高原環(huán)境條件下的柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)研究

馬寧， 李若亭， 趙文柱， 楊紹卿， 徐冬冬， 孫志新

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系， 北京 100072)

高原環(huán)境條件下的柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)研究

馬寧， 李若亭， 趙文柱， 楊紹卿， 徐冬冬， 孫志新

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系， 北京 100072)

柴油機(jī)起動(dòng)性能是柴油機(jī)的重要性能指標(biāo)，高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。為了研究高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程影響規(guī)律，針對(duì)某型12缸柴油機(jī)分別在高原和平原地區(qū)進(jìn)行實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)起動(dòng)過(guò)程的氣缸壓力、上止點(diǎn)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，高原環(huán)境下柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)更大，雙峰燃燒比例更多。對(duì)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行逐循環(huán)燃燒分析，發(fā)現(xiàn)在高原環(huán)境以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期更大，燃燒更加滯后；與此同時(shí)，在同等的轉(zhuǎn)速水平下，在高原環(huán)境以時(shí)間計(jì)的滯燃期更長(zhǎng)。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 柴油機(jī)； 起動(dòng)過(guò)程； 高原環(huán)境； 滯燃期

0 引言

高原環(huán)境的大氣溫度和環(huán)境壓力偏低，使得柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度大、噪聲大甚至失火等問(wèn)題。相比于汽油具有揮發(fā)性好，且采用電火花點(diǎn)火的特點(diǎn)，柴油的揮發(fā)性差，且燃燒是靠自行著火[1]。當(dāng)柴油機(jī)在高原環(huán)境下進(jìn)行起動(dòng)，氣缸內(nèi)壓力、溫度及混合氣形成條件均較差，從而導(dǎo)致混合氣滯燃期遠(yuǎn)大于平原工況，柴油機(jī)出現(xiàn)著火不穩(wěn)定甚至失火等現(xiàn)象。針對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，敖良忠等[2]通過(guò)CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合高原地區(qū)氣壓低、含氧量少的特點(diǎn)，分析出燃油霧化質(zhì)量差、剩余功率不足以及富油燃燒是造成起動(dòng)困難的重要原因；游維華[3]利用試驗(yàn)手段研究了滯燃期對(duì)直噴式柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響；蘇巖等[4]利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和示功圖對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行燃燒分析，以此來(lái)判斷著火首循環(huán)和失火循環(huán)；Haba等[5]研究了一臺(tái)V型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)在極低溫度下的冷起動(dòng)狀況；趙楠等[6]、彭海勇等[7]則通過(guò)仿真建模的方法分別針對(duì)冷機(jī)起動(dòng)和倒拖起動(dòng)做了計(jì)算研究。與此同時(shí)，一些科學(xué)工作者也提出了各種改善起動(dòng)性能的措施[8-10]：冀樹(shù)德等[8]利用進(jìn)氣加熱和潤(rùn)滑油加熱的方法對(duì)柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能做了改善；Parsinejad等[9]通過(guò)增大柴油機(jī)壓縮比來(lái)改善起動(dòng)性能；張京永等[10]通過(guò)優(yōu)化噴油參數(shù)來(lái)改善起動(dòng)性能。本文為了研究高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響規(guī)律，針對(duì)某型12缸柴油機(jī)分別在高原和平原環(huán)境進(jìn)行實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)，在梳理兩種環(huán)境起動(dòng)性能差異過(guò)程中，從滯燃期的角度進(jìn)行對(duì)比分析。

1 高原環(huán)境下柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)

在海拔3 700 m高原環(huán)境針對(duì)12缸柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)。為了對(duì)比高原環(huán)境與平原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程的差異，同時(shí)也在平原環(huán)境對(duì)同型號(hào)柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)，在兩次試驗(yàn)中，所用車(chē)輛的摩托小時(shí)數(shù)相當(dāng)，加熱后的水溫、油溫以及環(huán)境溫度相當(dāng)，具體參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)

1.1 氣缸壓力的測(cè)量

氣缸壓力測(cè)量采用光纖壓力傳感器。光纖壓力傳感器將壓力感受器和變送器分離，壓力感受器能承受的溫度范圍在-40～380 ℃之間，因此測(cè)量時(shí)無(wú)需加入冷卻裝置。實(shí)車(chē)安裝時(shí)卸下柴油機(jī)氣缸空氣起動(dòng)閥，將壓力感受器安裝在原起動(dòng)閥位置。氣缸壓力傳感器及實(shí)車(chē)安裝位置如圖1、圖2所示。

