不同海拔高度下柴油機低溫起動性能試驗研究

王霞，陳月春，李素婷，龐剛，楊亞然，龐鑫，楊凡

1.濰柴動力股份有限公司 發動機研究院，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

我國地域遼闊，高原山地面積占全國總面積的60%以上，內蒙、新疆、西藏等高海拔地區冬季最冷時的溫度可達-41 ℃[1-2]。高原地區具有空氣稀薄、氧氣含量少、環境溫度低等特點，且隨著海拔高度升高，大氣壓力和溫度呈現逐步降低趨勢。據氣象資料顯示：海拔高度每升高1000 m，大氣壓力降低10 kPa，氣溫下降0.65 ℃[3]。由于揮發性差，柴油燃燒為缸內自行壓燃，因此柴油機起動階段燃燒受外部環境條件影響較大。當柴油機在高原環境下起動時，受大氣壓力及環境溫度影響，壓縮上止點附近缸內溫度及混合氣形成條件均較差，導致混合氣形成狀況不及平原地區，柴油機在起動過程中會出現著火不穩甚至失火等現象[4-7]。冷起動性能是柴油機重要性能指標之一，冷起動性能不僅影響柴油機工作效率，還影響其使用壽命。受高原地區大氣環境影響，柴油機在高海拔、低溫環境下常存在起動困難現象。在低海拔地區，柴油機不采取冷起動輔助措施時，一般極限低溫起動溫度為-10 ℃；但在海拔高度為4800 m地區、溫度為-5 ℃時，如果不帶輔助措施就無法順利起動[8-11]。因此，研究柴油機高原低溫起動性能具有重要意義。

蘇巖[12]研究了柴油機起動工況下完全燃燒與不完全燃燒的缸壓變化曲線；敖良忠等[13]針對高原地區氣壓低、含氧量少等特點，對某型號柴油機開展了起動性能試驗，得出了燃油霧化質量差以及富油燃燒是造成高原低溫起動困難的重要原因；樓狄明等[14]從噴油策略角度出發，研究了不同噴油策略對高海拔下柴油機起動性能的影響，結果表明適當增大供油提前角和適當減少噴油均可以改善低壓縮比柴油機高原起動性能；樓狄明等[15]從環境溫度及海拔高度對柴油機轉速、怠速等參數的影響規律出發，試驗研究了升速期轉速升高率的變化。本文中利用高海拔環境模擬倉，開展柴油機在不同海拔高度下低溫起動性能試驗，結合燃燒放熱規律分析柴油機起動過程缸內燃燒變化規律。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備及樣機

高原低溫起動試驗系統由高海拔環境倉系統、柴油機試驗臺架系統組成，其中高海拔環境倉系統由羅茨風機控制發動機進氣壓力、排氣背壓，可用于模擬海拔高度為0～5000 m時的大氣壓力，并能進行環境溫度調節控制，控制溫度為-35～20 ℃，精度≤±1 ℃。高海拔環境倉見圖1。

圖1 高海拔環境倉

試驗樣機為某重型直列六缸、直噴、四沖程、增壓中冷、電控高壓共軌柴油機，主要技術參數見表1。

表1 柴油機技術參數

1.2 試驗方案

進行0、2000、3500 m 3個海拔高度下低溫起動性能試驗，環境溫度均設為-15 ℃。起動過程中采用奇石樂燃燒分析儀記錄缸內燃燒壓力，缸壓信號反映柴油機燃燒狀況，可以充分反映缸內壓縮、點火及燃燒放熱過程；在柴油機第6缸的缸蓋上安裝缸壓傳感器，將缸壓傳感器電信號傳輸到燃燒分析儀放大并轉化為缸內壓力數據，曲軸轉速傳感器將曲軸信號傳給曲軸轉角適配器，燃燒分析儀連接如圖2所示。水溫、機油溫度及柴油機轉速信號通過電子控制單元(electronic control unit,ECU)采集，采樣頻率為10 Hz。

圖2 燃燒分析儀連接圖

1.3 試驗方法

為便于對比不同海拔高度下柴油機起動初期缸內燃燒情況，試驗時其他邊界條件不變，將環境倉溫度設定為-15 ℃，采用強制循環系統冷卻水，控制每次起動時柴油機的水溫、機油溫度保持一致。通過調整環境倉進氣壓力和排氣背壓模擬不同海拔高度。一次起動性能試驗結束后，將環境倉升至常溫、常壓環境，并將發動機轉速設置為1500 r/min，熱車20 min，保證起動試驗過程中缸內未完全燃燒的柴油充分燃燒。相鄰起動試驗相隔8 h，保證柴油機充分冷卻至相同溫度。

起動試驗時控制起動電壓一致，以保證每次倒拖轉矩相同，采用電流鉗記錄起動瞬間最大電流。起動時同步記錄ECU起動參數及燃燒分析儀參數，保證ECU記錄數據與燃燒分析儀參數的同步對齊。試驗用燃油為-35#國六低溫柴油、機油牌號為Mobil5W-40，試驗過程中采集氣缸壓力、柴油機轉速、進氣溫度、水溫、機油溫度等參數。定義曲軸轉角為-360°～+360°為一個燃燒循環，包含進氣、壓縮、做功、排氣過程。通過ECU控制邏輯中自行判斷的起動結束標志(當ECU監控到發動機轉速達到該溫度下對應的發動機轉速，則判斷起動結束)判斷柴油機是否起動成功，即當柴油機起動成功后，怠速運行相同時間。

