基于冷却液温度的柴油机不同海拔燃烧过程参数研究

周　磊　刘瑞林　欧阳光耀　刘　楠　杨春浩（-海军工程大学动力工程学院　湖北 武汉　400　-军事交通学院军用车辆系-军事交通学院研究生管理大队）

基于冷却液温度的柴油机不同海拔燃烧过程参数研究

周磊1，2刘瑞林2欧阳光耀1刘楠3杨春浩3
（1-海军工程大学动力工程学院湖北 武汉4300332-军事交通学院军用车辆系3-军事交通学院研究生管理大队）

设计了重型电控共轨柴油机高海拔（低气压）模拟试验系统，利用其开展了基于冷却液温度的柴油机不同海拔燃烧过程试验研究，分析了在不同海拔下冷却液温度对柴油机燃烧过程参数的影响。结果表明：同一冷却液温度下，随着海拔的升高，放热率峰值、缸内最高燃烧压力以及平均指示压力均下降，而缸内最高燃烧温度增加。海拔每升高1km，放热率峰值、缸内最高燃烧压力以及平均指示压力分别平均下降了10.1%、3.76%以及3.42%，缸内最高燃烧温度平均增加了4.31%。同一海拔下，随着冷却液温度的升高，放热率峰值下降，而缸内最高燃烧温度、最高燃烧压力以及平均指示压力均增加。冷却液温度每升高10℃，放热率峰值平均下降了5.62%，缸内最高燃烧温度、最高燃烧压力以及平均指示压力分别平均增加了5.38%、1.01%以及1.28%。

冷却液温度 重型电控共轨柴油机 不同海拔 燃烧过程参数

引言

我国拥有世界上海拔最高的高原区域［1-2］，其中海拔2 km以上的高原占国土面积的33%，3 km以上的占16%［3-4］。柴油机在高原使用时，由于大气压力和空气密度降低，进气量减少［5］等原因导致柴油机空燃比变小，混合气变浓，燃烧恶化［1，6-7］，后燃现象严重［8-9］，使柴油机的功率和扭矩下降［10-11］，燃油消耗率和热负荷增加［12-13］，严重影响了柴油机在高原地区的正常使用。

目前国内外针对不同海拔下柴油机燃烧过程参数的研究对象基本上都是自然吸气柴油机和涡轮增压柴油机，研究工况单一［4］，且以往研究冷却液温度对柴油机性能的影响时，大多从传热角度考虑［14-16］，较少考虑对缸内燃烧过程的影响。因此，本文利用自行设计的重型电控共轨柴油机高海拔（低气压）模拟试验系统，通过调节冷却液恒温装置将柴油机冷却液进口温度分别控制在50℃、60℃、70℃、80℃及90℃5个温度水平，进行柴油机不同海拔下（0 km、3 km以及5 km）基于冷却液温度的燃烧过程试验，分析在不同海拔下冷却液温度对柴油机燃烧过程参数的影响，为下一步高海拔环境条件下重型电控共轨柴油机燃烧系统的研发提供参考依据。

1　试验系统及方案

1.1试验系统

试验在自行设计的重型电控共轨柴油机高海拔（低气压）模拟试验系统上进行，该系统主要由进排气压力模拟系统、燃烧分析仪、冷却液恒温装置、空气恒温装置、数据采集箱、测功机、换热器以及温度、流量、压力传感器等组成，其原理如图1所示。该试验系统通过进气节流和排气抽真空的方式能够模拟海拔0 km到6 km的大气压力以及-41℃到常温下的大气温度［7］，数据采集箱可实时采集测功机、油耗仪和各种传感器的测量结果。通过选型、安装、调试温度控制系统和燃烧分析仪等，可以实现对冷却液温度、增压后进气温度的控制以及燃烧数据的采集，满足重型电控共轨柴油机的试验需求。试验用柴油机为WP13重型电控共轨柴油机，其主要技术参数如表1所示。

图1　重型电控共轨柴油机高海拔（低气压）模拟试验系统

表1　柴油机主要技术参数

1.2试验方案

在不同海拔（大气压力）下，进行基于冷却液温度的柴油机燃烧过程试验。试验过程中，柴油机工况和喷油参数（循环喷油量、喷油提前角、共轨压力等）均保持不变。通过调节冷却液恒温装置将柴油机冷却液进口温度分别控制在50℃、60℃、70℃、80℃、90℃ 5种温度水平，模拟海拔为0 m、3 000 m、5 000 m（各海拔对应的进排气压力见表2）。每测量一个工况点时，微调外部循环冷却液，当进、出水温差的波动范围不超过0.1℃/min，开始测量所需燃烧过程参数。

