某型號柴油機低溫起動性能優(yōu)化

陳月春，李蘭菊，王霞，李素婷

1. 內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2. 濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機研究院，山東 濰坊 261061；3. 濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機可靠性高、經(jīng)濟性好,能適合各種作業(yè)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于各類動力裝置。低溫起動性能直接影響柴油機在低溫條件下的運行性能及壽命。我國地域遼闊，北方冬季氣溫較低，柴油機冷起動困難是制約其在低溫環(huán)境下應(yīng)用的重要因素。低溫環(huán)境下，由于柴油機進氣和機體溫度低，壓縮終點時的缸內(nèi)溫度偏低，缸內(nèi)燃燒惡化，導(dǎo)致柴油機低溫起動困難[1-2]。按照汽車起動性能試驗方法[3], 柴油機低溫起動試驗的環(huán)境溫度為 (-35±2) ℃，通常環(huán)境溫度低于-20 ℃時，柴油機就會出現(xiàn)起動困難現(xiàn)象，當(dāng)環(huán)境溫度低于-40 ℃，若不采用其他輔助手段，柴油機將無法順利起動[4-7]。研究柴油機低溫起動影響因素，提出柴油機起動性能改善措施，對提高柴油機低溫可靠性具有重要意義。

1 問題描述

某國六排放柴油機參數(shù)如表1所示。搭載該型號柴油機的試驗車在海拉爾極限低溫(環(huán)境溫度約為-30 ℃)靜置12 h后，起動試驗中出現(xiàn)了起動困難、轉(zhuǎn)速無法快速上升等現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為起動機長時間拖動后，柴油機無法自行順利著火，起動過程中排氣管持續(xù)冒白煙等現(xiàn)象。

表1 柴油機參數(shù)

柴油機技術(shù)要求：溫度高于-15 ℃時，起動時間不超過3 s；溫度等于或低于-25 ℃時，起動時間不超過30 s。試驗車的低溫起動試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，試驗車的起動時間不滿足技術(shù)要求，說明該柴油機存在低溫起動困難。

圖1 低溫起動試驗結(jié)果

2 原因分析

為了更進一步優(yōu)化柴油機低溫起動性能，對可能影響起動性能的因素進行分析。

通常柴油機起動必須具備的條件[7]：1)壓縮終了溫度必須足夠高，即柴油機自燃溫度要高于開始著火最低臨界溫度；2)必須形成易于著火的混合氣。

影響柴油機低溫起動的因素有：拖動轉(zhuǎn)速低、燃燒參數(shù)匹配不合理、壓縮比不合適、預(yù)熱時間不夠、進氣溫度低、漏氣量大等，其中柴油機進氣溫度直接決定缸內(nèi)燃燒狀況，是影響柴油機低溫起動的主要因素。低溫環(huán)境下，柴油機進氣溫度低，氣缸內(nèi)壓縮終點的溫度也隨之降低，氣缸壁傳熱增大，導(dǎo)致壓縮終點缸內(nèi)壓力下降[8]。提升柴油機低溫起動性能需要盡可能改善缸內(nèi)壓縮終點的溫度。將進入氣缸的空氣溫度視為柴油機壓縮始點的氣體溫度T1，則柴油機低溫起動時壓縮終點的氣體溫度[9]

T2=ε(k-1)(1-α)(1-β)k-1T1,

(1)

式中：ε為氣體壓縮比，ε=V1/V2，其中V1為氣缸總?cè)莘e，V2為燃燒室容積；k為絕熱指數(shù)，k=Cp/Cv，其中Cp為等壓比熱容，Cv為等容比熱容；α為壓縮沖程的熱量損失，0<α<1；β為壓縮過程中漏氣率。

