缸内减压装置对柴油机起动性能的影响分析

邓 玫 孙 鑫 于 洋

(上海柴油机股份有限公司，上海 200438)

0 前言

随着大型工程机械在国内的使用领域越来越广泛，地域的多变性对配套的柴油机性能要求也越来越高。低温、高原往往是大型机械频繁使用时所面临的严苛环境条件，这都使得柴油机的低温起动性能受到了各大柴油机厂商的重视。

本文介绍了1款配套大型工程机械的9 L柴油机，应用了1套缸内减压装置[1]，制定了针对使用缸内减压装置前后的起动性能试验方案，并进行了数据对比，分析了该缸内减压装置的优缺点。

1 装置介绍

1.1 原理

缸内减压装置会在柴油机停机前推进1个滑块到排气摇臂顶部，在柴油机下一次起动过程中使排气门一直处于打开状态。柴油机在压缩行程时活塞上行的压缩阻力减小，降低了倒拖柴油机所需的扭矩，因此起动电机可以把柴油机拖动到更高的转速。当曲轴转速达到起动转速时，减压装置退出，排气门可正常落座，柴油机成功起动。

1.2 装置简介

缸内减压装置安装在排气摇臂头部上方，挡板固定在缸盖上，挡板下方装有1个由双向电磁阀控制可左右移动的滑块。如图1所示，当滑块处于左边时，排气摇臂逆时针摆动不会受到干扰；当滑块处于右边时，可以阻止摇臂回位，此时排气门被顶开2 mm。

图1 减压装置与摇臂位置示意图

1.3 控制策略

在柴油机熄火前，电磁阀正向通电将滑块推至排气摇臂上方，排气摇臂无法正常回位，排气门一直保持开启状态；当发动机达到起动转速后，电磁铁反向通电将滑块吸回，排气门可以正常落座。

2 常温环境对柴油机冷起动的影响

在柴油机进入冷库测试冷起动性能前，需要了解常温时该减压装置可以使柴油机拖动转速提高多少，可以使拖动扭矩减少多少，制定了测试由蓄电池供电起动电机拖动柴油机可达到的稳定转速方案，以及由台架倒拖柴油机所需的最大扭矩方案。

2.1 起动电机拖动转速

由蓄电池供电起动电机拖动柴油机直到柴油机的转速稳定，在此过程中喷油器不进行喷油，对比安装减压装置与不安装减压装置的转速稳定值。如图2所示，不安装减压装置的稳定转速为185 r/min，且由于缸内压力未释放，存在20 r/min的转速波动；安装减压装置后的稳定转速为205 r/min，相对提升了10%。

图2 25 ℃(常温)时起动电机拖动柴油机的转速

2.2 柴油机起动扭矩

将柴油机放到可倒拖的电力测功机台架上，由台架倒拖柴油机进行起动试验，并监控整个起动过程中柴油机的功率变化情况。如图3所示，在不安装减压装置的情况下，在0.45 s时出现最大倒拖扭矩373 N·m，在安装减压装置的情况下，在0.40 s时出现最大倒拖扭矩254 N·m，倒拖扭矩下降了31%。

从常温试验可以看出，减压装置可以提升柴油机的拖动转速，并降低拖动扭矩。

图3 25 ℃(常温)时台架拖动柴油机的扭矩

3 低温环境对柴油机冷起动的影响

将试验用柴油机放入冷库台架，采用相同的电瓶、起动电机和发动机控制单元(ECU)进行数据标定，在安装与不安装缸内减压装置状态下，分别在25 ℃、-15 ℃、-30 ℃和-35 ℃的环境温度下，起动柴油机并监控柴油机的转速和电瓶的输出电流，并进行对比试验。

3.1 25 ℃时柴油机的起动状态

如图4所示，相对于不安装减压装置，安装了减压装置的发动机转速升高速度明显加快，但当摇臂挡块退出时转速会轻微下降14 r/min，紧接着起动成功，起动时间为4 s，比不安装减压装置的起动时间慢了1 s。减压机构退出前的最大电流为178 A，退出后的最大电流为218 A，退出后最大电流与无减压机构时相同。在整个起动过程中，减压机构的电瓶电压下降了2.6 V(由24.8 V降为22.2 V)。在无减压机构状态时，电瓶电压下降了3.0 V(由25.0 V降为22.0 V)。

图4 25 ℃时的柴油机起动情况

3.2 -15 ℃时柴油机的起动状态

如图5所示，在-15 ℃时，相对于不安装减压装置，安装减压装置后的发动机转速升高速度明显加快，但当摇臂挡块退出时转速会下降60 r/min，紧接着起动成功，起动时间为6 s，比不安装减压装置时的起动时间减少了1 s。减压机构退出前的最大电流为269 A，退出后的最大电流为370 A，退出后与无减压机构时的最大电流相当。在整个起动过程中，安装减压机构的电瓶电压下降了3.5 V(由26.0 V降为22.5 V)，不安装减压机构的电瓶电压下降了4.5 V(由24.5 V降为20.0 V)。

图5 -15 ℃时柴油机起动情况

3.3 -30 ℃时柴油机的起动状态

如图6所示，在-30 ℃时，安装了减压装置的发动机转速为137 r/min，不安装减压装置的发动机转速为93 r/min，转速明显升高，但起动时间比不安装减压装置时仍然稍长一些。减压机构退出前最大电流为337 A，退出后最大电流为228 A，而在无减压机构时最大电流为433 A。此时，不安装减压机构的发动机对电流的最大要求明显高于安装减压机构的。在整个起动过程中，有减压机构的电瓶电压下降了4.1 V(由22.6 V降为18.5 V)，无减压机构的电瓶电压下降了6.1 V(由23.8 V降为17.7 V)。

图6 -30 ℃时的柴油机起动情况

3.4 -35 ℃时柴油机的起动状态

如图7所示，安装减压装置后发动机的转速为114 r/min，明显高于不安装减压装置的。不安装减压机构的柴油机无法起动，而安装了减压机构的发动机于17 s时成功起动。安装减压机构的起动最大电流为474 A，而不安装减压机构的起动最大电流为576 A。在整个起动过程中，减压机构的电瓶电压下降了4.6 V(由25.6 V降为21.0 V)。

图7 -35 ℃时的柴油机起动情况

从以上数据分析可以得出，安装减压装置后的拖动转速都明显高于原机型。除了-35 ℃环境温度外，发动机的起动时间均长于原机型。发动机的起动电流峰值与原机型相同，而起动电流的平均值有所降低，且电瓶的损耗优于原机型。

4 烟度

在安装减压装置后，由于排气门开启了一定角度，减少了压缩行程的功耗。但在起动初期，缸内温度低于原机型，有更多未燃烧的燃油混合气排出，导致柴油机在起动时的烟度大于原机型。表1为在冷库外利用目测监控的烟度情况描述。

表1 目测观察的烟度情况记录

5 总结

通过本次试验，总结出安装缸内减压装置的优势为：(1)拖动转速高，起动扭矩小；(2)在-35 ℃环境温度下可以成功起动；(3)起动电流的峰值与原机型相同，起动电流平均值略有降低；(4)冷起动时对电瓶的损耗较小。安装缸内减压装置的劣势为：(1)起动时间延长；(2)排气烟度随着环境温度的降低呈上升趋势。

综上所述，该减压装置适合选配用于-30～-35 ℃的极寒地区用于无法成功起动的柴油机上。此外，此缸内减压装置是否可以提高柴油机在高原低温环境下的起动性能有待进一步验证。