不同海拔高度下柴油机低温起动性能试验研究

王霞，陈月春，李素婷，庞刚，杨亚然，庞鑫，杨凡

1.潍柴动力股份有限公司 发动机研究院，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力空气净化科技有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

我国地域辽阔，高原山地面积占全国总面积的60%以上，内蒙、新疆、西藏等高海拔地区冬季最冷时的温度可达-41 ℃[1-2]。高原地区具有空气稀薄、氧气含量少、环境温度低等特点，且随着海拔高度升高，大气压力和温度呈现逐步降低趋势。据气象资料显示：海拔高度每升高1000 m，大气压力降低10 kPa，气温下降0.65 ℃[3]。由于挥发性差，柴油燃烧为缸内自行压燃，因此柴油机起动阶段燃烧受外部环境条件影响较大。当柴油机在高原环境下起动时，受大气压力及环境温度影响，压缩上止点附近缸内温度及混合气形成条件均较差，导致混合气形成状况不及平原地区，柴油机在起动过程中会出现着火不稳甚至失火等现象[4-7]。冷起动性能是柴油机重要性能指标之一，冷起动性能不仅影响柴油机工作效率，还影响其使用寿命。受高原地区大气环境影响，柴油机在高海拔、低温环境下常存在起动困难现象。在低海拔地区，柴油机不采取冷起动辅助措施时，一般极限低温起动温度为-10 ℃；但在海拔高度为4800 m地区、温度为-5 ℃时，如果不带辅助措施就无法顺利起动[8-11]。因此，研究柴油机高原低温起动性能具有重要意义。

苏岩[12]研究了柴油机起动工况下完全燃烧与不完全燃烧的缸压变化曲线；敖良忠等[13]针对高原地区气压低、含氧量少等特点，对某型号柴油机开展了起动性能试验，得出了燃油雾化质量差以及富油燃烧是造成高原低温起动困难的重要原因；楼狄明等[14]从喷油策略角度出发，研究了不同喷油策略对高海拔下柴油机起动性能的影响，结果表明适当增大供油提前角和适当减少喷油均可以改善低压缩比柴油机高原起动性能；楼狄明等[15]从环境温度及海拔高度对柴油机转速、怠速等参数的影响规律出发，试验研究了升速期转速升高率的变化。本文中利用高海拔环境模拟仓，开展柴油机在不同海拔高度下低温起动性能试验，结合燃烧放热规律分析柴油机起动过程缸内燃烧变化规律。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备及样机

高原低温起动试验系统由高海拔环境仓系统、柴油机试验台架系统组成，其中高海拔环境仓系统由罗茨风机控制发动机进气压力、排气背压，可用于模拟海拔高度为0～5000 m时的大气压力，并能进行环境温度调节控制，控制温度为-35～20 ℃，精度≤±1 ℃。高海拔环境仓见图1。

图1 高海拔环境仓

试验样机为某重型直列六缸、直喷、四冲程、增压中冷、电控高压共轨柴油机，主要技术参数见表1。

表1 柴油机技术参数

1.2 试验方案

进行0、2000、3500 m 3个海拔高度下低温起动性能试验，环境温度均设为-15 ℃。起动过程中采用奇石乐燃烧分析仪记录缸内燃烧压力，缸压信号反映柴油机燃烧状况，可以充分反映缸内压缩、点火及燃烧放热过程；在柴油机第6缸的缸盖上安装缸压传感器，将缸压传感器电信号传输到燃烧分析仪放大并转化为缸内压力数据，曲轴转速传感器将曲轴信号传给曲轴转角适配器，燃烧分析仪连接如图2所示。水温、机油温度及柴油机转速信号通过电子控制单元(electronic control unit,ECU)采集，采样频率为10 Hz。

图2 燃烧分析仪连接图

1.3 试验方法

为便于对比不同海拔高度下柴油机起动初期缸内燃烧情况，试验时其他边界条件不变，将环境仓温度设定为-15 ℃，采用强制循环系统冷却水，控制每次起动时柴油机的水温、机油温度保持一致。通过调整环境仓进气压力和排气背压模拟不同海拔高度。一次起动性能试验结束后，将环境仓升至常温、常压环境，并将发动机转速设置为1500 r/min，热车20 min，保证起动试验过程中缸内未完全燃烧的柴油充分燃烧。相邻起动试验相隔8 h，保证柴油机充分冷却至相同温度。

起动试验时控制起动电压一致，以保证每次倒拖转矩相同，采用电流钳记录起动瞬间最大电流。起动时同步记录ECU起动参数及燃烧分析仪参数，保证ECU记录数据与燃烧分析仪参数的同步对齐。试验用燃油为-35#国六低温柴油、机油牌号为Mobil5W-40，试验过程中采集气缸压力、柴油机转速、进气温度、水温、机油温度等参数。定义曲轴转角为-360°～+360°为一个燃烧循环，包含进气、压缩、做功、排气过程。通过ECU控制逻辑中自行判断的起动结束标志(当ECU监控到发动机转速达到该温度下对应的发动机转速，则判断起动结束)判断柴油机是否起动成功，即当柴油机起动成功后，怠速运行相同时间。

