高原環(huán)境對(duì)大功率柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程影響研究

王憲成，馬寧，王雪，孫志新，吉世文，劉大可

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高原環(huán)境對(duì)大功率柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程影響研究

王憲成1，馬寧1，王雪1，孫志新1，吉世文1，劉大可2

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050）

研究高原環(huán)境對(duì)大功率柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程影響規(guī)律。針對(duì)平原和高原地區(qū)某12缸柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)兩種環(huán)境下柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速與缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比兩種環(huán)境起動(dòng)過(guò)程滯燃期變化規(guī)律，同時(shí)對(duì)兩種環(huán)境起動(dòng)過(guò)程噴霧特性進(jìn)行仿真計(jì)算。發(fā)現(xiàn)在高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程加速階段更易出現(xiàn)滯速，甚至失火現(xiàn)象，兩種環(huán)境下起動(dòng)過(guò)程中以時(shí)間計(jì)滯燃期均在加速階段快速下降，在過(guò)渡階段下降平緩，在同一時(shí)刻高原環(huán)境滯燃期更大，且波動(dòng)更大，最大可達(dá)0.9 ms。噴霧過(guò)程仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程噴霧貫穿距發(fā)展更快，油束重心更接近燃燒室壁面。高原環(huán)境使得柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程噴霧貫穿距增大，油束碰壁導(dǎo)致混合氣形成質(zhì)量變差，滯燃期變長(zhǎng)，最終導(dǎo)致高原環(huán)境下起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)滯速甚至失火等現(xiàn)象。

高原環(huán)境；柴油機(jī)；起動(dòng)過(guò)程；滯燃期；噴霧特性

高原環(huán)境柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程頻繁出現(xiàn)若干循環(huán)失火造成的滯速現(xiàn)象，甚至熄火[1]。敖良忠[2]等人通過(guò)CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合高原地區(qū)氣壓與含氧量低等特點(diǎn)，分析出燃油霧化質(zhì)量變差以及富油燃燒是造成起動(dòng)困難的重要原因。S.A.Haba[3]等人則研究了一臺(tái)V型6缸柴油機(jī)在極低溫度下的起動(dòng)狀況。文中通過(guò)高原實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了滯速及失火等現(xiàn)象的產(chǎn)生及特點(diǎn)，并通過(guò)燃油噴霧過(guò)程計(jì)算解釋了高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程滯燃期偏大的原因。

1 柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)

分別在海拔3700 m高原環(huán)境和平原環(huán)境針對(duì)12缸柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)。主要測(cè)量參數(shù)包括瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、上止點(diǎn)、缸壓等參數(shù)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1，柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 環(huán)境參數(shù)

表2 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 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[4]。通過(guò)分析柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線，可將柴油機(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1所示。其中，倒拖階段是指柴油機(jī)在外力驅(qū)動(dòng)下開(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[5]。

圖1 柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程階段劃分

加速階段是柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的關(guān)鍵階段，在此期間，瞬時(shí)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)。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)量嚴(yán)重劣化，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)[5]，起動(dòng)過(guò)程的滯速及失火現(xiàn)象就常發(fā)生于加速階段。

1.2 高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程滯燃期特點(diǎn)

兩種環(huán)境以時(shí)間計(jì)的滯燃期進(jìn)行比對(duì)，如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境以時(shí)間計(jì)的滯燃期隨起動(dòng)時(shí)間變化曲線

從圖2數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)：在柴油機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，隨著循環(huán)的進(jìn)行，以時(shí)間計(jì)的滯燃期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在加速階段下降較快，在過(guò)渡階段下降較慢。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，而下降速度低于平原環(huán)境。穩(wěn)定階段高原環(huán)境滯燃期波動(dòng)幅度高于平原環(huán)境，最大可達(dá)0.9 ms。

2 滯速現(xiàn)象及失火

2.1 滯速現(xiàn)象產(chǎn)生及特點(diǎn)

在柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程加速階段，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速停止持續(xù)上升而滯留在某一轉(zhuǎn)速附近，這一現(xiàn)象稱(chēng)為滯速現(xiàn)象[5]。通過(guò)兩種環(huán)境柴油機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高原起動(dòng)過(guò)程易出現(xiàn)滯速現(xiàn)象。從圖3轉(zhuǎn)速與缸壓曲線可見(jiàn)，在柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的滯速期間出現(xiàn)了無(wú)燃燒壓力上升的循環(huán)，其延長(zhǎng)了柴油機(jī)的起動(dòng)時(shí)間。

圖3 高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程滯速時(shí)轉(zhuǎn)速與缸壓曲線

在高原環(huán)境條件下柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程之所以出現(xiàn)滯速現(xiàn)象，是因?yàn)楦咴h(huán)境柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程以時(shí)間計(jì)的滯燃期一直處于一個(gè)較高水平。在加速階段，通過(guò)φ=6nτ可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速加速上升，并且上升幅度高于以時(shí)間計(jì)的滯燃期的下降幅度時(shí)，以角度計(jì)的滯燃期將增大，導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)著火延后。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)，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[6]。此時(shí)，活塞開(kāi)始遠(yuǎn)離上止點(diǎn)位置，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度下降，混合氣錯(cuò)失在本循環(huán)的燃燒時(shí)機(jī)，從而導(dǎo)致無(wú)燃燒壓力循環(huán)的出現(xiàn)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速停止持續(xù)上升，滯速現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2 失火產(chǎn)生及特點(diǎn)

