缸內減壓裝置對柴油機起動性能的影響分析

鄧 玫 孫 鑫 于 洋

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 前言

隨著大型工程機械在國內的使用領域越來越廣泛，地域的多變性對配套的柴油機性能要求也越來越高。低溫、高原往往是大型機械頻繁使用時所面臨的嚴苛環境條件，這都使得柴油機的低溫起動性能受到了各大柴油機廠商的重視。

本文介紹了1款配套大型工程機械的9 L柴油機，應用了1套缸內減壓裝置[1]，制定了針對使用缸內減壓裝置前后的起動性能試驗方案，并進行了數據對比，分析了該缸內減壓裝置的優缺點。

1 裝置介紹

1.1 原理

缸內減壓裝置會在柴油機停機前推進1個滑塊到排氣搖臂頂部，在柴油機下一次起動過程中使排氣門一直處于打開狀態。柴油機在壓縮行程時活塞上行的壓縮阻力減小，降低了倒拖柴油機所需的扭矩，因此起動電機可以把柴油機拖動到更高的轉速。當曲軸轉速達到起動轉速時，減壓裝置退出，排氣門可正常落座，柴油機成功起動。

1.2 裝置簡介

缸內減壓裝置安裝在排氣搖臂頭部上方，擋板固定在缸蓋上，擋板下方裝有1個由雙向電磁閥控制可左右移動的滑塊。如圖1所示，當滑塊處于左邊時，排氣搖臂逆時針擺動不會受到干擾；當滑塊處于右邊時，可以阻止搖臂回位，此時排氣門被頂開2 mm。

圖1 減壓裝置與搖臂位置示意圖

1.3 控制策略

在柴油機熄火前，電磁閥正向通電將滑塊推至排氣搖臂上方，排氣搖臂無法正常回位，排氣門一直保持開啟狀態；當發動機達到起動轉速后，電磁鐵反向通電將滑塊吸回，排氣門可以正常落座。

2 常溫環境對柴油機冷起動的影響

在柴油機進入冷庫測試冷起動性能前，需要了解常溫時該減壓裝置可以使柴油機拖動轉速提高多少，可以使拖動扭矩減少多少，制定了測試由蓄電池供電起動電機拖動柴油機可達到的穩定轉速方案，以及由臺架倒拖柴油機所需的最大扭矩方案。

2.1 起動電機拖動轉速

由蓄電池供電起動電機拖動柴油機直到柴油機的轉速穩定，在此過程中噴油器不進行噴油，對比安裝減壓裝置與不安裝減壓裝置的轉速穩定值。如圖2所示，不安裝減壓裝置的穩定轉速為185 r/min，且由于缸內壓力未釋放，存在20 r/min的轉速波動；安裝減壓裝置后的穩定轉速為205 r/min，相對提升了10%。

圖2 25 ℃(常溫)時起動電機拖動柴油機的轉速

2.2 柴油機起動扭矩

將柴油機放到可倒拖的電力測功機臺架上，由臺架倒拖柴油機進行起動試驗，并監控整個起動過程中柴油機的功率變化情況。如圖3所示，在不安裝減壓裝置的情況下，在0.45 s時出現最大倒拖扭矩373 N·m，在安裝減壓裝置的情況下，在0.40 s時出現最大倒拖扭矩254 N·m，倒拖扭矩下降了31%。

從常溫試驗可以看出，減壓裝置可以提升柴油機的拖動轉速，并降低拖動扭矩。

圖3 25 ℃(常溫)時臺架拖動柴油機的扭矩

3 低溫環境對柴油機冷起動的影響

將試驗用柴油機放入冷庫臺架，采用相同的電瓶、起動電機和發動機控制單元(ECU)進行數據標定，在安裝與不安裝缸內減壓裝置狀態下，分別在25 ℃、-15 ℃、-30 ℃和-35 ℃的環境溫度下，起動柴油機并監控柴油機的轉速和電瓶的輸出電流，并進行對比試驗。

