具有環境適應性的柴油機最小壓縮比設計方法

黎一鍇， 彭靖， 史中杰， 檀麗宏， 李耀宗

(1.北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081； 2.中國北方發動機研究所， 天津 300400)

0 引言

柴油機作為一款動力性強、可靠性高、經濟性好的動力裝置，被普遍應用于交通運輸、農業機械和軍事裝備等領域。壓縮比是柴油機的重要設計參數，對柴油機經濟性、動力性、起動性、可靠性以及排放性均有重大影響。減小壓縮比，雖然理論熱效率有所降低，但是通過提高增壓比可增加進氣充量，進而提高發動機功率密度。另外，降低柴油機壓縮比可以有效抑制NO排放。低壓縮比高增壓是新型低排放柴油機的發展趨勢。

柴油機壓縮比不可能無限降低。一般而言，柴油機的最小壓縮比是由其低溫或高原冷起動性能決定的。對于陸軍國防裝備，極端條件下動力裝備的冷起動問題嚴重影響我國的邊防安全，尤其是西南高原邊境安全。Laget等和Pacaud等的研究表明，壓縮比低至13.7的高壓共軌柴油機仍可在 248 K 平原環境下成功起動。Macmillan在248 K環境下對比研究了壓縮比對柴油機燃燒過程的影響，結果表明降低壓縮比導致柴油機平均有效壓力的穩定性降低。樓狄明等和Kan等研究表明，海拔高度的上升導致低壓縮比(14.25)柴油機起動性能惡化。以上研究僅考慮了固定壓縮比柴油機在特定環境下的冷起動性能，而不同環境溫度、海拔高度下柴油機的最小壓縮比仍難以確定。

本文結合光學診斷和整機臺架試驗，基于熱力學理論，建立柴油機最小壓縮比與環境溫度、海拔高度間的數學關系，提出一種具有環境適應性的柴油機最小壓縮比設計方法。

1 設計流程

柴油機冷機起動時，缸內環境密度和溫度均較低，著火滯燃期增加，柴油噴霧會出現部分自燃或完全不自燃等臨界現象。最小壓縮比應保證起動過程中柴油機的缸內壓縮終了溫度高于柴油噴霧的臨界著火溫度。確定柴油機起動過程中的缸內壓縮終了溫度和柴油噴霧的臨界著火溫度是設計最小壓縮比的基礎。柴油機冷起動時，由于轉速低、冷態間隙大等原因，缸內漏氣量和散熱量均較高。采用絕熱壓縮理論公式計算缸內壓縮終了溫度導致的誤差較大。因此，需要基于整機倒拖試驗建立起動過程不同轉速下柴油機的實際壓縮沖程計算公式。至于柴油噴霧的臨界著火溫度，可以在定容燃燒裝置(CVCC)內改變背景條件，通過光學測試獲得不同背景密度下保證柴油噴霧成功自燃的臨界著火溫度。

本文提出的柴油機最小壓縮比設計流程如圖1 所示。圖1中，為柴油機壓縮始點最低溫度；為啟噴轉速下發動機最低進氣溫度；為柴油機升速期(Ramp期)的最低進氣溫度，啟噴轉速下柴油機成功起動后，柴油機轉速逐漸升高至怠速轉速，此過程為柴油機的升速期；為殘余廢氣和新鮮充量混合后的最低溫度。首先，通過光學測試確定不同背景密度下柴油噴霧自燃的臨界著火溫度，以獲得臨界著火溫度隨噴霧背景密度的變化規律；其次，通過整機倒拖試驗獲得柴油機壓縮終了狀態隨轉速的變化關系，建立柴油機起動過程中的實際壓縮沖程修正公式；最后，結合光學診斷和整機臺架試驗，基于熱力學理論分析，建立柴油機最小壓縮比與環境溫度、海拔高度間的數學關系。