2 高原低温起动过程分析

2.1 不同海拔高度下起动性能对比

环境温度为-15 ℃时，3个海拔高度下发动机转速变化曲线如图3所示。由图3可知：温度为-15 ℃时，该机型在3个海拔高度均可以起动成功，但不同海拔高度下的柴油机起动性能存在差

图3 不同海拔高度下发动机转速变化曲线

异；随着海拔高度升高，起动结束标志的循环数逐步增加，3个海拔高度下起动结束时对应的循环数依次为67、73、78，循环数增大表明起动时间增加。这是因为在低气压和低温双重因素共同影响下，柴油机起动阶段受进气质量少、进气温度低、燃油蒸发雾化质量差、机油黏度增大等因素影响，起动过程中柴油机拖动转速降低、气缸壁与外界传热损失增大，起动过程中压缩终了温度及缸内压力下降，燃烧滞燃期延长，影响发动机起动性能。

环境温度为-15 ℃时，不同海拔高度下缸压变化曲线如图4所示。由图4可知：海拔高度为0时，柴油机第一个燃烧循环最大缸压为12.8 MPa；海拔高度为2000、3500 m时，最大缸压仅约为3.0 MPa，起动开始的前3个循环，缸内未有明显燃烧迹象，且随着海拔高度的升高，起动结束标志前缸内最大缸压呈现降低趋势。这是因为高原地区空气稀薄，起动过程中进气质量少，导致缸内可燃混合气质量少，燃油与氧分子碰撞机会少，使柴油机无法顺利着火或产生间歇性失火，并且由于高海拔下含氧量相对较低，在相同喷油量基础上也无法完全燃烧，造成起动过程中缸内平均有效压力降低；随着起动阶段循环数增加，平原及高原起动过程中最大缸压均超过20.0 MPa，平原起动过程中最大爆压甚至达到25.0 MPa。这是因为起动电控逻辑中有斜坡转矩，即当柴油机起动时间超过标定时间且起动结束标志仍未变化时，为增强起动效果，需要增加起动转矩，即向气缸内多喷油，随着循环数的增加，缸内形成了较易燃烧的环境，多喷的柴油会在缸内突然燃烧，使起动时的最高爆发压力比全负荷时高。当起动结束标志发生跳变后，柴油机运行在怠速工况，缸压逐渐恢复到正常水平。

图4 不同海拔高度下最大缸压变化曲线

2.2 高原与平原起动过程燃烧差异性分析

3个海拔高度下起动第一个循环缸压的变化曲线如图5所示。由图5可知：低温环境下，在平原地区，柴油机起动第一个循环燃烧迅速，着火发生后缸内做功能力良好，最大缸压瞬间可达到12.8 MPa；而海拔高度为2000、3500 m时，起动第一个循环缸内均未出现较为明显的燃烧迹象，最大缸压约为3.0 MPa。这是因为平原地区进气量充足，且低温下空气密度较大，气缸充量系数大，缸内具备快速着火条件；在高海拔地区，在起动初期由于缸内气量少导致压缩上止点温度较低，延长了燃烧滞燃期，无法快速形成着火氛围，因此第一循环基本为纯压缩过程。

图5 不同海拔下起动第一循环缸压变化曲线 图6 海拔高度为3500 m时起动前3个循环缸压变化曲线

为研究某海拔高度下的燃烧循环规律，选择海拔高度为3500 m的柴油机起动过程进行燃烧分析，起动前3个循环的缸压变化曲线如图6所示。由图6可知：起动前3个循环缸内未有明显燃烧迹象，在该海拔高度下，缸内双峰燃烧放热规律较为明显，第一个峰值为缸内气体压缩峰值，第二个峰值为燃烧着火峰值；当第二个峰值出现时，对应的曲轴转角为着火上止点后20°，此时活塞已处于下行状态，由于双峰燃烧属于不完全燃烧，缸内最高爆发压力不高，燃烧速率降低，且缸内燃烧环境不佳，因此加速到相同的转速需要更多的循环，即起动时间更长；起动过程中随循环数增加，缸内压力逐渐增大，经多个燃烧循环后，最终缸内着火。

3个海拔高度下燃烧始点曲轴转角变化曲线如图7所示。由图7可知：随海拔高度升高，燃烧始点对应曲轴转角逐步靠近压缩上止点位置，平原地区燃烧始点对应曲轴转角在压缩上止点前4°；海拔高度为3500 m时，燃烧始点对应曲轴转角在压缩上止点前2°。这是因为海拔高度升高，大气压力下降，导致每循环进入气缸的空气较平原相对较少，压缩终点压力降低，滞燃期增大，且由于缸内混合气密度减小，导致反应物分子之间碰撞的机率减小，着火之前混合气预反应过程相应延长，造成着火时间延迟，燃烧始点角随海拔高度升高逐步向压缩上止点靠近。

图7 不同海拔下燃烧始点前曲轴转角变化曲线

3 结论

1)相同低温环境下，不同海拔高度对柴油机起动性能有明显影响。随海拔高度升高，起动结束标志的循环数逐步增加，0、2000、3500 m海拔高度下起动结束时对应的循环数依次为67、73、78。

2)高海拔高度环境下，柴油机在起动前期，缸内着火条件普遍较差，双峰不完全燃烧现象较为明显，不利于迅速起动。

3)随海拔高度升高，燃烧始点对应曲轴转角逐步靠近压缩上止点位置。