由式(1)可知，進氣溫度高會提高柴油機壓縮終點的氣體溫度，有利于缸內(nèi)氣體蒸發(fā)和霧化，促進可燃混合氣的形成。

針對該型柴油機低溫起動困難問題，本文中主要從提升柴油機進氣溫度出發(fā)，分析影響進氣溫度的因素，提出提高壓縮比、采用分缸加熱及優(yōu)化氣門間隙3種改進措施，并進行低溫起動試驗，驗證改進效果。

3 改進措施及效果驗證

3.1 提高壓縮比

壓縮比表示缸內(nèi)氣體的壓縮程度，是影響柴油機低溫起動性能的重要參數(shù)，壓縮比直接影響柴油機循環(huán)有效壓力、殘余廢氣系數(shù)和充氣效率等。在環(huán)境溫度為-30 ℃、轉(zhuǎn)速為250 r/min時，柴油機純壓縮過程不同壓縮比下的缸內(nèi)最高壓縮溫度如圖2所示。由圖2可知：柴油機缸內(nèi)最高壓縮溫度隨著壓縮比增大逐步上升；壓縮過程的缸內(nèi)最高溫度與壓縮比呈線性關(guān)系；壓縮比由17提升到18.5，缸內(nèi)壓縮溫度升高14 ℃左右。

圖2 不同壓縮比下的缸內(nèi)最高壓縮溫度

環(huán)境溫度為-30 ℃時，不同壓縮比的柴油機低溫起動轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示。由圖3可知：與壓縮比為17時相比，壓縮比為18.5時發(fā)動機起動時間縮短7.2 s，起動效率提升32.7%。

圖3 不同壓縮比下起動轉(zhuǎn)速曲線

提高壓縮比有利于改善柴油機的低溫起動性能。隨著柴油機壓縮比增大，氣缸內(nèi)壓縮終點溫度增高，有助于提升缸內(nèi)燃燒質(zhì)量，使缸內(nèi)燃燒平穩(wěn)；高壓縮比時缸內(nèi)更容易形成著火氛圍，對柴油機低溫起動性能有較大影響，因此提高壓縮比對低溫起動具有良好的效果，可改善柴油機低溫起動性能。

3.2 分缸加熱

進氣溫度是影響柴油機低溫起動性能的關(guān)鍵因素之一[10-11]，不同進氣溫度下柴油機缸內(nèi)最高壓縮溫度如圖4所示。由圖4可知，缸內(nèi)最高溫度與進氣溫度基本呈線性關(guān)系，進氣溫度每增加10 ℃，缸內(nèi)最高溫度增加約10 ℃。因此，低溫環(huán)境下對進氣進行加熱，通過升高進氣溫度可以有效提高柴油機的缸內(nèi)工質(zhì)溫度，改善各缸燃燒狀況，提升柴油機的冷起動性能。

圖4 不同進氣溫度下缸內(nèi)最高壓縮溫度

原柴油機采用進氣加熱格柵結(jié)構(gòu)，為了提高進氣溫度，改善起動性能，本文中對柴油機進氣道結(jié)構(gòu)進行更改。柴油機原進氣管路結(jié)構(gòu)如圖5所示。原結(jié)構(gòu)的加熱格柵距離進氣孔道距離較遠，加熱后氣體與進氣道管壁之間存在散熱損失，且進氣加熱格柵僅能加熱穩(wěn)壓腔和進氣道的氣體，無法加熱中冷器與穩(wěn)壓腔入口之間的氣體，加熱氣體量有限。新結(jié)構(gòu)增大進氣穩(wěn)壓腔容積，取消進氣加熱格柵，在原結(jié)構(gòu)4個進氣孔道處增加分缸加熱器。改進的進氣管路新結(jié)構(gòu)如圖6所示。分缸加熱器安裝在進氣孔道處，減少了散熱損失，更利于提升缸內(nèi)壓縮溫度。增大進氣穩(wěn)壓腔容積后，第1、2缸渦流比均得到提升，其中1缸渦流比較原方案提升30%，2缸渦流比提升3%，1缸渦流比得到大幅提升，有助于改善1缸的燃燒，且各缸進氣流量系數(shù)均得到提升，有助于增加進氣量。