圖1 最小壓縮比設計流程Fig.1 Workflow for determining the minimum compression ratio

2 光學診斷測試

2.1 光學試驗方法

本文背景工質溫度控制系統由加熱瓦、調壓器和溫度傳感器組成，對容彈內部進行溫度控制，控制精度為0.1 K。由于加熱瓦布置在容彈內測試區域的下方，熱量由下向上傳遞，在測試區域的軸向和徑向上都會存在一定的溫度梯度，因此在研究燃油噴射過程之前，在噴油器下方軸向距離4 cm、7 cm、10 cm處取三個點1、2、3，徑向距離5 cm處取一個點布置溫度測點，來測試軸向和徑向的溫度梯度，測試結果如圖2所示。由圖2可以看出：噴嘴下方軸向方向100 cm的范圍內溫度比較一致，溫差在10 K以內；徑向方向5 cm處的溫差比較明顯，軸線處的溫度最高，比徑向處的溫度約高20 K。在測試燃油噴射過程時，為了避免溫度傳感器對被測對象產生干擾，只保留內壁處的測溫傳感器。

圖2 容彈內軸向和徑向的溫差特性Fig.2 Characteristic diagram of axial and radial temperatures in CVCC

在CVCC內獲取柴油噴霧不同背景密度下的臨界著火溫度。試驗用CVCC內部容積為15 L，內部可承受最高溫度為1 000 K，可承受最高壓力為6 MPa。在頂部中心位置安裝高壓共軌單孔電控噴油器。噴油器四周環繞冷卻水腔，冷卻液溫度可低至333 K。CVCC的4個方位上裝有直徑為100 mm的石英視窗，以便觀測記錄柴油著火燃燒特性。CVCC內充入壓縮空氣，內部溫度由底部加熱絲控制。使用易控單元控制高壓共軌噴油系統軌壓、噴油器啟噴時刻并同步觸發高速相機。

采用直拍法噴霧著火測試，裝置布置示意圖如圖3所示。高速相機型號為美國Vision Resesarch公司生產的Phantom V7.3，拍攝圖幅為256像素×512像素，拍攝頻率為20 000幀/s，相機曝光時間設置為20 μs。采用一定強度的背光，以清晰地記錄柴油噴霧及火焰發展。試驗中光源軸線和相機軸線垂直布置，以清晰記錄柴油噴霧發展過程和火焰演變過程。

圖3 光學試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the optical experiment setup

試驗工況如表1所示。CVCC內背景密度從9 kg/m增加到22.5 kg/m，間隔4.5 kg/m。背景溫度范圍為680～920 K。為防止噴霧著火位置超越視窗范圍，噴油壓力保持恒定為40 MPa。每個工況下進行5次重復試驗。本文試驗所使用的燃油為低溫環境中使用的-50號柴油，其理化特性如表2所示。

表1 試驗工況

表2 -50號柴油理化特性表

噴霧的自燃燃燒經歷低溫冷焰、藍焰和熱焰3個階段。冷焰溫度較低，自然發光強度極弱。冷焰階段形成的CHO通過藍焰反應生成CO，之后CO通過熱焰反應生成燃燒最終產物CO。因此，出現藍焰表明有相當一部分的燃油化學能被釋放出來。如圖4所示，將高速相機拍攝圖像的RGB值放大10倍，可清晰地觀測到噴霧火焰內的藍焰和黃焰分布。

圖4 直拍著火圖像數據處理Fig.4 Post-processing of the initial flame image

2.2 柴油噴霧的臨界著火溫度

表3為背景密度13.5 kg/m下不同背景溫度開始噴油后柴油噴霧的著火過程。由表3可以看出，當背景溫度為783 K時，噴霧液相相區下游、噴霧軸線附近首先出現了藍色火焰，且藍焰面積不斷增加。最后在藍色火焰核心位置處出現了碳煙熾光引起的

表3 不同背景溫度下噴霧自燃過程

黃色火焰。藍色火焰是噴霧頭部混合氣預混燃燒形成的。隨后，先期的預混燃燒造成噴霧核心形成了高溫缺氧區域，造成該區域內Soot的大量形成并發出黃色熾光。背景溫度720 K時，視窗內未見火焰。

背景溫度降低時(755～733 K)，噴霧滯燃期增長，藍色火焰在噴霧結束以后出現。由于沒有燃油的持續注入，噴霧滯燃期越長，噴霧內的燃油混合氣濃度就越低，高溫藍焰區形成Soot的概率就越小。因此，在環境溫度位于755 K和733 K之間時，噴霧結束后盡管可以形成預混藍色火焰，但是黃色火焰極其不穩定。當環境溫度進一步降低到720 K時，噴霧內混合氣濃度低于高溫著火的稀側邊界，視窗內未見火焰。

