具有环境适应性的柴油机最小压缩比设计方法

黎一锴， 彭靖， 史中杰， 檀丽宏， 李耀宗

(1.北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081； 2.中国北方发动机研究所， 天津 300400)

0 引言

柴油机作为一款动力性强、可靠性高、经济性好的动力装置，被普遍应用于交通运输、农业机械和军事装备等领域。压缩比是柴油机的重要设计参数，对柴油机经济性、动力性、起动性、可靠性以及排放性均有重大影响。减小压缩比，虽然理论热效率有所降低，但是通过提高增压比可增加进气充量，进而提高发动机功率密度。另外，降低柴油机压缩比可以有效抑制NO排放。低压缩比高增压是新型低排放柴油机的发展趋势。

柴油机压缩比不可能无限降低。一般而言，柴油机的最小压缩比是由其低温或高原冷起动性能决定的。对于陆军国防装备，极端条件下动力装备的冷起动问题严重影响我国的边防安全，尤其是西南高原边境安全。Laget等和Pacaud等的研究表明，压缩比低至13.7的高压共轨柴油机仍可在 248 K 平原环境下成功起动。Macmillan在248 K环境下对比研究了压缩比对柴油机燃烧过程的影响，结果表明降低压缩比导致柴油机平均有效压力的稳定性降低。楼狄明等和Kan等研究表明，海拔高度的上升导致低压缩比(14.25)柴油机起动性能恶化。以上研究仅考虑了固定压缩比柴油机在特定环境下的冷起动性能，而不同环境温度、海拔高度下柴油机的最小压缩比仍难以确定。

本文结合光学诊断和整机台架试验，基于热力学理论，建立柴油机最小压缩比与环境温度、海拔高度间的数学关系，提出一种具有环境适应性的柴油机最小压缩比设计方法。

1 设计流程

柴油机冷机起动时，缸内环境密度和温度均较低，着火滞燃期增加，柴油喷雾会出现部分自燃或完全不自燃等临界现象。最小压缩比应保证起动过程中柴油机的缸内压缩终了温度高于柴油喷雾的临界着火温度。确定柴油机起动过程中的缸内压缩终了温度和柴油喷雾的临界着火温度是设计最小压缩比的基础。柴油机冷起动时，由于转速低、冷态间隙大等原因，缸内漏气量和散热量均较高。采用绝热压缩理论公式计算缸内压缩终了温度导致的误差较大。因此，需要基于整机倒拖试验建立起动过程不同转速下柴油机的实际压缩冲程计算公式。至于柴油喷雾的临界着火温度，可以在定容燃烧装置(CVCC)内改变背景条件，通过光学测试获得不同背景密度下保证柴油喷雾成功自燃的临界着火温度。

本文提出的柴油机最小压缩比设计流程如图1 所示。图1中，为柴油机压缩始点最低温度；为启喷转速下发动机最低进气温度；为柴油机升速期(Ramp期)的最低进气温度，启喷转速下柴油机成功起动后，柴油机转速逐渐升高至怠速转速，此过程为柴油机的升速期；为残余废气和新鲜充量混合后的最低温度。首先，通过光学测试确定不同背景密度下柴油喷雾自燃的临界着火温度，以获得临界着火温度随喷雾背景密度的变化规律；其次，通过整机倒拖试验获得柴油机压缩终了状态随转速的变化关系，建立柴油机起动过程中的实际压缩冲程修正公式；最后，结合光学诊断和整机台架试验，基于热力学理论分析，建立柴油机最小压缩比与环境温度、海拔高度间的数学关系。

图1 最小压缩比设计流程Fig.1 Workflow for determining the minimum compression ratio

2 光学诊断测试

2.1 光学试验方法

本文背景工质温度控制系统由加热瓦、调压器和温度传感器组成，对容弹内部进行温度控制，控制精度为0.1 K。由于加热瓦布置在容弹内测试区域的下方，热量由下向上传递，在测试区域的轴向和径向上都会存在一定的温度梯度，因此在研究燃油喷射过程之前，在喷油器下方轴向距离4 cm、7 cm、10 cm处取三个点1、2、3，径向距离5 cm处取一个点布置温度测点，来测试轴向和径向的温度梯度，测试结果如图2所示。由图2可以看出：喷嘴下方轴向方向100 cm的范围内温度比较一致，温差在10 K以内；径向方向5 cm处的温差比较明显，轴线处的温度最高，比径向处的温度约高20 K。在测试燃油喷射过程时，为了避免温度传感器对被测对象产生干扰，只保留内壁处的测温传感器。