圖1 氣缸壓力傳感器Fig.1 Pressure sensor of cylinder

圖2 實(shí)車(chē)安裝位置Fig.2 Installation position

1.2 上止點(diǎn)測(cè)量

上止點(diǎn)測(cè)量采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量。安裝此傳感器需要專用卡具，傳感器及卡具如圖3所示。安裝時(shí)將專用卡具固定在柴油機(jī)前端中央的兩個(gè)螺栓上，在曲軸輸出端飛輪上找到被測(cè)氣缸的機(jī)械上止點(diǎn)標(biāo)識(shí)，并貼上方形磁片，如圖4所示。

圖3 上止點(diǎn)傳感器Fig.3 Top dead center sensor

圖4 實(shí)車(chē)安裝位置Fig.4 Installation position

1.3 曲軸轉(zhuǎn)角測(cè)量

曲軸轉(zhuǎn)角測(cè)量采用磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量曲軸轉(zhuǎn)角。起動(dòng)齒圈上有105個(gè)齒，與曲軸的傳動(dòng)比為0.7∶1，即曲軸每轉(zhuǎn)一圈，傳感器可接收150個(gè)脈沖信號(hào)。安裝時(shí)利用專用卡具將傳感器固定在起動(dòng)齒圈處，傳感器及其實(shí)車(chē)安裝位置如圖5和圖6所示。

2 柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程分析

2.1 起動(dòng)過(guò)程階段劃分

柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程是指柴油機(jī)由穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程。柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間是指從起動(dòng)電機(jī)接通時(shí)刻加速到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)刻所需要的時(shí)間。通過(guò)分析柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以及缸內(nèi)壓力曲線，可以將柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程分為倒拖階段、加速階段、過(guò)渡階段以及穩(wěn)定階段，如圖7所示。

圖7中，倒拖階段是指柴油機(jī)在外力驅(qū)動(dòng)下從開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)速開(kāi)始自行上升時(shí)為止；加速階段是指從轉(zhuǎn)速開(kāi)始自行上升到轉(zhuǎn)速升至最大值為止；過(guò)渡階段是指從轉(zhuǎn)速最大值過(guò)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。

加速階段是起動(dòng)過(guò)程中最為關(guān)鍵的階段，在這一階段，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，導(dǎo)致以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期偏長(zhǎng)，尤其是在高原環(huán)境，空氣稀薄導(dǎo)致缸內(nèi)空氣密度低，燃油噴霧質(zhì)量劣化，使得高原環(huán)境下起動(dòng)過(guò)程加速階段以角度計(jì)的滯燃期更長(zhǎng)，著火推遲到上止點(diǎn)之后，后燃嚴(yán)重，燃燒質(zhì)量劣化，導(dǎo)致起動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，如果是在冬季則易引起起動(dòng)失敗。

2.2 起動(dòng)過(guò)程燃燒形態(tài)分析

從起動(dòng)過(guò)程連續(xù)示功圖和放熱規(guī)律變化可以分析起動(dòng)過(guò)程中非穩(wěn)態(tài)燃燒的內(nèi)部特征。通過(guò)對(duì)起動(dòng)過(guò)程連續(xù)示功圖進(jìn)行歸納，將實(shí)車(chē)起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)的典型示功圖曲線分為3種形式，如圖8～圖10所示。

圖8 雙峰型燃燒Fig.8 Bimodal combustion

圖9 V型燃燒Fig.9 “V” combustion

圖10 Y型燃燒Fig.10 “Y” combustion

圖10的Y型燃燒，其形狀相似于正常的燃燒示功圖，缸內(nèi)爆發(fā)壓力高，以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期較短，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)火核，著火發(fā)生之后火焰快速覆蓋全部燃燒室[1]，做功能力良好；圖9的V型燃燒，其形狀相似于純壓縮循環(huán)示功圖，缸內(nèi)爆發(fā)壓力沒(méi)有明顯的升高，燃燒室內(nèi)火焰形狀呈現(xiàn)纖維狀[1]，做功能力非常弱；圖8的雙峰型燃燒，在其示功圖的壓力變化過(guò)程中出現(xiàn)兩次峰值，以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期偏大，著火時(shí)刻推遲到上止點(diǎn)之后，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力低于Y型燃燒，做功能力偏弱。雙峰型燃燒是Y型燃燒與V型燃燒之間的過(guò)渡形態(tài)，當(dāng)滯燃期縮短，著火時(shí)刻提前，則雙峰型燃燒轉(zhuǎn)化成Y型燃燒，當(dāng)滯燃期變長(zhǎng)，著火時(shí)刻推遲，則雙峰型燃燒惡化成V型燃燒。

3 高原與平原實(shí)車(chē)起動(dòng)過(guò)程差異及分析

3.1 高原與平原實(shí)車(chē)起動(dòng)過(guò)程特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)比高原與平原起動(dòng)過(guò)程的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)壓力曲線，如圖11、圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)如下差異：從起動(dòng)時(shí)間來(lái)看，平原實(shí)車(chē)起動(dòng)時(shí)間為6.5 s，高原為7.3 s；平原實(shí)車(chē)起動(dòng)過(guò)程，轉(zhuǎn)速在45 r/min內(nèi)波動(dòng)，而高原轉(zhuǎn)速在110 r/min內(nèi)波動(dòng)；平原實(shí)車(chē)起動(dòng)過(guò)程，加速階段的最小缸內(nèi)爆發(fā)壓力高于6 MPa，而高原加速階段最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力還不到5 MPa.