以能否出現藍焰為標準，得到不同密度下柴油噴霧的臨界著火溫度如圖5所示。由圖5可以看出，隨著環境密度的增加，柴油噴霧臨界著火溫度先快速降低后緩慢降低。以前的研究表明，盡管環境密度對噴霧形態影響很大，其并不通過影響物理混合過程影響噴霧的自燃。環境密度的改變并不改變燃料的低溫和高溫反應路徑。環境密度降低造成的化學反應速率變慢是低密度環境下噴霧自燃困難的主要原因。隨著背景密度的增加，CHO和CO等關鍵中間產物的凈生成速率加快，促進燃油自燃，臨界著火溫度降低。背景密度22.5 kg/m下臨界著火溫度為700 K左右。通過數據擬合，建立臨界著火溫度和背景密度間的擬合關系式如(1)式所示：

(1)

式中：為臨界著火溫度；為臨界著火密度。

圖5 柴油噴霧臨界著火溫度隨背景密度的變化Fig.5 Critical ignition temperature of diesel spray versus ambient density

3 整機倒拖試驗

3.1 倒拖試驗方法

圖6為多缸柴油機臺架試驗圖。柴油機的主要技術參數如表4所示。試驗過程中單體泵控制閥全開，保證運轉過程中噴油器不噴油。控制柴油機轉速分別為100～800 r/min，由電力測功機拖動發動機運轉，記錄柴油機第1缸缸壓。

圖6 柴油機倒拖試驗圖Fig.6 Motoring test diagram

表4 試驗柴油機主要技術參數

3.2 起動過程缸內壓縮終了狀態

由于低轉速下廢氣渦輪增壓器尚未介入且未開啟進氣預熱，可假設大氣環境狀態(，)等于缸內壓縮沖程始點狀態(，)。不同倒拖轉速下柴油機缸內壓縮終了壓力如圖7所示。圖7中，為柴油機壓縮比，為絕熱指數，=14。由圖7可以看出，隨著倒拖轉速的提高，柴油機缸內壓力先快速增加后緩慢增加，最后基本維持不變，表明缸內漏氣量隨轉速逐漸降低。

圖7 不同倒拖轉速下柴油機缸內壓縮終了壓力Fig.7 In-cylinder pressure at the end of the compression at different speeds of the diesel engine

通過數據擬合，得出柴油機冷起動過程中缸內實際壓縮終了狀態(，，)隨啟噴轉速、柴油機壓縮比和柴油機壓縮沖程始點狀態(，)間的關系式為

(2)

式中：為考慮漏氣及散熱后的能量損失系數，=1-368-05；為氣體常數，=287 J/(K·kg)。

4 熱力學分析

柴油機直接從外界大氣環境吸入新鮮空氣，空氣經過缸內壓縮沖程后溫度進一步提升至壓縮終了溫度。缸內的壓縮終了溫度會對燃料的燃燒過程造成非常大的影響。只有當缸內壓縮終了狀態達到柴油噴霧臨界著火條件(，，)時，柴油機才能正常起動。因此，根據噴霧臨界著火條件可以確定柴油機壓縮始點最低溫度。柴油機進氣過程如圖8所示。圖8中，進氣壓力等于壓縮始點缸內壓力，為吸入空氣質量，為最低進氣溫度，為壓縮始點吸入空氣質量。

圖8 柴油機進氣過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of the intake process of the diesel engine

在啟噴轉速下，缸內僅有新鮮空氣，此時的發動機最低進氣溫度為，且最低進氣溫度等于壓縮始點最低溫度(=)。在升速期，上一循環的高溫殘余廢氣的對下循環的新鮮充量具有一定的加熱作用。因此，柴油機Ramp期間對的要求有所降低。Ramp期壓縮始點最低溫度為殘余廢氣和新鮮充量混合后的最低溫度(=)。

首先,根據缸內噴霧臨界著火狀態(，，)計算柴油機壓縮始點最低溫度。根據(2)式，臨界缸內壓縮終了狀態(，)和壓縮始點最低溫度以及壓縮始點狀態間的關系為

(3)

聯立(1)式和(3)式，可得與、、以及間的關系為

(4)

(4)式為關于的一元四次方程。根據費拉里法求根公式，(4)式具有4個數值根。根據柴油機實際運行工況，隨著發動機轉速的增加，漏氣和傳熱相對時間縮短，隨轉速應該是逐漸降低的。據此，可以確定(4)式的唯一正確實根。

