基于冷卻液溫度的柴油機不同海拔燃燒過程參數研究

周　磊　劉瑞林　歐陽光耀　劉　楠　楊春浩（-海軍工程大學動力工程學院　湖北 武漢　400　-軍事交通學院軍用車輛系-軍事交通學院研究生管理大隊）

基于冷卻液溫度的柴油機不同海拔燃燒過程參數研究

周磊1，2劉瑞林2歐陽光耀1劉楠3楊春浩3
（1-海軍工程大學動力工程學院湖北 武漢4300332-軍事交通學院軍用車輛系3-軍事交通學院研究生管理大隊）

設計了重型電控共軌柴油機高海拔（低氣壓）模擬試驗系統，利用其開展了基于冷卻液溫度的柴油機不同海拔燃燒過程試驗研究，分析了在不同海拔下冷卻液溫度對柴油機燃燒過程參數的影響。結果表明：同一冷卻液溫度下，隨著海拔的升高，放熱率峰值、缸內最高燃燒壓力以及平均指示壓力均下降，而缸內最高燃燒溫度增加。海拔每升高1km，放熱率峰值、缸內最高燃燒壓力以及平均指示壓力分別平均下降了10.1%、3.76%以及3.42%，缸內最高燃燒溫度平均增加了4.31%。同一海拔下，隨著冷卻液溫度的升高，放熱率峰值下降，而缸內最高燃燒溫度、最高燃燒壓力以及平均指示壓力均增加。冷卻液溫度每升高10℃，放熱率峰值平均下降了5.62%，缸內最高燃燒溫度、最高燃燒壓力以及平均指示壓力分別平均增加了5.38%、1.01%以及1.28%。

冷卻液溫度 重型電控共軌柴油機 不同海拔 燃燒過程參數

引言

我國擁有世界上海拔最高的高原區域［1-2］，其中海拔2 km以上的高原占國土面積的33%，3 km以上的占16%［3-4］。柴油機在高原使用時，由于大氣壓力和空氣密度降低，進氣量減少［5］等原因導致柴油機空燃比變小，混合氣變濃，燃燒惡化［1，6-7］，后燃現象嚴重［8-9］，使柴油機的功率和扭矩下降［10-11］，燃油消耗率和熱負荷增加［12-13］，嚴重影響了柴油機在高原地區的正常使用。

目前國內外針對不同海拔下柴油機燃燒過程參數的研究對象基本上都是自然吸氣柴油機和渦輪增壓柴油機，研究工況單一［4］，且以往研究冷卻液溫度對柴油機性能的影響時，大多從傳熱角度考慮［14-16］，較少考慮對缸內燃燒過程的影響。因此，本文利用自行設計的重型電控共軌柴油機高海拔（低氣壓）模擬試驗系統，通過調節冷卻液恒溫裝置將柴油機冷卻液進口溫度分別控制在50℃、60℃、70℃、80℃及90℃5個溫度水平，進行柴油機不同海拔下（0 km、3 km以及5 km）基于冷卻液溫度的燃燒過程試驗，分析在不同海拔下冷卻液溫度對柴油機燃燒過程參數的影響，為下一步高海拔環境條件下重型電控共軌柴油機燃燒系統的研發提供參考依據。

1　試驗系統及方案

1.1試驗系統

試驗在自行設計的重型電控共軌柴油機高海拔（低氣壓）模擬試驗系統上進行，該系統主要由進排氣壓力模擬系統、燃燒分析儀、冷卻液恒溫裝置、空氣恒溫裝置、數據采集箱、測功機、換熱器以及溫度、流量、壓力傳感器等組成，其原理如圖1所示。該試驗系統通過進氣節流和排氣抽真空的方式能夠模擬海拔0 km到6 km的大氣壓力以及-41℃到常溫下的大氣溫度［7］，數據采集箱可實時采集測功機、油耗儀和各種傳感器的測量結果。通過選型、安裝、調試溫度控制系統和燃燒分析儀等，可以實現對冷卻液溫度、增壓后進氣溫度的控制以及燃燒數據的采集，滿足重型電控共軌柴油機的試驗需求。試驗用柴油機為WP13重型電控共軌柴油機，其主要技術參數如表1所示。

圖1　重型電控共軌柴油機高海拔（低氣壓）模擬試驗系統

表1　柴油機主要技術參數

1.2試驗方案

在不同海拔（大氣壓力）下，進行基于冷卻液溫度的柴油機燃燒過程試驗。試驗過程中，柴油機工況和噴油參數（循環噴油量、噴油提前角、共軌壓力等）均保持不變。通過調節冷卻液恒溫裝置將柴油機冷卻液進口溫度分別控制在50℃、60℃、70℃、80℃、90℃ 5種溫度水平，模擬海拔為0 m、3 000 m、5 000 m（各海拔對應的進排氣壓力見表2）。每測量一個工況點時，微調外部循環冷卻液，當進、出水溫差的波動范圍不超過0.1℃/min，開始測量所需燃燒過程參數。

