)速、缸壓、進排氣壓力的采樣頻率為0.1 °CA.試驗系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 高原環(huán)境模擬試驗臺

依據(jù)GB/T 20969.1—2007，按照表1所示的環(huán)境條件模擬0、3 000、4 500 m海拔高度，在環(huán)境溫度20 ℃、相對濕度25%條件下進行冷態(tài)起動試驗，進氣加熱起動試驗，以及無進氣加熱條件下冷卻液分別加熱到30、40、50和60 ℃的不同冷卻液溫度起動試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 海拔高度對低壓縮比柴油機起動性能的影響

柴油機起動過程可以劃分為柴油機在外力拖動下開始轉(zhuǎn)動，至轉(zhuǎn)速開始持續(xù)上升前的初始期；發(fā)動

表1 試驗環(huán)境參數(shù)及進氣加熱溫度

機轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，直至上升到最高轉(zhuǎn)速的升速期；以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某個轉(zhuǎn)速持續(xù)運轉(zhuǎn)的怠速期3個階段.對該低壓縮比柴油機不同海拔起動的初始期、升速期及穩(wěn)定期進行統(tǒng)計.圖2為該低壓縮比柴油機平原(0 m)、高原(3 000、4 500 m)冷態(tài)起動時轉(zhuǎn)速曲線，以及起動過程中初始期、升速期、穩(wěn)定期的變化情況.

a 起動轉(zhuǎn)速-時間曲線

b 起動初始期、升速期及穩(wěn)定期

Fig.2Effectofattitudeonstart-upperformanceofdieselengine

由圖2a可見，該柴油機起動過程中，隨著海拔的升高，初始期基本沒有變化，升速期迅速延長.4 500 m起動時，直到起動后30 s，柴油機仍沒有進入怠速，起動失敗.由圖2b可見，與平原(0 m)比較，3 000、4 500 m高原起動該柴油機升速期分別增長6.7和11.8倍.因此，升速期迅速延長是導(dǎo)致該柴油機高原起動性能惡化的主要原因.樓狄明等[18]也得到類似的結(jié)論.柴油機高原起動時，升速期出現(xiàn)單母峰、雙峰、子孕峰和失燃4種做功能力不同的燃燒形態(tài)，使燃燒做功能力變化，進而導(dǎo)至升速轉(zhuǎn)速波動，起動時間增長[19-20].圖3為該柴油機平原(0 m)，高原(3 000、4 500 m)冷態(tài)起動時不同燃燒形態(tài)的出現(xiàn)規(guī)律.

圖3 海拔高度對柴油機起動燃燒形態(tài)的影響

Fig.3Effectofaltitudeoncombustionmorphologyofdieselengine

由圖3可見，平原起動時，共經(jīng)歷8個循環(huán)，單母峰、雙峰、子孕峰和失燃循環(huán)個數(shù)分別為7、0、0、1個；3 000m海拔起動時，循環(huán)個數(shù)增加到96個，單母峰、雙峰、子孕峰和失燃循環(huán)個數(shù)分別為15、16、34和31個；4 500 m海拔起動時，在起動未成功的情況下，循環(huán)個數(shù)已經(jīng)增加到160個，單母峰、雙峰、子孕峰和失燃循環(huán)個數(shù)分別為21、19、20和100個.因此，隨著海拔高度的增加，該柴油機起動過程中做功能力強的單母峰和雙峰比例減小，做功能力較差的子孕峰出現(xiàn)，做負功的失燃循環(huán)數(shù)量比例明顯增加.3 000、4 500 m起動，失燃循環(huán)占循環(huán)總數(shù)分別達到35.4%和62.3%.所以，低壓縮比柴油機高原起動時，燃燒滯燃期變長，燃燒重心后移[20]，導(dǎo)致升速期內(nèi)做功能力差的子孕峰和做負功的失燃循環(huán)數(shù)增加，起動性能惡化.因此，采取措施，改善低壓縮比柴油機起動過程的燃燒，是改善低壓縮比柴油起動性能的重要手段.