啟噴轉速下，=。Ramp期間需要考慮殘余廢氣計算柴油機的最低進氣溫度。起動過程中轉速低，柴油機一般在上止點后著火，而且預混比例高，以曲軸轉角計的燃燒持續期較短，缸內壓力快速升高，燃燒過程快速完成，加熱過程更接近定容加熱，因此可以假設Ramp期柴油噴霧的燃燒過程為定容加熱過程(奧托循環)，示功圖如圖9所示。將膨脹沖程線延長直至與進氣壓力線相交，等效于缸內氣體膨脹到了進氣壓力，可以獲得殘余廢氣溫度和密度(，)。壓縮始點吸入的新鮮空氣體積為，壓縮終點殘余廢氣體積為。

圖9 柴油機Ramp期間的理論循環示功圖Fig.9 p-V diagram of the theoretical cycle during the ramp stage

圖9中各點狀態如表5所示。表5中，和分別為定容增壓比和缸內氣體膨脹到時的等效膨脹比，、、分別為發動機各特征點的缸內壓強、溫度與密度。

表5 奧托循環特征點狀態

另外，假設空燃比為柴油理論空燃比143，燃油低熱值為，且燃油完全燃燒。循環噴油量和循環空氣量分別為和，混合氣體的定容比熱為。則循環放熱量為

=·=(+)(-)=
(143+1)(-1)-1

(5)

根據(5)式，可得定容增壓比為

(6)

殘余廢氣壓力、混合后壓縮始點壓力和相等：

(7)

根據(7)式，可得等效膨脹比為

(8)

根據表5，殘余廢氣密度和溫度分別為

(9)

的新鮮空氣質量和的殘余廢氣質量和分別為

=
=
+=(+)

(10)

假設的新鮮空氣和的殘余廢氣的混合是瞬間完成的，則混合過程為定壓絕熱過程，混合前后總內能不變：

+=(+)

(11)

式中：、和分別為殘余廢氣、新鮮空氣以及其混合氣的定容比熱，并假設它們相等。

根據(11)式，并將(9)和(10)代入，可得

(12)

當最小等于(4)式中的時，缸內壓縮終了狀態為柴油噴霧臨界著火狀態。此時的發動機進氣溫度即為Ramp期過程中的最低進氣溫度。因此為

(13)

因此，柴油機正常起動時所需的最低進氣溫度是關于發動機轉速的分段函數：啟噴轉速下沒有殘余廢氣作用，==；柴油機Ramp期過程中，=。

(14)

根據(4)式和(14)式，在固定進氣壓力(海拔高度)條件下，可以計算不同壓縮比柴油機起動過程中的最低進氣溫度；在固定進氣溫度下，可以計算不同壓縮比柴油機起動過程中的最低進氣壓力(最高海拔高度)。反之，可以根據柴油機運行環境條件確定柴油機的最小壓縮比。

5 結果與討論

5.1 不同環境溫度下柴油機起動所需的最小壓縮比

對于本文中柴油機，啟噴轉速為200 r/min、怠速轉速為800 r/min，取值為42 MJ/kg，取值1.4，取值0.782 J/(K·kg)。根據(4)式和(14)式,在平原環境下(=0.1 MPa)，不同環境溫度下柴油機起動過程中所需最小壓縮比如圖10所示。由圖10可以看出，隨著的增加，啟噴轉速和Ramp期對應的最低進氣溫度均降低。另外，由于殘余廢氣的加熱作用，啟噴轉速下需要的最低進氣溫度高于Ramp期間需要的最低進氣溫度。因此，當柴油機沒有進氣預熱系統時，其最小壓縮比滿足了啟噴轉速最低進氣溫度要求，也就滿足了Ramp期的最低進氣溫度要求。也就是說，無進氣預熱柴油機正常起動最小壓縮比的設計工況點為啟噴轉速工況。對于采用進氣預熱的柴油機，啟噴轉速及Ramp期均可使用進氣預熱提高進氣溫度保證缸內噴霧成功自燃，但是怠速工況下進氣預熱通常不工作。因此，采用進氣預熱的柴油機最小壓縮比的設計工況點為怠速工況。從圖10中還可以看出，對于無進氣預熱的柴油機，環境溫度為273 K時，柴油機能夠在200 r/min穩定起動的最小壓縮比為13.8；當環境溫度降低到238 K時，柴油機穩定起動所需的最小壓縮比增加到18。對于采用進氣預熱的柴油機，最小壓縮比的設計工況點為800 r/min怠速工況，當環境溫度為263 K時，柴油機穩定怠速所需的最小壓縮比為12，當環境溫度降低到210 K時，柴油機最小壓縮比需增加到18。

