高原環境條件下的柴油機起動過程試驗研究

馬寧， 李若亭， 趙文柱， 楊紹卿， 徐冬冬， 孫志新

(裝甲兵工程學院 機械工程系， 北京 100072)

高原環境條件下的柴油機起動過程試驗研究

馬寧， 李若亭， 趙文柱， 楊紹卿， 徐冬冬， 孫志新

(裝甲兵工程學院 機械工程系， 北京 100072)

柴油機起動性能是柴油機的重要性能指標，高原環境對柴油機起動過程產生重要影響。為了研究高原環境對柴油機起動過程影響規律，針對某型12缸柴油機分別在高原和平原地區進行實車起動試驗，對起動過程的氣缸壓力、上止點和瞬時轉速進行測量。結果表明，高原環境下柴油機起動時間更長，轉速波動更大，雙峰燃燒比例更多。對起動過程進行逐循環燃燒分析，發現在高原環境以曲軸轉角計的滯燃期更大，燃燒更加滯后；與此同時，在同等的轉速水平下，在高原環境以時間計的滯燃期更長。

兵器科學與技術； 柴油機； 起動過程； 高原環境； 滯燃期

0 引言

高原環境的大氣溫度和環境壓力偏低，使得柴油機起動過程出現轉速波動幅度大、噪聲大甚至失火等問題。相比于汽油具有揮發性好，且采用電火花點火的特點，柴油的揮發性差，且燃燒是靠自行著火[1]。當柴油機在高原環境下進行起動，氣缸內壓力、溫度及混合氣形成條件均較差，從而導致混合氣滯燃期遠大于平原工況，柴油機出現著火不穩定甚至失火等現象。針對柴油機起動過程出現的問題，敖良忠等[2]通過CFM56-5B發動機結合高原地區氣壓低、含氧量少的特點，分析出燃油霧化質量差、剩余功率不足以及富油燃燒是造成起動困難的重要原因；游維華[3]利用試驗手段研究了滯燃期對直噴式柴油機起動過程的影響；蘇巖等[4]利用瞬時轉速和示功圖對柴油機起動過程進行燃燒分析，以此來判斷著火首循環和失火循環；Haba等[5]研究了一臺V型6缸發動機在極低溫度下的冷起動狀況；趙楠等[6]、彭海勇等[7]則通過仿真建模的方法分別針對冷機起動和倒拖起動做了計算研究。與此同時，一些科學工作者也提出了各種改善起動性能的措施[8-10]：冀樹德等[8]利用進氣加熱和潤滑油加熱的方法對柴油機的低溫起動性能做了改善；Parsinejad等[9]通過增大柴油機壓縮比來改善起動性能；張京永等[10]通過優化噴油參數來改善起動性能。本文為了研究高原環境對柴油機起動過程的影響規律，針對某型12缸柴油機分別在高原和平原環境進行實車起動試驗，在梳理兩種環境起動性能差異過程中，從滯燃期的角度進行對比分析。

1 高原環境下柴油機起動過程試驗

在海拔3 700 m高原環境針對12缸柴油機進行實車起動試驗。為了對比高原環境與平原環境起動過程的差異，同時也在平原環境對同型號柴油機進行實車起動試驗，在兩次試驗中，所用車輛的摩托小時數相當，加熱后的水溫、油溫以及環境溫度相當，具體參數見表1所示。

表1 環境參數

1.1 氣缸壓力的測量

氣缸壓力測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，因此測量時無需加入冷卻裝置。實車安裝時卸下柴油機氣缸空氣起動閥，將壓力感受器安裝在原起動閥位置。氣缸壓力傳感器及實車安裝位置如圖1、圖2所示。

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

圖2 實車安裝位置Fig.2 Installation position

1.2 上止點測量

上止點測量采用霍爾轉速傳感器測量。安裝此傳感器需要專用卡具，傳感器及卡具如圖3所示。安裝時將專用卡具固定在柴油機前端中央的兩個螺栓上，在曲軸輸出端飛輪上找到被測氣缸的機械上止點標識，并貼上方形磁片，如圖4所示。