通過(guò)高原環(huán)境多次起動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境柴油機(jī)起動(dòng)出現(xiàn)滯速現(xiàn)象較為普遍，滯速現(xiàn)象輕則會(huì)增長(zhǎng)柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間，重則導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程失敗。圖4為起動(dòng)失敗過(guò)程的轉(zhuǎn)速與缸壓曲線，從圖4中可見(jiàn)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)?90 r/min急劇升高到500 r/min。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的急劇升高嚴(yán)重減少了循環(huán)內(nèi)混合氣形成時(shí)間，加之起動(dòng)工況缸內(nèi)壓縮溫度以及壁面溫度低。同時(shí)高原環(huán)境又會(huì)造成缸內(nèi)壓縮壓力嚴(yán)重偏低，使得缸內(nèi)混合氣形成質(zhì)量嚴(yán)重變差，從而導(dǎo)致連續(xù)若干循環(huán)失火，進(jìn)而起動(dòng)失敗。

圖4 高原環(huán)境起動(dòng)失敗時(shí)轉(zhuǎn)速與缸壓曲線

3 高原環(huán)境起動(dòng)工況缸內(nèi)噴霧分析

通過(guò)圖2—4的分析發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程易出現(xiàn)滯速現(xiàn)象甚至失火，同時(shí)高原環(huán)境起動(dòng)過(guò)程滯燃期水平明顯高于平原環(huán)境。高原環(huán)境起動(dòng)工況的壓縮壓力及溫度偏低，其中缸內(nèi)燃油的噴霧狀況對(duì)著火燃燒特性產(chǎn)生重大影響。

針對(duì)所研究柴油機(jī)進(jìn)行噴霧仿真計(jì)算，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。由于高原環(huán)境坦克柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程噴霧有如下特點(diǎn)：燃油噴射壓力低、柴油黏度大、缸內(nèi)壓力低，因此建模時(shí)選用的模型見(jiàn)表3。同時(shí)考慮六孔噴油器的對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算效率，在計(jì)算過(guò)程中只計(jì)算1/6圓周的區(qū)域。

表3 噴霧計(jì)算采用的子模型

在定容噴霧模擬計(jì)算中，高原環(huán)境柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程缸內(nèi)壓縮壓力介于1.35~1.65 MPa之間，平原環(huán)境在2.25~2.70 MPa之間，因此在計(jì)算過(guò)程中取高原1.5 MPa和平原2.5 MPa作為背壓，兩種環(huán)境下的氣體溫度均取壓縮溫度600 K，噴油規(guī)律如圖5所示。同時(shí)缸內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)在計(jì)算初始時(shí)刻的分布假定均勻。在計(jì)算中，固體邊界為氣缸蓋底面、氣缸壁面以及活塞頂面。邊界壁面速度條件為無(wú)滑移，壁面溫度取600 K。

圖5 噴油規(guī)律曲線

從圖6貫穿距以及圖7混合氣濃度計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，高原環(huán)境低背壓條件下的噴霧貫穿距更大，且油束重心更加靠近燃燒室壁面。過(guò)大的貫穿距使得油束更早接觸低溫壁面而不易蒸發(fā)，部分燃油附著壁面，導(dǎo)致燃油與空氣的混合質(zhì)量變差，使得著火準(zhǔn)備時(shí)間增長(zhǎng)，而起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速升高又使得混合氣形成時(shí)間縮短。這將導(dǎo)致著火角度嚴(yán)重滯后，重則錯(cuò)失本循環(huán)著火時(shí)機(jī)導(dǎo)致失燃，進(jìn)而致使高原環(huán)境起動(dòng)性能劣化。

圖6 高原與平原環(huán)境噴霧貫穿距對(duì)比曲線

圖7 不同背景壓力下氣缸內(nèi)當(dāng)量比分布

4 結(jié)論

1）高原環(huán)境下柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程易出現(xiàn)滯速甚至失火等現(xiàn)象。

2）高原環(huán)境下柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中燃燒滯燃期更長(zhǎng)，且不穩(wěn)定性更大，波動(dòng)幅度比平原環(huán)境高出0.9 ms以?xún)?nèi)。

3）高原環(huán)境下柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程噴霧貫穿距更大，油束重心更靠近燃燒室壁，混合氣質(zhì)量變差。

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Effects of Altitude Environment on High-power Diesel Engine Starting Process

WANG Xian-cheng1, MA Ning1, WANG Xue1, SUN Zhi-xin1, LIU Da-ke2

(1.Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2.Academy of Armored Force, Bengbu 233050, China)

To study influence rules of altitude environment on starting process of high-power diesel engine.The starting process of a 12-cylinder diesel engine was tested respectively in plateau and plain to analyze the rotational speed and cylinder pressure of diesel engine in different environment. The laws on change of ignition delay period in different environment were compared and simulating calculation on spray characteristics in different environment were carried out.The diesel engine was prone to suffer from phenomenon such as stagnation or even misfire in altitude environment. The combustion delay period declined rapidly in accelerating stage, and declined gently in transition stage. The combustion delay period on altitude environment was longer and the volatility was bigger up to 0.9 ms than plain environment. The spray penetration on altitude environment formed faster, and the main part of spray was closer to the wall of combustion chamber.The altitude environment makes the spray penetration in starting the engine longer. The wall impingement of spray reduces the quality of the formation of mixed gas and makes the combustion delay period longer, causing the phenomenon of stagnation and even misfire in the diesel engine starting process of the altitude environment.

altitude environment; diesel engine; starting process; combustion delay period; spray characteristic

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.002

TJ07；TK411.26

A

1672-9242(2017)10-0008-04

2017-05-30；

2017-06-13

“973”計(jì)劃項(xiàng)目（201797301）

王憲成（1964—），男，北京人，教授，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)論證與運(yùn)用。