圖2　不同海拔下放熱率峰值隨冷卻液溫度的變化情況

表2　不同海拔下進排氣壓力數值對應表

2　試驗結果及分析

2.1不同海拔下冷卻液溫度對放熱率峰值的影響

不同海拔下柴油機放熱率峰值隨冷卻液溫度的變化情況如圖2所示。

由圖可以看出，在同一冷卻液溫度下，放熱率峰值隨海拔的升高而下降，海拔每升高1 km，5個冷卻液溫度下放熱率峰值平均下降了10.1%。這是由于海拔的升高使得進氣充量減小、氧含量減小［17］，噴油脈寬縮短，形成的可燃混合氣數量減少，進而造成了放熱率峰值的下降。在同一海拔下，放熱率峰值隨冷卻液溫度的升高而下降，冷卻液溫度每升高10℃，3個海拔下放熱率峰值平均下降了5.62%。這是由于冷卻液溫度升高后，著火滯燃期縮短，燃燒起始點提前，燃燒持續時間減小，缸內形成的可燃混合氣的數量減少，從而造成了放熱率峰值的下降。

2.2不同海拔下冷卻液溫度對缸內最高燃燒溫度的影響

不同海拔下柴油機缸內最高燃燒溫度隨冷卻液溫度的變化情況如圖3所示。

圖3　不同海拔下缸內最高燃燒溫度隨冷卻液溫度的變化情況

由圖可以看出，在同一冷卻液溫度下，缸內最高燃燒溫度隨海拔的升高而增加，海拔每升高1 km，5個冷卻液溫度下缸內最高燃燒溫度平均增加了4.31%。這是由于隨海拔的升高，預混合燃燒量增大，速燃階段燃燒溫度增加［18］，高溫氣體進一步加快了擴散燃燒階段燃油蒸發和油氣混合速度，進而促進了缸內最高燃燒溫度的增加。在同一海拔下，缸內最高燃燒溫度隨冷卻液溫度的升高而增加，冷卻液溫度每升高10℃，3個海拔下缸內最高燃燒溫度平均增加了5.38%。這是由于冷卻液溫度的升高使得氣缸壁面與冷卻液之間的溫差減小，傳熱量減少，進而導致了缸內氣體內能增大，缸內最高燃燒溫度增加。

2.3不同海拔下冷卻液溫度對缸內燃燒壓力的影響

不同海拔下柴油機缸內最高燃燒壓力和平均指示壓力隨冷卻液溫度的變化情況如圖4和5所示。

圖4　不同海拔下缸內最高燃燒壓力隨冷卻液溫度的變化情況

圖5　不同海拔下平均指示壓力隨冷卻液溫度的變化情況

由圖可以看出，在同一冷卻液溫度下，缸內最高燃燒壓力和平均指示壓力隨著海拔的升高均下降，海拔每升高1 km，5個冷卻液溫度下缸內最高燃燒壓力和平均指示壓力平均下降了3.76%和3.42%。這是由于隨海拔的升高，環境壓力下降，柴油機進氣密度降低，進氣充量減少［17］，造成空燃比減小，燃燒惡化，指示熱效率降低，導致了缸內最高燃燒壓力和平均指示壓力的下降。在同一海拔下，缸內最高燃燒壓力和平均指示壓力隨冷卻液溫度的升高均增加，冷卻液溫度每升高10℃，3個海拔下缸內最高燃燒壓力和平均指示壓力分別平均增加了1.01%和1.28%。這是由于冷卻液溫度的升高，一方面使得缸內油氣混合變好，速燃期內燃燒速率加快，燃燒進行得更加完善；另一方面使得潤滑油溫度上升，流動性變好，導致機械損失相應減少，有效功率增加，故最終導致了缸內最高燃燒壓力和平均指示壓力的增加。

3　結論

1）設計了重型電控共軌柴油機高海拔（低氣壓）模擬試驗系統，通過選型、安裝、調試溫度控制裝置和燃燒分析儀等，實現了對重型電控共軌柴油機冷卻液溫度和增壓后進氣溫度的控制以及燃燒數據的采集，滿足了重型電控共軌柴油機的燃燒特性試驗需求。

2）同一冷卻液溫度下，隨著海拔的升高，放熱率峰值、缸內最高燃燒壓力以及平均指示壓力均下降，而缸內最高燃燒溫度增加。海拔每升高1 km，放熱率峰值、缸內最高燃燒壓力以及平均指示壓力分別平均下降了10.1%、3.76%以及3.42%，缸內最高燃燒溫度平均增加了4.31%。

3）同一海拔下，隨著冷卻液溫度的升高，放熱率峰值下降，而缸內最高燃燒溫度、最高燃燒壓力以及平均指示壓力均增加。冷卻液溫度每升高10℃，放熱率峰值平均下降了5.62%，缸內最高燃燒溫度、最高燃燒壓力以及平均指示壓力分別平均增加了5.38%、1.01%以及1.28%。