2.2 冷卻液加溫對低壓縮比柴油機起動性能的影響

冷卻液加溫是通過燃油燃燒器使燃料燃燒，將熱量通過熱交換傳遞給冷卻液來加熱整機及潤滑油的升溫起動輔助措施.發(fā)動機被加熱后，一方面，壓縮終了的溫度提高，有利于起動；另一方面，氣缸、活塞、活塞環(huán)等摩擦副之間的機油溫度提高，黏度降低，摩擦阻力減少，有利于減少起動時間[21].圖4為平原(0 m)、高原(3 000、4 500 m)不同冷卻液溫度條件下，試驗樣機起動過程中初始期、升速期、穩(wěn)定期的變化規(guī)律.

圖40、3000、4500m海拔冷卻液溫度對起動初始期、升速期、穩(wěn)定期的影響

Fig.4Effectofcoolanttemperatureatanaltitudeofoninitial,speed-up,andstableperiodduringenginestart-upprocess0,3000,and4500meters

由圖4可見，0、3 000和4 500 m海拔高度下，隨著冷卻液溫度的升高，該柴油機起動初始期、升速期和穩(wěn)定期均有所改善.平原條件(0 m)下，冷卻液溫20 ℃(冷態(tài))起動，其初始期、升速期和穩(wěn)定期時間分別為2.02、3.40和4.90 s；當冷卻液溫度升高到30 ℃時，起動初始期、升速期和穩(wěn)定期分別縮短到2.00、1.58和3.13 s，分別縮短1.21%、53.56%和36.15%，升速期縮短最為明顯；當冷卻液溫度升高到40 ℃時，起動初始期、升速期和穩(wěn)定期進一步縮短，但減少程度變??；當冷卻液溫度超過40 ℃后，冷卻液溫度進一步升高對柴油機起動性能沒有進一步的改善效果.海拔3 000 m條件下，當冷卻液溫度升高到30 ℃時，起動性能明顯改善，與冷態(tài)(20 ℃)比較，初始期、升速期和穩(wěn)定期分別降低25.38%、88.65%和1.23%；當冷卻液溫度升高到40 ℃時，升速期比冷態(tài)減少91.61%，穩(wěn)定期減少73.85%，起動時間進一步縮短；與平原(0 m)類似，冷卻液溫度超過40 ℃后，冷卻液溫度進一步升高對柴油機起動性能改善效果不大.海拔4 500 m，當冷卻液溫度升高到30 ℃時，柴油機從無法起動改善為可以起動，初始期降低46.22%，升速期降低72.29%；當冷卻液溫度進一步升高到40 ℃時，其起動時間大幅度減少，初始期、升速期分別降低45.95%和92.05%，起動性能與平原相當.綜上所述，冷卻液溫度升高可減少柴油機起動過程的初始期、升速期和穩(wěn)定期，對升速期的改善效果最好，且海拔升高，冷卻液溫度對升速期的影響變大.當冷卻液溫度超過40 ℃后，進一步升高冷卻液溫度對該柴油機的起動性能改善效果不明顯.

為進一步分析冷卻液升溫對起動性能的影響機理，圖5為平原(0 m)，高原(3 000、4 500 m)，不同冷卻液溫度條件下試驗樣機起動過程單母峰、雙峰、子孕峰、失燃4種燃燒形態(tài)隨冷卻液溫度升高的變化情況.

