發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響因素試驗(yàn)及分析

王 龍, 王憲成*, 張永峰

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072；2. 陸軍裝甲兵學(xué)院蚌埠校區(qū)，蚌埠 233000)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛的核心，其起動(dòng)過(guò)程是衡量車輛動(dòng)力性能的重要指標(biāo)之一[1]。隨著使用摩托小時(shí)的增加，特別是長(zhǎng)期在高原等惡劣的工作條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)零部件的技術(shù)狀況逐漸劣化，從而起動(dòng)性能降低[2-4]，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性大幅下降，甚至出現(xiàn)起動(dòng)失敗無(wú)法使用。

許多學(xué)者都對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響進(jìn)行了研究。Liu等[5]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和暖機(jī)條件的缸內(nèi)燃燒差異在新歐洲行駛工況(new european driving cycle，NUDC)早期階段非常明顯，冷起動(dòng)時(shí)的進(jìn)氣壓力更高，缸內(nèi)廢氣占循環(huán)氣體總和的比例降低，燃燒溫度降低，燃燒階段推遲并延長(zhǎng)。Zare等[6]研究了含氧生物燃料在起動(dòng)過(guò)程中的廢氣排放，與柴油相比，冷起動(dòng)時(shí)的NOx排放高達(dá)125%，而熱起動(dòng)時(shí)僅為13.9%，除冷起動(dòng)的某些工作模式下，顆粒排放物均有所降低。紀(jì)常偉等[7]研究了某型氫內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著過(guò)量空氣系數(shù)減小，冷起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速峰值升高，起動(dòng)時(shí)間減少。劉來(lái)等[8]研究了液助燃對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能的影響，在進(jìn)氣道預(yù)噴助燃燃料可減小低溫起動(dòng)過(guò)程的粗暴性，縮短起動(dòng)時(shí)間。馬寧等[9]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比平原環(huán)境下的柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)高原環(huán)境下起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)增大，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒滯后。

現(xiàn)通過(guò)對(duì)6臺(tái)不同工作條件下的某型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試，提取發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速特征，分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響因素。

1 試驗(yàn)方案

對(duì)不同工作環(huán)境、不同摩托小時(shí)的相同型號(hào)的6臺(tái)某型車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。試驗(yàn)條件如表1所示。

表1中，平原海拔高度為42 m，測(cè)得大氣壓力為103 kPa，溫度8 ℃；高原海拔3 650 m，測(cè)得大氣壓力為67 kPa，溫度20 ℃。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions

表2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of diesel engine

試驗(yàn)過(guò)程中，油門位置固定在20%，水溫、油溫控制在30 ℃左右，測(cè)量對(duì)象為某一氣缸的起動(dòng)性能參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為80 kHz；缸壓的測(cè)量采用H82294-Q光纖壓力傳感器，精度為0.5%FS(full scale)，安裝在空氣氣動(dòng)閥位置；曲軸轉(zhuǎn)角的測(cè)量采用JX71Z-N16磁阻轉(zhuǎn)速傳感器，安裝在曲軸齒圈處；上止點(diǎn)的標(biāo)定采用DEFURO霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，磁片安裝在曲軸上，傳感器安裝在距離磁片約 3 mm處。具體安裝位置如圖1所示。

圖1 傳感器安裝位置Fig.1 Sensor installation places

2 轉(zhuǎn)速特征參數(shù)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程指起動(dòng)電機(jī)接通至加速到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程，可分為倒拖階段、加速階段(含滯速階段)、過(guò)渡階段和穩(wěn)定階段[10]，具體劃分如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程階段劃分Fig.2 Stage division of engine starting process

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能主要體現(xiàn)在加速階段，因此主要對(duì)該階段進(jìn)行分析，并提出以下轉(zhuǎn)速特征參數(shù)：

最低著火轉(zhuǎn)速，指發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)時(shí)首次著火缸上止點(diǎn)前、后30°CA間的最小轉(zhuǎn)速，表征起動(dòng)過(guò)程中加速階段的起點(diǎn)。此時(shí)起動(dòng)電機(jī)脫離曲軸，氣缸開始燃燒做功，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升。

單缸升速度，指各缸上止點(diǎn)前、后30°CA的轉(zhuǎn)速差，表征起動(dòng)過(guò)程中的加速性能。循環(huán)中氣缸壓縮時(shí)負(fù)扭矩越小，膨脹時(shí)正扭矩越大，則加減速越快，綜合效果即單缸升速度，其值越大，加速性能越好。

3 影響分析

3.1 起動(dòng)環(huán)境的影響

選擇摩托小時(shí)相近、起動(dòng)環(huán)境不同的1號(hào)與4號(hào)、2號(hào)與5號(hào)兩組車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，分別分析起動(dòng)過(guò)程的缸壓和轉(zhuǎn)速，并在滯速處標(biāo)記，結(jié)果如圖3所示。

圖3 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程Fig.3 The starting process vehicle engine

由圖3可知，相比高原環(huán)境下的起動(dòng)過(guò)程，平原環(huán)境下的起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)電機(jī)脫離時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)速較小，加速階段較短，缸壓峰值較大，滯速期較短。

在第1組中，1號(hào)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)最低著火轉(zhuǎn)速為116 r/min，平均單缸升速度為24 r/min；4號(hào)車輛最低著火轉(zhuǎn)速為72 r/min，平均單缸升速度為 44 r/min。在第2組中，2號(hào)車輛最低著火轉(zhuǎn)速為127 r/min，平均單缸升速度為30 r/min；5號(hào)車輛最低著火轉(zhuǎn)速為87 r/min，平均單缸升速度為 45 r/min。