1劉瑞林，周廣猛，許翔，等.SOFIM電控共軌柴油機高海拔性能模擬［J］.燃燒科學與技術，2010，16（4）：303-308

2Masahiko M，Hideya F，Akira M，et al.Development of new electronically controlled fuel injection system ECD-U2 for diesel engines［C］.SAE Paper 910252

3Zhang H.Study of the control strategy of the plateau self adapted turbocharging system for diesel engine［C］.SAE Paper 2008-01-1636

4周廣猛，劉瑞林，董素榮，等.高壓共軌柴油機高海拔（低氣壓）燃燒特性［J］.內燃機學報，2012，30（3）：220-226

5劉瑞林．柴油機高原環境適應性研究［M］．北京：北京理工大學出版社，2013

6Chen Guisheng，Shen Yinggang，Lan Yang，et al．Study on performance of DI-diesel engine fueled with biodiesel at different altitudes［J］．Chin Int Combust Engine Eng，2009，30：16-20

7劉瑞林，劉宏威，秦德．渦輪增壓柴油機高海拔（低氣壓）性能試驗研究［J］．內燃機學報，2003，21（3）：193-196

8許翔，周廣猛，鄭智，等．高原環境對保障裝備的影響及適應性研究［J］．裝備環境工程，2010，7（5）：100-103

9Sodre J R，Soares S M C．Comparison of engine power correction factors for varying atmospheric conditions［J］．Environment of Science and Technology，2003，425（3）：279-285

10王憲成，郭猛超，張晶，等．高原環境重型車用柴油機熱負荷性能分析［J］．內燃機工程，2012，33（1）：49-53

11Wang Xin，Ge Yunshan，Yu Linxiao，et al．Comparison of combustion characteristics and brake thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine fueled with diesel and biodiesel at high altitude［J］．Fuel，2013，107：852-858

12He Chao，Ge Yunshan，Ma Chaochen，et al．Emission characteristics of a heavy-duty diesel engine at simulated high altitudes［J］．Science of the Total Environment，2011，409（7）：3138-3143

13Wang Xin，Ge Yunshan，Yu Linxiao，et al．Effects of altitude on the thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine［J］．Energy 2013，58：543-548

14高思遠，趙長祿，李云龍，等.冷卻液溫度對柴油機熱功轉換效率的影響［J］．農業機械學報，2012，43（3）：28-32

15Mahmoud K G，Loibner E，Wiesler B，et al．Simulation-based vehicle thermal management system-concept and methodology［C］．SAE Paper 2003-01-0276

16Pan Jinfeng，Roberto Nigro，Eduardo Matsuo．3-D modeling of heat transfer in diesel engine piston cooling galleries［C］．SAE Paper 2005-01-1644

17Yin Hang，Ge Yunshan，Wang Xin，et al．Idle emission characteristics of a light-duty diesel van at various altitudes［J］.Atmospheric Environment，2013，70：117-122

18Wang Xin，Ge Yunshan，Yu Linxiao．Combustion and emission characteristics of a heavy-duty diesel engine at idle at various altitudes［C］.SAE Paper 2013-01-1516

A Research of Diesel Engine Combustion Process Parameters Based on Coolant Temperature at Different Altitudes

Zhou Lei1，2，Liu Ruilin2，Ouyang Guangyao1，Liu Nan3，Yang Chunhao3
1-College of Power Engineering，Naval University of Engineering（Wuhan，Hubei，430033 China）
2-Department of Military Vehicle，Military Transportation University
3-Postgraduate Training Brigade，Military Transportation University

An experimental research of diesel engine combustion process based on coolant temperature at different altitudes was carried out via self-designed high altitude（low air pressure）simulation experimental system of heavy-duty common-rail diesel engine，and the effects of coolant temperature on the diesel engine combustion process parameters at different altitudes were analyzed.Results show that under the same coolant temperature，with the rises of altitude，the maximum of heat release rate，combustion pressure in cylinder and average indicated pressure decrease，while the maximum of combustion temperature in cylinder increases.With the altitude rising every 1 km，the maximum of heat release rate，combustion pressure in cylinder and average indicated pressure decrease 10.1%，3.76%and 3.42%respectively on average，the maximum of combustion temperature in cylinder increases 4.31%on average.Under the same altitude，with the rises of coolant temperature，the maximum of heat release rate decreases，while the maximum of combustion temperature and pressure in cylinder as well as the average indicated pressure increase.With the coolant temperature rising every 10℃，the maximum of heat release rate decreases 5.62%on average，the maximum of combustion temperature and pressure in cylinder as well as average indicated pressure increase 5.38%，1.01%and 1.28%respectively on average.

Coolant temperature，Heavy-duty common-rail diesel engine，Different altitudes，Combustion process parameters

TK421+.2

A

2095-8234（2016）01-0005-05

周磊（1991-），男，博士研究生，主要研究方向為動力機械及熱力系統的設計、傳真及優化。

2015-08-30）