图2 容弹内轴向和径向的温差特性Fig.2 Characteristic diagram of axial and radial temperatures in CVCC

在CVCC内获取柴油喷雾不同背景密度下的临界着火温度。试验用CVCC内部容积为15 L，内部可承受最高温度为1 000 K，可承受最高压力为6 MPa。在顶部中心位置安装高压共轨单孔电控喷油器。喷油器四周环绕冷却水腔，冷却液温度可低至333 K。CVCC的4个方位上装有直径为100 mm的石英视窗，以便观测记录柴油着火燃烧特性。CVCC内充入压缩空气，内部温度由底部加热丝控制。使用易控单元控制高压共轨喷油系统轨压、喷油器启喷时刻并同步触发高速相机。

采用直拍法喷雾着火测试，装置布置示意图如图3所示。高速相机型号为美国Vision Resesarch公司生产的Phantom V7.3，拍摄图幅为256像素×512像素，拍摄频率为20 000帧/s，相机曝光时间设置为20 μs。采用一定强度的背光，以清晰地记录柴油喷雾及火焰发展。试验中光源轴线和相机轴线垂直布置，以清晰记录柴油喷雾发展过程和火焰演变过程。

图3 光学试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the optical experiment setup

试验工况如表1所示。CVCC内背景密度从9 kg/m增加到22.5 kg/m，间隔4.5 kg/m。背景温度范围为680～920 K。为防止喷雾着火位置超越视窗范围，喷油压力保持恒定为40 MPa。每个工况下进行5次重复试验。本文试验所使用的燃油为低温环境中使用的-50号柴油，其理化特性如表2所示。

表1 试验工况

表2 -50号柴油理化特性表

喷雾的自燃燃烧经历低温冷焰、蓝焰和热焰3个阶段。冷焰温度较低，自然发光强度极弱。冷焰阶段形成的CHO通过蓝焰反应生成CO，之后CO通过热焰反应生成燃烧最终产物CO。因此，出现蓝焰表明有相当一部分的燃油化学能被释放出来。如图4所示，将高速相机拍摄图像的RGB值放大10倍，可清晰地观测到喷雾火焰内的蓝焰和黄焰分布。

图4 直拍着火图像数据处理Fig.4 Post-processing of the initial flame image

2.2 柴油喷雾的临界着火温度

表3为背景密度13.5 kg/m下不同背景温度开始喷油后柴油喷雾的着火过程。由表3可以看出，当背景温度为783 K时，喷雾液相相区下游、喷雾轴线附近首先出现了蓝色火焰，且蓝焰面积不断增加。最后在蓝色火焰核心位置处出现了碳烟炽光引起的

表3 不同背景温度下喷雾自燃过程

黄色火焰。蓝色火焰是喷雾头部混合气预混燃烧形成的。随后，先期的预混燃烧造成喷雾核心形成了高温缺氧区域，造成该区域内Soot的大量形成并发出黄色炽光。背景温度720 K时，视窗内未见火焰。

背景温度降低时(755～733 K)，喷雾滞燃期增长，蓝色火焰在喷雾结束以后出现。由于没有燃油的持续注入，喷雾滞燃期越长，喷雾内的燃油混合气浓度就越低，高温蓝焰区形成Soot的概率就越小。因此，在环境温度位于755 K和733 K之间时，喷雾结束后尽管可以形成预混蓝色火焰，但是黄色火焰极其不稳定。当环境温度进一步降低到720 K时，喷雾内混合气浓度低于高温着火的稀侧边界，视窗内未见火焰。

以能否出现蓝焰为标准，得到不同密度下柴油喷雾的临界着火温度如图5所示。由图5可以看出，随着环境密度的增加，柴油喷雾临界着火温度先快速降低后缓慢降低。以前的研究表明，尽管环境密度对喷雾形态影响很大，其并不通过影响物理混合过程影响喷雾的自燃。环境密度的改变并不改变燃料的低温和高温反应路径。环境密度降低造成的化学反应速率变慢是低密度环境下喷雾自燃困难的主要原因。随着背景密度的增加，CHO和CO等关键中间产物的净生成速率加快，促进燃油自燃，临界着火温度降低。背景密度22.5 kg/m下临界着火温度为700 K左右。通过数据拟合，建立临界着火温度和背景密度间的拟合关系式如(1)式所示：

(1)

式中：为临界着火温度；为临界着火密度。

图5 柴油喷雾临界着火温度随背景密度的变化Fig.5 Critical ignition temperature of diesel spray versus ambient density