2 高原低溫起動過程分析

2.1 不同海拔高度下起動性能對比

環境溫度為-15 ℃時，3個海拔高度下發動機轉速變化曲線如圖3所示。由圖3可知：溫度為-15 ℃時，該機型在3個海拔高度均可以起動成功，但不同海拔高度下的柴油機起動性能存在差

圖3 不同海拔高度下發動機轉速變化曲線

異；隨著海拔高度升高，起動結束標志的循環數逐步增加，3個海拔高度下起動結束時對應的循環數依次為67、73、78，循環數增大表明起動時間增加。這是因為在低氣壓和低溫雙重因素共同影響下，柴油機起動階段受進氣質量少、進氣溫度低、燃油蒸發霧化質量差、機油黏度增大等因素影響，起動過程中柴油機拖動轉速降低、氣缸壁與外界傳熱損失增大，起動過程中壓縮終了溫度及缸內壓力下降，燃燒滯燃期延長，影響發動機起動性能。

環境溫度為-15 ℃時，不同海拔高度下缸壓變化曲線如圖4所示。由圖4可知：海拔高度為0時，柴油機第一個燃燒循環最大缸壓為12.8 MPa；海拔高度為2000、3500 m時，最大缸壓僅約為3.0 MPa，起動開始的前3個循環，缸內未有明顯燃燒跡象，且隨著海拔高度的升高，起動結束標志前缸內最大缸壓呈現降低趨勢。這是因為高原地區空氣稀薄，起動過程中進氣質量少，導致缸內可燃混合氣質量少，燃油與氧分子碰撞機會少，使柴油機無法順利著火或產生間歇性失火，并且由于高海拔下含氧量相對較低，在相同噴油量基礎上也無法完全燃燒，造成起動過程中缸內平均有效壓力降低；隨著起動階段循環數增加，平原及高原起動過程中最大缸壓均超過20.0 MPa，平原起動過程中最大爆壓甚至達到25.0 MPa。這是因為起動電控邏輯中有斜坡轉矩，即當柴油機起動時間超過標定時間且起動結束標志仍未變化時，為增強起動效果，需要增加起動轉矩，即向氣缸內多噴油，隨著循環數的增加，缸內形成了較易燃燒的環境，多噴的柴油會在缸內突然燃燒，使起動時的最高爆發壓力比全負荷時高。當起動結束標志發生跳變后，柴油機運行在怠速工況，缸壓逐漸恢復到正常水平。

圖4 不同海拔高度下最大缸壓變化曲線

2.2 高原與平原起動過程燃燒差異性分析

3個海拔高度下起動第一個循環缸壓的變化曲線如圖5所示。由圖5可知：低溫環境下，在平原地區，柴油機起動第一個循環燃燒迅速，著火發生后缸內做功能力良好，最大缸壓瞬間可達到12.8 MPa；而海拔高度為2000、3500 m時，起動第一個循環缸內均未出現較為明顯的燃燒跡象，最大缸壓約為3.0 MPa。這是因為平原地區進氣量充足，且低溫下空氣密度較大，氣缸充量系數大，缸內具備快速著火條件；在高海拔地區，在起動初期由于缸內氣量少導致壓縮上止點溫度較低，延長了燃燒滯燃期，無法快速形成著火氛圍，因此第一循環基本為純壓縮過程。

圖5 不同海拔下起動第一循環缸壓變化曲線 圖6 海拔高度為3500 m時起動前3個循環缸壓變化曲線

為研究某海拔高度下的燃燒循環規律，選擇海拔高度為3500 m的柴油機起動過程進行燃燒分析，起動前3個循環的缸壓變化曲線如圖6所示。由圖6可知：起動前3個循環缸內未有明顯燃燒跡象，在該海拔高度下，缸內雙峰燃燒放熱規律較為明顯，第一個峰值為缸內氣體壓縮峰值，第二個峰值為燃燒著火峰值；當第二個峰值出現時，對應的曲軸轉角為著火上止點后20°，此時活塞已處于下行狀態，由于雙峰燃燒屬于不完全燃燒，缸內最高爆發壓力不高，燃燒速率降低，且缸內燃燒環境不佳，因此加速到相同的轉速需要更多的循環，即起動時間更長；起動過程中隨循環數增加，缸內壓力逐漸增大，經多個燃燒循環后，最終缸內著火。

3個海拔高度下燃燒始點曲軸轉角變化曲線如圖7所示。由圖7可知：隨海拔高度升高，燃燒始點對應曲軸轉角逐步靠近壓縮上止點位置，平原地區燃燒始點對應曲軸轉角在壓縮上止點前4°；海拔高度為3500 m時，燃燒始點對應曲軸轉角在壓縮上止點前2°。這是因為海拔高度升高，大氣壓力下降，導致每循環進入氣缸的空氣較平原相對較少，壓縮終點壓力降低，滯燃期增大，且由于缸內混合氣密度減小，導致反應物分子之間碰撞的機率減小，著火之前混合氣預反應過程相應延長，造成著火時間延遲，燃燒始點角隨海拔高度升高逐步向壓縮上止點靠近。

圖7 不同海拔下燃燒始點前曲軸轉角變化曲線

3 結論

1)相同低溫環境下，不同海拔高度對柴油機起動性能有明顯影響。隨海拔高度升高，起動結束標志的循環數逐步增加，0、2000、3500 m海拔高度下起動結束時對應的循環數依次為67、73、78。

2)高海拔高度環境下，柴油機在起動前期，缸內著火條件普遍較差，雙峰不完全燃燒現象較為明顯，不利于迅速起動。

3)隨海拔高度升高，燃燒始點對應曲軸轉角逐步靠近壓縮上止點位置。