圖50、3000、4500m海拔冷卻液溫度對起動燃燒形態(tài)的影響

Fig.5Effectofcoolanttemperatureatanaltitudeof0,3000and4500metersoncombustionmorphologyduringenginestart-upprocess

由圖5可見，隨著冷卻液溫度的升高，所有海拔高度柴油機起動經(jīng)歷的循環(huán)個數(shù)變少，起動時間變短.高原(3 000、4 500 m)起動時，隨著冷卻液溫度的升高，起動過程中做功能力差的子孕峰和做負功的失燃循環(huán)個數(shù)減少.3 000 m海拔冷卻液溫度30 ℃時起動的子孕峰循環(huán)個數(shù)由冷態(tài)起動的31個減少到4個，失燃循環(huán)基本消失，循環(huán)總個數(shù)由96個減少到17個.4 500 m海拔，冷卻液溫度分別為20 ℃(冷態(tài))、30 ℃、40 ℃時，起動循環(huán)個數(shù)分別為161、44和14個，子孕峰循環(huán)個數(shù)分別為20、18、1個，失燃循環(huán)個數(shù)分別為100、29、1.因此，高原起動時，隨著冷卻液溫度的升高，壓縮終了溫度升高，有利于燃燒性能的改善，起動過程中做功能力差的子孕峰和做負功的失燃循環(huán)個數(shù)減少，做功能力恢復(fù)，起動性能改善.當冷卻液溫度達到某個溫度界限后，做功能力差的子孕峰和做負功的失燃循環(huán)出現(xiàn)機率也相應(yīng)降低到一個較低的水平，此時，再升高冷卻液溫度，雖然壓縮終了溫度進一步升高，但其對子孕峰和失燃循環(huán)的出現(xiàn)機率改善效果不再明顯，起動性能變化不大.

2.3 進氣加熱對低壓縮比柴油機起動性能的影響

進氣加熱可以提高進氣溫度，進氣溫度的提高可以顯著提高壓縮終了溫度，有利于燃燒室內(nèi)燃料的蒸發(fā)與霧化.另外，火焰進氣加熱可把部分燃燒活性成分引入到燃燒室中，在一定程度上增加了燃燒室的殘余廢氣量，有利于促進起動過程中燃燒化學(xué)反應(yīng)的進行，減少滯燃期，改善起動性能[22-23].圖6和圖7分別為平原(0 m)、高原(3 000、4 500 m)，進氣加熱對試驗樣機起動初始期、升速期及燃燒形態(tài)的影響.

圖60、3000、4500m海拔進氣加熱對起動初始期、升速期和穩(wěn)定期的影響

Fig.6Effectofintakeheatingatanaltitudeof0,3000,4500metersoninitial,speed-up,andstableperiodduringenginestart-upprocess

圖70、3000、4500m海拔進氣加熱對起動燃燒形態(tài)的影響

Fig.7Effectofintakeheatingatanaltitudeof0,3000and4500meteroncombustionmorphologyduringenginestart-upprocess

由圖6可見，進氣加熱可以減小柴油機起動過程中的初始期，并大幅度降低升速期時間.由圖7可見，3 000和4 500 m海拔條件下，進氣加熱可大幅度降低失燃循環(huán)的出現(xiàn)，改善起動性能.

3 結(jié)論

本文以一臺低壓縮比增壓直噴柴油機為試驗樣機，研究了冷卻液溫度、進氣加熱對不同海拔條件下柴油機起動性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 隨著海拔的升高，低壓縮比柴油機起動初始期基本沒有變化，升速期迅速延長.同時升速期出現(xiàn)做功能力差的子孕峰循環(huán)和做負功的失燃循環(huán)，降低了燃燒做功能力，起動時間增長.

(2) 冷卻液加溫起動可明顯減少柴油機起動升速期子孕峰和失燃循環(huán)個數(shù)，恢復(fù)做功能力，起動性能改善.當冷卻液溫度到達某個溫度界限后，進一步升高冷卻液溫度對子孕峰和失燃循環(huán)的出現(xiàn)機率降低效果不再明顯，起動性能變化不大.

(3) 進氣加熱可大幅度減少柴油機起動過程中失燃循環(huán)的出現(xiàn)，明顯降低升速期時間，改善起動性能.

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