3 整机倒拖试验

3.1 倒拖试验方法

图6为多缸柴油机台架试验图。柴油机的主要技术参数如表4所示。试验过程中单体泵控制阀全开，保证运转过程中喷油器不喷油。控制柴油机转速分别为100～800 r/min，由电力测功机拖动发动机运转，记录柴油机第1缸缸压。

图6 柴油机倒拖试验图Fig.6 Motoring test diagram

表4 试验柴油机主要技术参数

3.2 起动过程缸内压缩终了状态

由于低转速下废气涡轮增压器尚未介入且未开启进气预热，可假设大气环境状态(，)等于缸内压缩冲程始点状态(，)。不同倒拖转速下柴油机缸内压缩终了压力如图7所示。图7中，为柴油机压缩比，为绝热指数，=14。由图7可以看出，随着倒拖转速的提高，柴油机缸内压力先快速增加后缓慢增加，最后基本维持不变，表明缸内漏气量随转速逐渐降低。

图7 不同倒拖转速下柴油机缸内压缩终了压力Fig.7 In-cylinder pressure at the end of the compression at different speeds of the diesel engine

通过数据拟合，得出柴油机冷起动过程中缸内实际压缩终了状态(，，)随启喷转速、柴油机压缩比和柴油机压缩冲程始点状态(，)间的关系式为

(2)

式中：为考虑漏气及散热后的能量损失系数，=1-368-05；为气体常数，=287 J/(K·kg)。

4 热力学分析

柴油机直接从外界大气环境吸入新鲜空气，空气经过缸内压缩冲程后温度进一步提升至压缩终了温度。缸内的压缩终了温度会对燃料的燃烧过程造成非常大的影响。只有当缸内压缩终了状态达到柴油喷雾临界着火条件(，，)时，柴油机才能正常起动。因此，根据喷雾临界着火条件可以确定柴油机压缩始点最低温度。柴油机进气过程如图8所示。图8中，进气压力等于压缩始点缸内压力，为吸入空气质量，为最低进气温度，为压缩始点吸入空气质量。

图8 柴油机进气过程示意图Fig.8 Schematic diagram of the intake process of the diesel engine

在启喷转速下，缸内仅有新鲜空气，此时的发动机最低进气温度为，且最低进气温度等于压缩始点最低温度(=)。在升速期，上一循环的高温残余废气的对下循环的新鲜充量具有一定的加热作用。因此，柴油机Ramp期间对的要求有所降低。Ramp期压缩始点最低温度为残余废气和新鲜充量混合后的最低温度(=)。

首先,根据缸内喷雾临界着火状态(，，)计算柴油机压缩始点最低温度。根据(2)式，临界缸内压缩终了状态(，)和压缩始点最低温度以及压缩始点状态间的关系为

(3)

联立(1)式和(3)式，可得与、、以及间的关系为

(4)

(4)式为关于的一元四次方程。根据费拉里法求根公式，(4)式具有4个数值根。根据柴油机实际运行工况，随着发动机转速的增加，漏气和传热相对时间缩短，随转速应该是逐渐降低的。据此，可以确定(4)式的唯一正确实根。

启喷转速下，=。Ramp期间需要考虑残余废气计算柴油机的最低进气温度。起动过程中转速低，柴油机一般在上止点后着火，而且预混比例高，以曲轴转角计的燃烧持续期较短，缸内压力快速升高，燃烧过程快速完成，加热过程更接近定容加热，因此可以假设Ramp期柴油喷雾的燃烧过程为定容加热过程(奥托循环)，示功图如图9所示。将膨胀冲程线延长直至与进气压力线相交，等效于缸内气体膨胀到了进气压力，可以获得残余废气温度和密度(，)。压缩始点吸入的新鲜空气体积为，压缩终点残余废气体积为。

图9 柴油机Ramp期间的理论循环示功图Fig.9 p-V diagram of the theoretical cycle during the ramp stage

图9中各点状态如表5所示。表5中，和分别为定容增压比和缸内气体膨胀到时的等效膨胀比，、、分别为发动机各特征点的缸内压强、温度与密度。

表5 奥托循环特征点状态

另外，假设空燃比为柴油理论空燃比143，燃油低热值为，且燃油完全燃烧。循环喷油量和循环空气量分别为和，混合气体的定容比热为。则循环放热量为

=·=(+)(-)=
(143+1)(-1)-1

(5)

根据(5)式，可得定容增压比为

(6)

残余废气压力、混合后压缩始点压力和相等：

(7)

根据(7)式，可得等效膨胀比为

(8)