图2　不同海拔下放热率峰值随冷却液温度的变化情况

表2　不同海拔下进排气压力数值对应表

2　试验结果及分析

2.1不同海拔下冷却液温度对放热率峰值的影响

不同海拔下柴油机放热率峰值随冷却液温度的变化情况如图2所示。

由图可以看出，在同一冷却液温度下，放热率峰值随海拔的升高而下降，海拔每升高1 km，5个冷却液温度下放热率峰值平均下降了10.1%。这是由于海拔的升高使得进气充量减小、氧含量减小［17］，喷油脉宽缩短，形成的可燃混合气数量减少，进而造成了放热率峰值的下降。在同一海拔下，放热率峰值随冷却液温度的升高而下降，冷却液温度每升高10℃，3个海拔下放热率峰值平均下降了5.62%。这是由于冷却液温度升高后，着火滞燃期缩短，燃烧起始点提前，燃烧持续时间减小，缸内形成的可燃混合气的数量减少，从而造成了放热率峰值的下降。

2.2不同海拔下冷却液温度对缸内最高燃烧温度的影响

不同海拔下柴油机缸内最高燃烧温度随冷却液温度的变化情况如图3所示。

图3　不同海拔下缸内最高燃烧温度随冷却液温度的变化情况

由图可以看出，在同一冷却液温度下，缸内最高燃烧温度随海拔的升高而增加，海拔每升高1 km，5个冷却液温度下缸内最高燃烧温度平均增加了4.31%。这是由于随海拔的升高，预混合燃烧量增大，速燃阶段燃烧温度增加［18］，高温气体进一步加快了扩散燃烧阶段燃油蒸发和油气混合速度，进而促进了缸内最高燃烧温度的增加。在同一海拔下，缸内最高燃烧温度随冷却液温度的升高而增加，冷却液温度每升高10℃，3个海拔下缸内最高燃烧温度平均增加了5.38%。这是由于冷却液温度的升高使得气缸壁面与冷却液之间的温差减小，传热量减少，进而导致了缸内气体内能增大，缸内最高燃烧温度增加。

2.3不同海拔下冷却液温度对缸内燃烧压力的影响

不同海拔下柴油机缸内最高燃烧压力和平均指示压力随冷却液温度的变化情况如图4和5所示。

图4　不同海拔下缸内最高燃烧压力随冷却液温度的变化情况

图5　不同海拔下平均指示压力随冷却液温度的变化情况

由图可以看出，在同一冷却液温度下，缸内最高燃烧压力和平均指示压力随着海拔的升高均下降，海拔每升高1 km，5个冷却液温度下缸内最高燃烧压力和平均指示压力平均下降了3.76%和3.42%。这是由于随海拔的升高，环境压力下降，柴油机进气密度降低，进气充量减少［17］，造成空燃比减小，燃烧恶化，指示热效率降低，导致了缸内最高燃烧压力和平均指示压力的下降。在同一海拔下，缸内最高燃烧压力和平均指示压力随冷却液温度的升高均增加，冷却液温度每升高10℃，3个海拔下缸内最高燃烧压力和平均指示压力分别平均增加了1.01%和1.28%。这是由于冷却液温度的升高，一方面使得缸内油气混合变好，速燃期内燃烧速率加快，燃烧进行得更加完善；另一方面使得润滑油温度上升，流动性变好，导致机械损失相应减少，有效功率增加，故最终导致了缸内最高燃烧压力和平均指示压力的增加。

3　结论

1）设计了重型电控共轨柴油机高海拔（低气压）模拟试验系统，通过选型、安装、调试温度控制装置和燃烧分析仪等，实现了对重型电控共轨柴油机冷却液温度和增压后进气温度的控制以及燃烧数据的采集，满足了重型电控共轨柴油机的燃烧特性试验需求。

2）同一冷却液温度下，随着海拔的升高，放热率峰值、缸内最高燃烧压力以及平均指示压力均下降，而缸内最高燃烧温度增加。海拔每升高1 km，放热率峰值、缸内最高燃烧压力以及平均指示压力分别平均下降了10.1%、3.76%以及3.42%，缸内最高燃烧温度平均增加了4.31%。

3）同一海拔下，随着冷却液温度的升高，放热率峰值下降，而缸内最高燃烧温度、最高燃烧压力以及平均指示压力均增加。冷却液温度每升高10℃，放热率峰值平均下降了5.62%，缸内最高燃烧温度、最高燃烧压力以及平均指示压力分别平均增加了5.38%、1.01%以及1.28%。

1刘瑞林，周广猛，许翔，等.SOFIM电控共轨柴油机高海拔性能模拟［J］.燃烧科学与技术，2010，16（4）：303-308

2Masahiko M，Hideya F，Akira M，et al.Development of new electronically controlled fuel injection system ECD-U2 for diesel engines［C］.SAE Paper 910252