圖11 平原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速與缸內(nèi)壓力曲線Fig.11 Rotational speed and cylinder pressure of diesel engine starting process in plain environment

圖12 高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速與缸內(nèi)壓力曲線Fig.12 Rotational speed and cylinder pressure of diesel engine starting process in altitude environment

通過(guò)起動(dòng)過(guò)程連續(xù)示功圖和放熱規(guī)律變化可分析起動(dòng)過(guò)程中非穩(wěn)態(tài)燃燒的內(nèi)部特征。起動(dòng)過(guò)程加速階段各示功圖所占比率見(jiàn)表2. 在燃燒形態(tài)上，高原Y型燃燒形態(tài)比例更低，而雙峰燃燒形態(tài)比例更高；在放熱規(guī)律上，高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程著火時(shí)刻要比平原更加靠后，滯燃期也比平原更長(zhǎng)。

表2 高原與平原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程燃燒形態(tài)對(duì)比

3.2 高原與平原之間起動(dòng)過(guò)程差異性分析

高原起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，出現(xiàn)更大比例雙峰及V型燃燒，且缸內(nèi)爆發(fā)壓力低于平原。雙峰及V型燃燒放熱率低于Y型燃燒，相同轉(zhuǎn)速水平下，雙峰及V型燃燒的做功能力低于Y型燃燒，因此加速到相同轉(zhuǎn)速水平，高原環(huán)境需要時(shí)間更長(zhǎng)。而以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)滯燃期和著火時(shí)刻決定著缸內(nèi)不同的燃燒形態(tài)，當(dāng)以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)滯燃期變大，著火時(shí)刻推遲到上止點(diǎn)之后，對(duì)應(yīng)缸內(nèi)著火循環(huán)越容易出現(xiàn)雙峰及V型燃燒。

通過(guò)以角度計(jì)滯燃期與以時(shí)間計(jì)滯燃期的關(guān)系式：

Φi=6nτi，

(1)

式中：Φi為以角度計(jì)滯燃期；τi為以時(shí)間計(jì)滯燃期；n為轉(zhuǎn)速?？芍郧S轉(zhuǎn)角計(jì)滯燃期取決于轉(zhuǎn)速和以時(shí)間計(jì)滯燃期。為了進(jìn)一步分析高原與平原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程之間的差別，現(xiàn)對(duì)兩種環(huán)境以時(shí)間計(jì)滯燃期進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。

圖13 不同環(huán)境以時(shí)間計(jì)滯燃期隨起動(dòng)時(shí)間的變化曲線Fig.13 Combustion delay period vs. time in altitudet and plain environments

從圖13的數(shù)據(jù)分析可知：1)無(wú)論高原環(huán)境還是平原環(huán)境，基于實(shí)車(chē)的柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程，隨著循環(huán)的進(jìn)行，以時(shí)間計(jì)的滯燃期均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中在起動(dòng)過(guò)程加速階段下降較快，在起動(dòng)過(guò)程過(guò)渡階段下降較慢，而在怠速階段則幾乎保持穩(wěn)定；2)在同一時(shí)刻，高原環(huán)境以時(shí)間計(jì)的滯燃期明顯高于平原環(huán)境，而下降速度缺要低于平原環(huán)境。下面再將兩種環(huán)境下滯燃期隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比。

從圖14中分析可知：1)相同轉(zhuǎn)速水平，高原環(huán)境以時(shí)間計(jì)的滯燃期大于平原環(huán)境，而高原環(huán)境滯燃期的下降趨勢(shì)卻慢于平原環(huán)境；2)隨轉(zhuǎn)速上升，缸內(nèi)壓力上升，漏氣量減少，噴油壓力增大，這些因素改善了燃油噴霧質(zhì)量，提高了混合氣形成質(zhì)量，使以時(shí)間計(jì)的滯燃期隨轉(zhuǎn)速上升而下降；3)高原環(huán)境缸內(nèi)壓力要遠(yuǎn)小于平原環(huán)境，這使得噴霧時(shí)作用在油束上的空氣阻力變小，燃油分散程度低，貫穿距變大，霧化質(zhì)量差，使燃油蒸發(fā)需要更多時(shí)間，導(dǎo)致高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程以時(shí)間計(jì)的滯燃期大于平原環(huán)境。