圖3 上止點傳感器Fig.3 Top dead center sensor

圖4 實車安裝位置Fig.4 Installation position

1.3 曲軸轉角測量

曲軸轉角測量采用磁阻式轉速傳感器測量曲軸轉角。起動齒圈上有105個齒，與曲軸的傳動比為0.7∶1，即曲軸每轉一圈，傳感器可接收150個脈沖信號。安裝時利用專用卡具將傳感器固定在起動齒圈處，傳感器及其實車安裝位置如圖5和圖6所示。

2 柴油機起動過程分析

2.1 起動過程階段劃分

柴油機起動過程是指柴油機由穩定靜止狀態到高速轉動的過程。柴油機起動時間是指從起動電機接通時刻加速到穩定轉速時刻所需要的時間。通過分析柴油機起動過程的瞬時轉速以及缸內壓力曲線，可以將柴油機起動過程分為倒拖階段、加速階段、過渡階段以及穩定階段，如圖7所示。

圖7中，倒拖階段是指柴油機在外力驅動下從開始轉動到轉速開始自行上升時為止；加速階段是指從轉速開始自行上升到轉速升至最大值為止；過渡階段是指從轉速最大值過渡到穩定轉速為止；穩定階段是指轉速穩定在怠速轉速。

加速階段是起動過程中最為關鍵的階段，在這一階段，柴油機轉速快速上升，導致以曲軸轉角計的滯燃期偏長，尤其是在高原環境，空氣稀薄導致缸內空氣密度低，燃油噴霧質量劣化，使得高原環境下起動過程加速階段以角度計的滯燃期更長，著火推遲到上止點之后，后燃嚴重，燃燒質量劣化，導致起動時間增長，如果是在冬季則易引起起動失敗。

2.2 起動過程燃燒形態分析

從起動過程連續示功圖和放熱規律變化可以分析起動過程中非穩態燃燒的內部特征。通過對起動過程連續示功圖進行歸納，將實車起動過程出現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，缸內爆發壓力高，以曲軸轉角計的滯燃期較短，燃燒室內出現多個火核，著火發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示功圖，缸內爆發壓力沒有明顯的升高，燃燒室內火焰形狀呈現纖維狀[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程中出現兩次峰值，以曲軸轉角計的滯燃期偏大，著火時刻推遲到上止點之后，后燃現象嚴重，缸內最大爆發壓力低于Y型燃燒，做功能力偏弱。雙峰型燃燒是Y型燃燒與V型燃燒之間的過渡形態，當滯燃期縮短，著火時刻提前，則雙峰型燃燒轉化成Y型燃燒，當滯燃期變長，著火時刻推遲，則雙峰型燃燒惡化成V型燃燒。

3 高原與平原實車起動過程差異及分析

3.1 高原與平原實車起動過程特點

通過對比高原與平原起動過程的瞬時轉速和缸內壓力曲線，如圖11、圖12所示，可以發現如下差異：從起動時間來看，平原實車起動時間為6.5 s，高原為7.3 s；平原實車起動過程，轉速在45 r/min內波動，而高原轉速在110 r/min內波動；平原實車起動過程，加速階段的最小缸內爆發壓力高于6 MPa，而高原加速階段最大缸內爆發壓力還不到5 MPa.

圖11 平原環境起動過程轉速與缸內壓力曲線Fig.11 Rotational speed and cylinder pressure of diesel engine starting process in plain environment

圖12 高原環境起動過程轉速與缸內壓力曲線Fig.12 Rotational speed and cylinder pressure of diesel engine starting process in altitude environment

通過起動過程連續示功圖和放熱規律變化可分析起動過程中非穩態燃燒的內部特征。起動過程加速階段各示功圖所占比率見表2. 在燃燒形態上，高原Y型燃燒形態比例更低，而雙峰燃燒形態比例更高；在放熱規律上，高原環境起動過程著火時刻要比平原更加靠后，滯燃期也比平原更長。

表2 高原與平原環境起動過程燃燒形態對比

3.2 高原與平原之間起動過程差異性分析

高原起動時間更長，出現更大比例雙峰及V型燃燒，且缸內爆發壓力低于平原。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，因此加速到相同轉速水平，高原環境需要時間更長。而以曲軸轉角計滯燃期和著火時刻決定著缸內不同的燃燒形態，當以曲軸轉角計滯燃期變大，著火時刻推遲到上止點之后，對應缸內著火循環越容易出現雙峰及V型燃燒。

通過以角度計滯燃期與以時間計滯燃期的關系式：

Φi=6nτi，

(1)