3.1 25 ℃時柴油機的起動狀態

如圖4所示，相對于不安裝減壓裝置，安裝了減壓裝置的發動機轉速升高速度明顯加快，但當搖臂擋塊退出時轉速會輕微下降14 r/min，緊接著起動成功，起動時間為4 s，比不安裝減壓裝置的起動時間慢了1 s。減壓機構退出前的最大電流為178 A，退出后的最大電流為218 A，退出后最大電流與無減壓機構時相同。在整個起動過程中，減壓機構的電瓶電壓下降了2.6 V(由24.8 V降為22.2 V)。在無減壓機構狀態時，電瓶電壓下降了3.0 V(由25.0 V降為22.0 V)。

圖4 25 ℃時的柴油機起動情況

3.2 -15 ℃時柴油機的起動狀態

如圖5所示，在-15 ℃時，相對于不安裝減壓裝置，安裝減壓裝置后的發動機轉速升高速度明顯加快，但當搖臂擋塊退出時轉速會下降60 r/min，緊接著起動成功，起動時間為6 s，比不安裝減壓裝置時的起動時間減少了1 s。減壓機構退出前的最大電流為269 A，退出后的最大電流為370 A，退出后與無減壓機構時的最大電流相當。在整個起動過程中，安裝減壓機構的電瓶電壓下降了3.5 V(由26.0 V降為22.5 V)，不安裝減壓機構的電瓶電壓下降了4.5 V(由24.5 V降為20.0 V)。

圖5 -15 ℃時柴油機起動情況

3.3 -30 ℃時柴油機的起動狀態

如圖6所示，在-30 ℃時，安裝了減壓裝置的發動機轉速為137 r/min，不安裝減壓裝置的發動機轉速為93 r/min，轉速明顯升高，但起動時間比不安裝減壓裝置時仍然稍長一些。減壓機構退出前最大電流為337 A，退出后最大電流為228 A，而在無減壓機構時最大電流為433 A。此時，不安裝減壓機構的發動機對電流的最大要求明顯高于安裝減壓機構的。在整個起動過程中，有減壓機構的電瓶電壓下降了4.1 V(由22.6 V降為18.5 V)，無減壓機構的電瓶電壓下降了6.1 V(由23.8 V降為17.7 V)。

圖6 -30 ℃時的柴油機起動情況

3.4 -35 ℃時柴油機的起動狀態

如圖7所示，安裝減壓裝置后發動機的轉速為114 r/min，明顯高于不安裝減壓裝置的。不安裝減壓機構的柴油機無法起動，而安裝了減壓機構的發動機于17 s時成功起動。安裝減壓機構的起動最大電流為474 A，而不安裝減壓機構的起動最大電流為576 A。在整個起動過程中，減壓機構的電瓶電壓下降了4.6 V(由25.6 V降為21.0 V)。

圖7 -35 ℃時的柴油機起動情況

從以上數據分析可以得出，安裝減壓裝置后的拖動轉速都明顯高于原機型。除了-35 ℃環境溫度外，發動機的起動時間均長于原機型。發動機的起動電流峰值與原機型相同，而起動電流的平均值有所降低，且電瓶的損耗優于原機型。

4 煙度

在安裝減壓裝置后，由于排氣門開啟了一定角度，減少了壓縮行程的功耗。但在起動初期，缸內溫度低于原機型，有更多未燃燒的燃油混合氣排出，導致柴油機在起動時的煙度大于原機型。表1為在冷庫外利用目測監控的煙度情況描述。

表1 目測觀察的煙度情況記錄

5 總結

通過本次試驗，總結出安裝缸內減壓裝置的優勢為：(1)拖動轉速高，起動扭矩小；(2)在-35 ℃環境溫度下可以成功起動；(3)起動電流的峰值與原機型相同，起動電流平均值略有降低；(4)冷起動時對電瓶的損耗較小。安裝缸內減壓裝置的劣勢為：(1)起動時間延長；(2)排氣煙度隨著環境溫度的降低呈上升趨勢。

綜上所述，該減壓裝置適合選配用于-30～-35 ℃的極寒地區用于無法成功起動的柴油機上。此外，此缸內減壓裝置是否可以提高柴油機在高原低溫環境下的起動性能有待進一步驗證。