3Zhang H.Study of the control strategy of the plateau self adapted turbocharging system for diesel engine［C］.SAE Paper 2008-01-1636

4周广猛，刘瑞林，董素荣，等.高压共轨柴油机高海拔（低气压）燃烧特性［J］.内燃机学报，2012，30（3）：220-226

5刘瑞林．柴油机高原环境适应性研究［M］．北京：北京理工大学出版社，2013

6Chen Guisheng，Shen Yinggang，Lan Yang，et al．Study on performance of DI-diesel engine fueled with biodiesel at different altitudes［J］．Chin Int Combust Engine Eng，2009，30：16-20

7刘瑞林，刘宏威，秦德．涡轮增压柴油机高海拔（低气压）性能试验研究［J］．内燃机学报，2003，21（3）：193-196

8许翔，周广猛，郑智，等．高原环境对保障装备的影响及适应性研究［J］．装备环境工程，2010，7（5）：100-103

9Sodre J R，Soares S M C．Comparison of engine power correction factors for varying atmospheric conditions［J］．Environment of Science and Technology，2003，425（3）：279-285

10王宪成，郭猛超，张晶，等．高原环境重型车用柴油机热负荷性能分析［J］．内燃机工程，2012，33（1）：49-53

11Wang Xin，Ge Yunshan，Yu Linxiao，et al．Comparison of combustion characteristics and brake thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine fueled with diesel and biodiesel at high altitude［J］．Fuel，2013，107：852-858

12He Chao，Ge Yunshan，Ma Chaochen，et al．Emission characteristics of a heavy-duty diesel engine at simulated high altitudes［J］．Science of the Total Environment，2011，409（7）：3138-3143

13Wang Xin，Ge Yunshan，Yu Linxiao，et al．Effects of altitude on the thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine［J］．Energy 2013，58：543-548

14高思远，赵长禄，李云龙，等.冷却液温度对柴油机热功转换效率的影响［J］．农业机械学报，2012，43（3）：28-32

15Mahmoud K G，Loibner E，Wiesler B，et al．Simulation-based vehicle thermal management system-concept and methodology［C］．SAE Paper 2003-01-0276

16Pan Jinfeng，Roberto Nigro，Eduardo Matsuo．3-D modeling of heat transfer in diesel engine piston cooling galleries［C］．SAE Paper 2005-01-1644

17Yin Hang，Ge Yunshan，Wang Xin，et al．Idle emission characteristics of a light-duty diesel van at various altitudes［J］.Atmospheric Environment，2013，70：117-122

18Wang Xin，Ge Yunshan，Yu Linxiao．Combustion and emission characteristics of a heavy-duty diesel engine at idle at various altitudes［C］.SAE Paper 2013-01-1516

A Research of Diesel Engine Combustion Process Parameters Based on Coolant Temperature at Different Altitudes

Zhou Lei1，2，Liu Ruilin2，Ouyang Guangyao1，Liu Nan3，Yang Chunhao3
1-College of Power Engineering，Naval University of Engineering（Wuhan，Hubei，430033 China）
2-Department of Military Vehicle，Military Transportation University
3-Postgraduate Training Brigade，Military Transportation University

An experimental research of diesel engine combustion process based on coolant temperature at different altitudes was carried out via self-designed high altitude（low air pressure）simulation experimental system of heavy-duty common-rail diesel engine，and the effects of coolant temperature on the diesel engine combustion process parameters at different altitudes were analyzed.Results show that under the same coolant temperature，with the rises of altitude，the maximum of heat release rate，combustion pressure in cylinder and average indicated pressure decrease，while the maximum of combustion temperature in cylinder increases.With the altitude rising every 1 km，the maximum of heat release rate，combustion pressure in cylinder and average indicated pressure decrease 10.1%，3.76%and 3.42%respectively on average，the maximum of combustion temperature in cylinder increases 4.31%on average.Under the same altitude，with the rises of coolant temperature，the maximum of heat release rate decreases，while the maximum of combustion temperature and pressure in cylinder as well as the average indicated pressure increase.With the coolant temperature rising every 10℃，the maximum of heat release rate decreases 5.62%on average，the maximum of combustion temperature and pressure in cylinder as well as average indicated pressure increase 5.38%，1.01%and 1.28%respectively on average.

Coolant temperature，Heavy-duty common-rail diesel engine，Different altitudes，Combustion process parameters

TK421+.2

A

2095-8234（2016）01-0005-05

周磊（1991-），男，博士研究生，主要研究方向为动力机械及热力系统的设计、传真及优化。

2015-08-30）