高原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)最低著火轉(zhuǎn)速比平原環(huán)境高，這是因?yàn)榇髿鈮毫﹄S著海拔的升高而降低，空氣密度逐漸減小，氣缸在進(jìn)氣過(guò)程中的過(guò)量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致壓縮過(guò)程缸內(nèi)的壓力和溫度峰值降低，因此需要提高轉(zhuǎn)速達(dá)到著火條件。

高原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)平均單缸升速度比平原環(huán)境低，這是因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)減少，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣體的燃燒條件變差，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒始點(diǎn)和重心后移，燃燒速率降低，缸內(nèi)燃燒壓力降低，傳遞到曲軸上的扭矩減小，因此單缸升速度減小。

3.2 摩托小時(shí)的影響

選擇相同起動(dòng)環(huán)境、不同摩托小時(shí)的3～6號(hào)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，分別分析起動(dòng)過(guò)程的缸壓和轉(zhuǎn)速；根據(jù)氣缸著火順序和間隔，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸升速度。結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，3～6號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的最低著火轉(zhuǎn)速分別為63、72、87、103 r/min，隨著摩托小時(shí)的增加而升高。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況隨著摩托小時(shí)的升高而逐漸下降，主要體現(xiàn)在氣缸磨損導(dǎo)致氣密性變差，噴油器噴孔積碳和針閥開啟壓力減小等。氣缸氣密性變差后漏氣量增加，工質(zhì)質(zhì)量損失增加，壓縮行程中的壓力和溫度降低；噴油器噴孔積碳和噴油壓力減小，導(dǎo)致噴油量減少和霧化質(zhì)量變差。以上情況破壞了缸內(nèi)燃燒發(fā)生的準(zhǔn)備條件，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)著火困難，因此需要提高最低著火轉(zhuǎn)速。

3.3 噴油器技術(shù)狀況的影響

由于6號(hào)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托小時(shí)最長(zhǎng)，因此選擇該發(fā)動(dòng)機(jī)作為噴油器技術(shù)狀況的研究對(duì)象。取下該車發(fā)動(dòng)機(jī)的12個(gè)氣缸內(nèi)噴油器，觀察到其噴孔處存在積碳，其中2個(gè)氣缸內(nèi)的噴油器噴嘴表面如圖5所示。

對(duì)拆卸的噴油器進(jìn)行針閥開啟壓力檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，噴油器的針閥開啟壓力普遍降低，平均值為16.18 MPa，最小值為14 MPa，比新噴油器(21 MPa)降低7 MPa。

更換該發(fā)動(dòng)機(jī)12個(gè)氣缸的噴油器后，再次測(cè)量起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速，如圖6所示。

表3 各缸噴油器針閥開啟壓力Table 3 Needle valve opening pressure of each cylinder injector

圖4 車輛起動(dòng)過(guò)程Fig.4 The starting process of vehicle

圖5 6號(hào)車輛噴油器噴嘴形貌Fig.5 Nozzle appearance of No. 6 vehicle fuel injector

圖6 6號(hào)車輛更換噴油器后的起動(dòng)過(guò)程Fig.6 The starting process of No. 6 vehicle after replacing the fuel injector

對(duì)比圖4(d)、圖6可知，更換噴油器前，發(fā)動(dòng)機(jī)最低著火轉(zhuǎn)速為103 r/min；更換噴油器后為 89 r/min，比更換前降低了14 r/min。這是因?yàn)閲娪推骷夹g(shù)狀況劣化，針閥開啟壓力減小導(dǎo)致噴油壓力、速度以及流量的減小，噴孔積碳導(dǎo)致霧化質(zhì)量變差，燃油與缸內(nèi)空氣混合速度減慢，影響燃燒放熱效果。轉(zhuǎn)速升高后，缸內(nèi)混合氣體形成的速度加快，燃燒效果得到改善，因此更換噴油器前需要更高的最低著火轉(zhuǎn)速。

根據(jù)氣缸工作順序和間隔，計(jì)算出各缸著火的單缸升速度，如圖7所示。

圖7 更換噴油器前、后的各缸著火單缸升速度Fig.7 Lifting speed of each cylinder on ignition before and after replacing the injector

噴油器更換后，單缸升速度的平均值明顯提高。這是因?yàn)樾聡娪推魇拱l(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧和燃燒質(zhì)量提高，做功能力增強(qiáng)，曲軸扭矩增大，加速能力增強(qiáng)。

圖8為該發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器更換前后，分別在轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)測(cè)得的燃燒放熱率。

由圖8可知，噴油器更換后，燃燒效果整體變好；燃燒放熱率峰值達(dá)到290 J/℃A，比噴油器更換前的97 J/℃A提高了198.97%。這是因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)摩托小時(shí)增加，噴油器技術(shù)狀況劣化導(dǎo)致供油量減少，噴霧質(zhì)量變差，與空氣形成混合氣的速度降低，滯燃期延長(zhǎng)，因此燃燒速率降低。

圖8 更換噴油器前、后的燃燒放熱率Fig.8 Combustion heat release rate before and after replacing the injector

4 結(jié)論

主要通過(guò)試驗(yàn)的方法，對(duì)6臺(tái)不同環(huán)境和技術(shù)狀況下的某型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)量，主要結(jié)論如下。

(1)相比平原和高原起動(dòng)環(huán)境，高原起動(dòng)環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中最低著火轉(zhuǎn)速較高，缸壓峰值較小，加速階段的平均單缸升速度較低。

(2)平原環(huán)境下，隨著摩托小時(shí)的增加，起動(dòng)過(guò)程中的最低著火轉(zhuǎn)速較高。

(3)噴油器技術(shù)狀況劣化后，噴孔出現(xiàn)積碳，針閥開啟壓力降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的最低著火轉(zhuǎn)速較高；更換噴油器后，單缸升速度平均值提高，燃燒效果變好，燃燒放熱率峰值提高。