圖14 兩種環(huán)境以時(shí)間計(jì)的滯燃期隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.14 Combustion delay period vs. rotational speed in altitude and plain environments

3.3 高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程滯速現(xiàn)象分析

在起動(dòng)過(guò)程的加速階段，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速停止持續(xù)上升而滯留在某一轉(zhuǎn)速水平附近，這一現(xiàn)象稱為滯速現(xiàn)象。受高原實(shí)車(chē)條件所限只采集到左3缸缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，圖15中曲線記錄到滯速期間出現(xiàn)的無(wú)燃燒壓力上升循環(huán)。滯速現(xiàn)象的出現(xiàn)延長(zhǎng)了柴油機(jī)的起動(dòng)時(shí)間。

圖15 高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程的滯速現(xiàn)象Fig.15 Stagnation phenomenon of starting process in altitude environment

高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生滯速現(xiàn)象分析：相同轉(zhuǎn)速水平下，高原環(huán)境以時(shí)間計(jì)的滯燃期要大于平原環(huán)境，而滯燃期隨轉(zhuǎn)速的下降速度卻慢于平原環(huán)境，這使得高原環(huán)境下起動(dòng)過(guò)程的滯燃期一直處于一個(gè)較高水平，在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升的加速階段，由以角度計(jì)滯燃期與以時(shí)間計(jì)滯燃期的關(guān)系式Φi=6nτi可知，當(dāng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升的幅度大于以時(shí)間計(jì)滯燃期下降的幅度時(shí)，以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期將增大，使得著火時(shí)刻趨向推遲。高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)大量雙峰燃燒，著火時(shí)刻發(fā)生在上止點(diǎn)之后，如果以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期進(jìn)一步增大，活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)位置，缸內(nèi)溫度和壓力下降，可燃混合氣將失去在本循環(huán)燃燒的機(jī)會(huì)，出現(xiàn)無(wú)燃燒壓力上升循環(huán)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速停止上升，從而導(dǎo)致滯速現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

本文分別在高原和平原環(huán)境進(jìn)行了柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)，對(duì)比了兩種環(huán)境下起動(dòng)過(guò)程之間的差異，從滯燃期入手研究了高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程影響。

1)通過(guò)對(duì)比起動(dòng)過(guò)程瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和缸壓曲線，高原起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)為7.3 s，而平原為6.5 s；高原起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度更大，最大可達(dá)110 r/min，平原為45 r/min；高原起動(dòng)過(guò)程加速階段最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力不到5 MPa，而平原則超過(guò)6 MPa.

2)相同轉(zhuǎn)速水平，高原環(huán)境以時(shí)間計(jì)滯燃期明顯高于平原環(huán)境，同時(shí)高原環(huán)境滯燃期的下降速度明顯低于平原環(huán)境。

3)高原起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)滯速現(xiàn)象，相同轉(zhuǎn)速水平，高原環(huán)境以時(shí)間計(jì)滯燃期更大，而滯燃期隨轉(zhuǎn)速的下降速度卻慢于平原環(huán)境，這使得高原環(huán)境滯燃期一直處于較高水平，在加速階段，如果瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升的幅度大于以時(shí)間計(jì)滯燃期下降的幅度時(shí)，使得以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)滯燃期進(jìn)一步增大，錯(cuò)失本循環(huán)著火時(shí)機(jī)，出現(xiàn)無(wú)燃燒壓力上升循環(huán)，從而導(dǎo)致滯速現(xiàn)象的發(fā)生。

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An Investigation on Starting Process Experiment of Diesel Engine in Altitude Environment

MA Ning, LI Ruo-ting, ZHAO Wen-zhu, YANG Shao-qing, XU Dong-dong, SUN Zhi-xin

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

The starting performance of diesel engine is one of the main performance indexes. The altitude environment has an important influence on the starting process of diesel engine. A diesel engine with 12 cylinders was test to research the influence of altitude environment on diesel engine starting process in altitude environment and plain environment, and the cylinder pressure, top dead center, and instantaneous rotational speed were measured. The experimental results indicate that the starting time is longer, the fluctuation of rotational speed is greater, and the proportion of bimodal combustion is larger during starting in altitude environment. The combustion analysis of starting process indicates that the starting process in altitude environment has a longer combustion delay period calculated with crank degree, and the combustion in cylinder in altitude environment appears more delay than that in plain environment. The starting process in altitude environment has a longer combustion delay period calculated with time than that in plain environment at the same rotational speed.

ordnance science and technology; diesel engine; starting process; altitude environment; combustion delay period

2016-07-28

國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(201697301)

馬寧(1988—), 男, 博士研究生。E-mail:ningma2008@foxmail.com

孫志新(1976—)，男，講師。E-mail:sunzhi-li@163.com

TK421+.26

A

1000-1093(2017)02-0227-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.003