圖10 不同環境溫度下柴油機起動所需最小壓縮比Fig.10 Minimum compression ratios for starting at different ambient temperatures

5.2 不同海拔高度下柴油機起動所需的最小壓縮比

在高原環境中，大氣密度下降導致的進氣不足也會造成柴油噴霧自燃困難，柴油機難以正常起動。因此，根據臨界著火溫度確定不同海拔高度下柴油機正常起動時所需的最小壓縮比，具有重要的工程指導意義。海拔高度和大氣環境壓力間的關系如表6所示。

表6 不同海拔高度下的進氣壓力

柴油機起動過程中廢氣渦輪增壓器尚未介入，可以假設=。對于本文中柴油機，根據(4)式，固定為13.8，改變可獲得不同海拔高度下正常起動時，如圖11所示。由于臨界著火溫度隨環境密度降低先緩慢增加后快速增加(見圖5)，啟噴轉速和Ramp期間的均隨海拔高度增加也先緩慢增加后快速增加。

圖11 不同海拔高度下發動機正常起動最低進氣溫度隨轉速的變化Fig.11 Minimum intake temperature versus rotational speed at different altitudes

圖12 不同海拔高度下柴油機起動所需最小壓縮比Fig.12 Minimum compression ratios for starting at different altitudes

根據(4)式和(14)式,在263 K環境溫度下，不同海拔高度下柴油機起動所需最小壓縮比如圖12所示。從圖12中可以看出：1)對于無進氣預熱的柴油機，海拔高度為230 m時，柴油機能夠在200 r/min穩定起動的最小壓縮比為13.8；當海拔升高到 4 000 m時，柴油機最小壓縮比需增加到18.0。2)對于采用進氣預熱的柴油機，最小壓縮比的設計工況點為800 r/min怠速工況，海拔高度為500 m時，柴油機穩定怠速所需的最小壓縮比為12.0；當海拔升高到4 400 m時，柴油機最小壓縮比需增加到17.0。

柴油機在800 r/min工況下穩定怠速所需的最小壓縮比如圖13所示。由圖13可以看出，增加柴油機的壓縮比，能夠有效提高能夠穩定怠速的海拔高度，但是影響幅度逐漸減小。海拔較低時，壓縮比從12.0增加到13.0，海拔高度能夠增加1 940 m，海拔較高時，壓縮比從16.0增加到17.0，海拔高度僅增加530 m。

圖13 不同海拔高度下柴油機穩定怠速所需的最小壓縮比Fig.13 Minimum compression ratios for stable idling at different altitudes

6 結論

本文結合光學診斷和整機臺架試驗，基于熱力學理論，建立了柴油機最小壓縮比與環境溫度、海拔高度間的數學關系，提出了一種具有環境適應性的柴油機最小壓縮比設計方法。得出以下主要結論：

1)柴油噴霧著火時，噴霧頭部混合氣預混燃燒形成藍焰，隨后在預混燃燒形成的高溫缺氧區域形成碳煙并發出黃色熾光。柴油噴霧臨界著火溫度隨背景密度增加先快速降低再緩慢降低，最后穩定在703 K。

2)由于高轉速低漏氣和殘余廢氣加熱的雙重作用，相同的進氣溫度下，啟噴轉速下所需的最小壓縮比高于穩定怠速時所需的最小壓縮比。對于無進氣預熱柴油機，最小壓縮比設計工況點為啟噴轉速，以保證成功起動；對于采用進氣預熱的柴油機，最小壓縮比設計點為怠速，以保證進氣預熱關閉后能穩定運轉。

3)對于本文中的進氣預熱柴油機，0 m海拔高度下，環境溫度從263 K降低到210 K時，柴油機最小壓縮比需從12增加到18；環境溫度263 K時，海拔高度從500 m增加到4 400 m，柴油機最小壓縮比需從12增加到17。