式中：Φi為以角度計滯燃期；τi為以時間計滯燃期；n為轉速。可知，以曲軸轉角計滯燃期取決于轉速和以時間計滯燃期。為了進一步分析高原與平原環境起動過程之間的差別，現對兩種環境以時間計滯燃期進行對比，如圖13所示。

圖13 不同環境以時間計滯燃期隨起動時間的變化曲線Fig.13 Combustion delay period vs. time in altitudet and plain environments

從圖13的數據分析可知：1)無論高原環境還是平原環境，基于實車的柴油機起動過程，隨著循環的進行，以時間計的滯燃期均呈現下降趨勢，其中在起動過程加速階段下降較快，在起動過程過渡階段下降較慢，而在怠速階段則幾乎保持穩定；2)在同一時刻，高原環境以時間計的滯燃期明顯高于平原環境，而下降速度缺要低于平原環境。下面再將兩種環境下滯燃期隨轉速的變化趨勢進行對比。

從圖14中分析可知：1)相同轉速水平，高原環境以時間計的滯燃期大于平原環境，而高原環境滯燃期的下降趨勢卻慢于平原環境；2)隨轉速上升，缸內壓力上升，漏氣量減少，噴油壓力增大，這些因素改善了燃油噴霧質量，提高了混合氣形成質量，使以時間計的滯燃期隨轉速上升而下降；3)高原環境缸內壓力要遠小于平原環境，這使得噴霧時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，霧化質量差，使燃油蒸發需要更多時間，導致高原環境起動過程以時間計的滯燃期大于平原環境。

圖14 兩種環境以時間計的滯燃期隨轉速變化曲線Fig.14 Combustion delay period vs. rotational speed in altitude and plain environments

3.3 高原環境起動過程滯速現象分析

在起動過程的加速階段，瞬時轉速停止持續上升而滯留在某一轉速水平附近，這一現象稱為滯速現象。受高原實車條件所限只采集到左3缸缸內壓力數據，圖15中曲線記錄到滯速期間出現的無燃燒壓力上升循環。滯速現象的出現延長了柴油機的起動時間。

圖15 高原環境起動過程的滯速現象Fig.15 Stagnation phenomenon of starting process in altitude environment

高原環境起動過程產生滯速現象分析：相同轉速水平下，高原環境以時間計的滯燃期要大于平原環境，而滯燃期隨轉速的下降速度卻慢于平原環境，這使得高原環境下起動過程的滯燃期一直處于一個較高水平，在瞬時轉速上升的加速階段，由以角度計滯燃期與以時間計滯燃期的關系式Φi=6nτi可知，當瞬時轉速上升的幅度大于以時間計滯燃期下降的幅度時，以曲軸轉角計的滯燃期將增大，使得著火時刻趨向推遲。高原環境起動過程出現大量雙峰燃燒，著火時刻發生在上止點之后，如果以曲軸轉角計的滯燃期進一步增大，活塞遠離上止點位置，缸內溫度和壓力下降，可燃混合氣將失去在本循環燃燒的機會，出現無燃燒壓力上升循環，瞬時轉速停止上升，從而導致滯速現象的發生。

4 結論

本文分別在高原和平原環境進行了柴油機起動過程試驗，對比了兩種環境下起動過程之間的差異，從滯燃期入手研究了高原環境對柴油機起動過程影響。

1)通過對比起動過程瞬時轉速和缸壓曲線，高原起動時間更長為7.3 s，而平原為6.5 s；高原起動過程轉速波動幅度更大，最大可達110 r/min，平原為45 r/min；高原起動過程加速階段最大缸內爆發壓力不到5 MPa，而平原則超過6 MPa.

2)相同轉速水平，高原環境以時間計滯燃期明顯高于平原環境，同時高原環境滯燃期的下降速度明顯低于平原環境。

3)高原起動過程出現滯速現象，相同轉速水平，高原環境以時間計滯燃期更大，而滯燃期隨轉速的下降速度卻慢于平原環境，這使得高原環境滯燃期一直處于較高水平，在加速階段，如果瞬時轉速上升的幅度大于以時間計滯燃期下降的幅度時，使得以曲軸轉角計滯燃期進一步增大，錯失本循環著火時機，出現無燃燒壓力上升循環，從而導致滯速現象的發生。

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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

國家“973”計劃項目(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