圖5 進氣管路原結(jié)構(gòu) 圖6 進氣管路新結(jié)構(gòu)

為了比較進氣加熱格柵與分缸加熱對起動性能的影響，本文中進行了冷倉起動效果對比試驗，試驗環(huán)境溫度均設(shè)置為-30 ℃，分缸加熱器與進氣加熱格柵總加熱功率和加熱時間相同，不同加熱方式的起動試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：采用分缸加熱時，柴油機轉(zhuǎn)速上升迅速；采用格柵加熱時，由于起動初始階段進氣溫度相對較低，缸內(nèi)著火氛圍不好，柴油機轉(zhuǎn)速上升緩慢。2種加熱方式的進氣溫度變化如圖8所示。由圖8可知，采用分缸加熱器起動的進氣溫度較高，且用時較短，效果明顯優(yōu)于采用進氣加熱格柵，在一定程度上改善了柴油機低溫起動性能。

圖7 不同加熱方式起動效果對比

圖8 不同加熱方式下進氣溫度

3.3 優(yōu)化氣門間隙

氣門間隙過大時，氣門升程不足，易導(dǎo)致進氣不充分、排氣不徹底；氣門間隙過小時，氣門關(guān)閉不嚴，易造成漏氣。為了保證起動時進氣充足，排氣干凈，應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化氣門間隙[12-14]。本文中選取2種氣門間隙方案開展對比試驗，方案1為原機氣門間隙，進氣門間隙為0.03 mm、排氣門間隙為0.04 mm；方案2為改進后的氣門間隙，進氣門間隙為0.07 mm、排氣門間隙為0.04 mm。試驗結(jié)果顯示，在純壓縮過程中，方案1、2的缸內(nèi)最高壓縮溫度分別為440 ℃、441.5 ℃，方案2的缸內(nèi)最高溫度較方案1升高約1.5 ℃?？梢娡ㄟ^優(yōu)化氣門間隙在一定程度上可以提升缸內(nèi)溫度，而缸內(nèi)溫度的提升對縮短滯燃期有積極作用。

在低溫環(huán)境倉開展了2種氣門間隙方案的低溫起動性能對比試驗，2種方案的起動試驗曲線如圖9所示。由圖9可知：2種方案的起動時間基本一致；方案2柴油機在起動初期缸內(nèi)著火速度比方案1更快；方案2的指示平均有效壓力從第15循環(huán)開始比方案1增大，但從第55循環(huán)后，方案1的指示平均有效壓力優(yōu)于方案2。

圖9 2種氣門間隙方案起動性能對比 圖10 2種氣門間隙方案燃燒持續(xù)期

燃燒持續(xù)期長意味著缸內(nèi)瞬時燃燒放熱速率降低，缸內(nèi)不完全燃燒過程減少，對提升起動性能有利。2種方案的燃燒持續(xù)期對比如圖10所示。由圖10可知：起動循環(huán)的第20～30循環(huán)，方案2的燃燒持續(xù)期較方案1長，增幅約為45%；但隨著循環(huán)數(shù)增加，方案2的燃燒持續(xù)期無明顯優(yōu)勢。因此通過優(yōu)化氣門間隙不能明顯提升柴油機起動過程的缸內(nèi)溫度和低溫起動性能。

4 結(jié)論

1)提高柴油機壓縮比，有助于提升氣缸內(nèi)壓縮終點溫度和燃燒質(zhì)量，改善低溫起動性能。

2)采用分缸加熱能進一步提升進氣溫度，起動用時較短，效果明顯優(yōu)于進氣格柵加熱，可一定程度改善起動性能。

3)優(yōu)化氣門間隙方案僅能輕微提高壓縮溫度，對燃燒的改進有限，不能改善柴油機低溫起動性能。