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高海拔與平原柴油機(jī)燃燒差異分析及起動(dòng)性能對(duì)比
發(fā)布時(shí)間:2023-09-28 21:58:41  ▏閱讀:

 

新聞主題

高海拔與平原柴油機(jī)燃燒差異分析及起動(dòng)性能對(duì)比

 

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。

 

高海拔柴油機(jī)環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng).png

圖1  高海拔柴油機(jī)環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)

柴油機(jī)燃燒分析儀連接圖.png

圖2  柴油機(jī)燃燒分析儀連接圖

 

 

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。

      環(huán)境溫度為-15℃時(shí),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(shí),柴油機(jī)第一個(gè)燃燒循環(huán)最大缸壓為12.8 MPa;海拔高度為2000、3500 m時(shí),最大缸壓僅約為3.0 MPa,起動(dòng)開(kāi)始的前3個(gè)循環(huán),缸內(nèi)未有明顯燃燒跡象,且隨著海拔高度的升高,起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志前缸內(nèi)最大缸壓呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是因?yàn)楦咴貐^(qū)空氣稀薄,起動(dòng)過(guò)程中進(jìn)氣質(zhì)量少,導(dǎo)致缸內(nèi)可燃混合氣質(zhì)量少,燃油與氧分子碰撞機(jī)會(huì)少,使柴油機(jī)無(wú)法順利著火或產(chǎn)生間歇性失火,并且由于高海拔下含氧量相對(duì)較低,在相同噴油量基礎(chǔ)上也無(wú)法完全燃燒,造成起動(dòng)過(guò)程中缸內(nèi)平均有效壓力降低;隨著起動(dòng)階段循環(huán)數(shù)增加,平原及高原起動(dòng)過(guò)程中最大缸壓均超過(guò)20.0MPa,平原起動(dòng)過(guò)程中最大爆壓甚至達(dá)到25.0 MPa。這是因?yàn)槠饎?dòng)電控邏輯中有斜坡轉(zhuǎn)矩,即當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間超過(guò)標(biāo)定時(shí)間且起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志仍未變化時(shí),為增強(qiáng)起動(dòng)效果,需要增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,即向氣缸內(nèi)多噴油,隨著循環(huán)數(shù)的增加,缸內(nèi)形成了較易燃燒的環(huán)境,多噴的柴油會(huì)在缸內(nèi)突然燃燒,使起動(dòng)時(shí)的最高爆發(fā)壓力比全負(fù)荷時(shí)高。當(dāng)起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志發(fā)生跳變后,柴油機(jī)運(yùn)行在怠速工況,缸壓逐漸恢復(fù)到正常水平。

 

不同海拔高度下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線.png

圖3  不同海拔高度下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

不同海拔高度下柴油機(jī)最大缸壓變化曲線.png

圖4  不同海拔高度下柴油機(jī)最大缸壓變化曲線

 

2、高原與平原起動(dòng)過(guò)程燃燒差異性分析

      3個(gè)海拔高度下起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)缸壓的變化曲線如圖5所示。由圖5可知:低溫環(huán)境下,在平原地區(qū),柴油機(jī)起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)燃燒迅速,著火發(fā)生后缸內(nèi)做功能力良好,最大缸壓瞬間可達(dá)到12.8 MPa;而海拔高度為2000、3500m時(shí),起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)缸內(nèi)均未出現(xiàn)較為明顯的燃燒跡象,最大缸壓約為3.0 MPa。這是因?yàn)槠皆貐^(qū)進(jìn)氣量充足,且低溫下空氣密度較大,氣缸充量系數(shù)大,缸內(nèi)具備快速著火條件;在高海拔地區(qū),在起動(dòng)初期由于缸內(nèi)氣量少導(dǎo)致壓縮上止點(diǎn)溫度較低,延長(zhǎng)了燃燒滯燃期,無(wú)法快速形成著火氛圍,因此第一循環(huán)基本為純壓縮過(guò)程。

      為研究某海拔高度下的燃燒循環(huán)規(guī)律,選擇海拔高度為3500m的柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行燃燒分析,起動(dòng)前3個(gè)循環(huán)的缸壓變化曲線如圖6所示。由圖6可知:起動(dòng)前3個(gè)循環(huán)缸內(nèi)未有明顯燃燒跡象,在該海拔高度下,缸內(nèi)雙峰燃燒放熱規(guī)律較為明顯,第一個(gè)峰值為缸內(nèi)氣體壓縮峰值,第二個(gè)峰值為燃燒著火峰值;當(dāng)?shù)诙€(gè)峰值出現(xiàn)時(shí),對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為著火上止點(diǎn)后20°,此時(shí)活塞已處于下行狀態(tài),由于雙峰燃燒屬于不完全燃燒,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力不高,燃燒速率降低,且缸內(nèi)燃燒環(huán)境不佳,因此加速到相同的轉(zhuǎn)速需要更多的循環(huán),即起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng);起動(dòng)過(guò)程中隨循環(huán)數(shù)增加,缸內(nèi)壓力逐漸增大,經(jīng)多個(gè)燃燒循環(huán)后,最終缸內(nèi)著火。

 

不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)第一循環(huán)缸壓變化曲線.png

圖5  不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)第一循環(huán)缸壓變化曲線

3500米海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)前3個(gè)循環(huán)缸壓變化曲線.png

圖6  3500米海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)前3個(gè)循環(huán)缸壓變化曲線

 

      3個(gè)海拔高度下燃燒始點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角逐步靠近壓縮上止點(diǎn)位置,平原地區(qū)燃燒始點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角在壓縮上止點(diǎn)前4°;海拔高度為3500 m時(shí),燃燒始點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角在壓縮上止點(diǎn)前2°。這是因?yàn)楹0胃叨壬撸髿鈮毫ο陆?,?dǎo)致每循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣較平原相對(duì)較少,壓縮終點(diǎn)壓力降低,滯燃期增大,且由于缸內(nèi)混合氣密度減小,導(dǎo)致反應(yīng)物分子之間碰撞的機(jī)率減小,著火之前混合氣預(yù)反應(yīng)過(guò)程相應(yīng)延長(zhǎng),造成著火時(shí)間延遲,燃燒始點(diǎn)角隨海拔高度升高逐步向壓縮上止點(diǎn)靠近。

 

不同海拔高度下柴油機(jī)燃燒始點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線.png

圖7  不同海拔高度下柴油機(jī)燃燒始點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

 

四、結(jié)論

 

(1)相同低溫環(huán)境下,不同海拔高度對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能有明顯影響。隨海拔高度升高,起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志的循環(huán)數(shù)逐步增加,0、2000、3500 m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。

(2)高海拔高度環(huán)境下,柴油機(jī)在起動(dòng)前期,缸內(nèi)著火條件普遍較差,雙峰不完全燃燒現(xiàn)象較為明顯,不利于迅速起動(dòng)。

(3)隨海拔高度升高,燃燒始點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角逐步靠近壓縮上止點(diǎn)位置。

 


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