摘要：以康明斯重型電控高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，利用高海拔環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展在不同海拔高度環(huán)境下柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)，對(duì)比不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)性能及燃燒差異，研究高原低溫環(huán)境對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同低溫環(huán)境下，隨海拔高度升高，柴油機(jī)起動(dòng)需要的循環(huán)數(shù)增加，起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)；高海拔環(huán)境下，柴油機(jī)起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)，缸內(nèi)未有明顯燃燒跡象，低溫起動(dòng)前期缸內(nèi)雙峰燃燒比例增加；隨著海拔高度升高，缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)逐步靠近壓縮上止點(diǎn)位置。本文中利用高海拔環(huán)境模擬倉(cāng)，開(kāi)展柴油機(jī)在不同海拔高度下低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)，結(jié)合燃燒放熱規(guī)律分析柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程缸內(nèi)燃燒變化規(guī)律。

一、研究啟動(dòng)性能的意義

      我國(guó)地域遼闊，高原山地面積占全國(guó)總面積的60%以上，高海拔地區(qū)冬季最冷時(shí)的溫度可達(dá)-41℃。高原地區(qū)具有空氣稀薄、氧氣含量少、環(huán)境溫度低等特點(diǎn)，且隨著海拔高度升高，大氣壓力和溫度呈現(xiàn)逐步降低趨勢(shì)。據(jù)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℃。由于揮發(fā)性差，柴油燃燒為缸內(nèi)自行壓燃，因此柴油機(jī)起動(dòng)階段燃燒受外部環(huán)境條件影響較大。當(dāng)柴油機(jī)在高原環(huán)境下起動(dòng)時(shí)，受大氣壓力及環(huán)境溫度影響，壓縮上止點(diǎn)附近缸內(nèi)溫度及混合氣形成條件均較差，導(dǎo)致混合氣形成狀況不及平原地區(qū)，柴油機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)著火不穩(wěn)甚至失火等現(xiàn)象。

      冷起動(dòng)性能是柴油機(jī)重要性能指標(biāo)之一，冷起動(dòng)性能不僅影響柴油機(jī)工作效率，還影響其使用壽命。受高原地區(qū)大氣環(huán)境影響，柴油機(jī)在高海拔、低溫環(huán)境下常存在起動(dòng)困難現(xiàn)象。在低海拔地區(qū)，柴油機(jī)不采取冷起動(dòng)輔助措施時(shí)，一般極限低溫起動(dòng)溫度為-10℃；但在海拔高度為4800 m地區(qū)、溫度為-5℃時(shí)，如果不帶輔助措施就無(wú)法順利起動(dòng)。因此，研究柴油機(jī)高原低溫起動(dòng)性能具有重要意義。

二、試驗(yàn)設(shè)備與方案

1、試驗(yàn)設(shè)備及樣機(jī)

      高原低溫起動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)由高海拔環(huán)境倉(cāng)系統(tǒng)、柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)組成，其中高海拔環(huán)境倉(cāng)系統(tǒng)由羅茨風(fēng)機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、排氣背壓，可用于模擬海拔高度為0~5000 m時(shí)的大氣壓力，并能進(jìn)行環(huán)境溫度調(diào)節(jié)控制，控制溫度為-35~20℃，精度≤±1℃。高海拔環(huán)境倉(cāng)見(jiàn)圖1。

      試驗(yàn)樣機(jī)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(jī)。

2、試驗(yàn)方案

      進(jìn)行0、2000、3500m 3個(gè)海拔高度下低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)，環(huán)境溫度均設(shè)為-15℃。起動(dòng)過(guò)程中采用奇石樂(lè)燃燒分析儀記錄缸內(nèi)燃燒壓力，缸壓信號(hào)反映柴油機(jī)燃燒狀況，可以充分反映缸內(nèi)壓縮、點(diǎn)火及燃燒放熱過(guò)程；在柴油機(jī)第6缸的缸蓋上安裝缸壓傳感器，將缸壓傳感器電信號(hào)傳輸?shù)饺紵治鰞x放大并轉(zhuǎn)化為缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，曲軸轉(zhuǎn)速傳感器將曲軸信號(hào)傳給曲軸轉(zhuǎn)角適配器，燃燒分析儀連接如圖2所示。水溫、機(jī)油溫度及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)電子控制單元(electronic control unit，ECU)采集，采樣頻率為10 Hz。

3、試驗(yàn)方法

      為便于對(duì)比不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)初期缸內(nèi)燃燒情況，試驗(yàn)時(shí)其他邊界條件不變，將環(huán)境倉(cāng)溫度設(shè)定為-15℃，采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)冷卻水，控制每次起動(dòng)時(shí)柴油機(jī)的水溫、機(jī)油溫度保持一致。通過(guò)調(diào)整環(huán)境倉(cāng)進(jìn)氣壓力和排氣背壓模擬不同海拔高度。一次起動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)束后，將環(huán)境倉(cāng)升至常溫、常壓環(huán)境，并將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500 r/min，熱車20 min，保證起動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中缸內(nèi)未完全燃燒的柴油充分燃燒。相鄰起動(dòng)試驗(yàn)相隔8 h，保證柴油機(jī)充分冷卻至相同溫度。

      起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)控制起動(dòng)電壓一致，以保證每次倒拖轉(zhuǎn)矩相同，采用電流鉗記錄起動(dòng)瞬間最大電流。起動(dòng)時(shí)同步記錄ECU起動(dòng)參數(shù)及燃燒分析儀參數(shù)，保證ECU記錄數(shù)據(jù)與燃燒分析儀參數(shù)的同步對(duì)齊。試驗(yàn)用燃油為-35"國(guó)六低溫柴油、機(jī)油牌號(hào)為Mobil5W-40，試驗(yàn)過(guò)程中采集氣缸壓力、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、水溫、機(jī)油溫度等參數(shù)。定義曲軸轉(zhuǎn)角為-360°~+360°為一個(gè)燃燒循環(huán)，包含進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣過(guò)程。通過(guò)ECU控制邏輯中自行判斷的起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志(當(dāng)ECU監(jiān)控到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到該溫度下對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，則判斷起動(dòng)結(jié)束)判斷柴油機(jī)是否起動(dòng)成功，即當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)成功后，怠速運(yùn)行相同時(shí)間。

三、高原低溫起動(dòng)過(guò)程分析

1、不同海拔高度下起動(dòng)性能對(duì)比

      環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，3個(gè)海拔高度下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示。由圖3可知：溫度為-15℃時(shí)，該機(jī)型在3個(gè)海拔高度均可以起動(dòng)成功，但不同海拔高度下的柴油機(jī)起動(dòng)性能存在差異；隨著海拔高度升高，起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志的循環(huán)數(shù)逐步增加，3個(gè)海拔高度下起動(dòng)結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)依次為67、73、78，循環(huán)數(shù)增大表明起動(dòng)時(shí)間增加。這是因?yàn)樵诘蜌鈮汉偷蜏仉p重因素共同影響下，柴油機(jī)起動(dòng)階段受進(jìn)氣質(zhì)量少、進(jìn)氣溫度低、燃油蒸發(fā)霧化質(zhì)量差、機(jī)油黏度增大等因素影響，起動(dòng)過(guò)程中柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速降低、氣缸壁與外界傳熱損失增大，起動(dòng)過(guò)程中壓縮終了溫度及缸內(nèi)壓力下降，燃燒滯燃期延長(zhǎng)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能。