根据表5，残余废气密度和温度分别为

(9)

的新鲜空气质量和的残余废气质量和分别为

=
=
+=(+)

(10)

假设的新鲜空气和的残余废气的混合是瞬间完成的，则混合过程为定压绝热过程，混合前后总内能不变：

+=(+)

(11)

式中：、和分别为残余废气、新鲜空气以及其混合气的定容比热，并假设它们相等。

根据(11)式，并将(9)和(10)代入，可得

(12)

当最小等于(4)式中的时，缸内压缩终了状态为柴油喷雾临界着火状态。此时的发动机进气温度即为Ramp期过程中的最低进气温度。因此为

(13)

因此，柴油机正常起动时所需的最低进气温度是关于发动机转速的分段函数：启喷转速下没有残余废气作用，==；柴油机Ramp期过程中，=。

(14)

根据(4)式和(14)式，在固定进气压力(海拔高度)条件下，可以计算不同压缩比柴油机起动过程中的最低进气温度；在固定进气温度下，可以计算不同压缩比柴油机起动过程中的最低进气压力(最高海拔高度)。反之，可以根据柴油机运行环境条件确定柴油机的最小压缩比。

5 结果与讨论

5.1 不同环境温度下柴油机起动所需的最小压缩比

对于本文中柴油机，启喷转速为200 r/min、怠速转速为800 r/min，取值为42 MJ/kg，取值1.4，取值0.782 J/(K·kg)。根据(4)式和(14)式,在平原环境下(=0.1 MPa)，不同环境温度下柴油机起动过程中所需最小压缩比如图10所示。由图10可以看出，随着的增加，启喷转速和Ramp期对应的最低进气温度均降低。另外，由于残余废气的加热作用，启喷转速下需要的最低进气温度高于Ramp期间需要的最低进气温度。因此，当柴油机没有进气预热系统时，其最小压缩比满足了启喷转速最低进气温度要求，也就满足了Ramp期的最低进气温度要求。也就是说，无进气预热柴油机正常起动最小压缩比的设计工况点为启喷转速工况。对于采用进气预热的柴油机，启喷转速及Ramp期均可使用进气预热提高进气温度保证缸内喷雾成功自燃，但是怠速工况下进气预热通常不工作。因此，采用进气预热的柴油机最小压缩比的设计工况点为怠速工况。从图10中还可以看出，对于无进气预热的柴油机，环境温度为273 K时，柴油机能够在200 r/min稳定起动的最小压缩比为13.8；当环境温度降低到238 K时，柴油机稳定起动所需的最小压缩比增加到18。对于采用进气预热的柴油机，最小压缩比的设计工况点为800 r/min怠速工况，当环境温度为263 K时，柴油机稳定怠速所需的最小压缩比为12，当环境温度降低到210 K时，柴油机最小压缩比需增加到18。

图10 不同环境温度下柴油机起动所需最小压缩比Fig.10 Minimum compression ratios for starting at different ambient temperatures

5.2 不同海拔高度下柴油机起动所需的最小压缩比

在高原环境中，大气密度下降导致的进气不足也会造成柴油喷雾自燃困难，柴油机难以正常起动。因此，根据临界着火温度确定不同海拔高度下柴油机正常起动时所需的最小压缩比，具有重要的工程指导意义。海拔高度和大气环境压力间的关系如表6所示。

表6 不同海拔高度下的进气压力

柴油机起动过程中废气涡轮增压器尚未介入，可以假设=。对于本文中柴油机，根据(4)式，固定为13.8，改变可获得不同海拔高度下正常起动时，如图11所示。由于临界着火温度随环境密度降低先缓慢增加后快速增加(见图5)，启喷转速和Ramp期间的均随海拔高度增加也先缓慢增加后快速增加。

图11 不同海拔高度下发动机正常起动最低进气温度随转速的变化Fig.11 Minimum intake temperature versus rotational speed at different altitudes

图12 不同海拔高度下柴油机起动所需最小压缩比Fig.12 Minimum compression ratios for starting at different altitudes

根据(4)式和(14)式,在263 K环境温度下，不同海拔高度下柴油机起动所需最小压缩比如图12所示。从图12中可以看出：1)对于无进气预热的柴油机，海拔高度为230 m时，柴油机能够在200 r/min稳定起动的最小压缩比为13.8；当海拔升高到 4 000 m时，柴油机最小压缩比需增加到18.0。2)对于采用进气预热的柴油机，最小压缩比的设计工况点为800 r/min怠速工况，海拔高度为500 m时，柴油机稳定怠速所需的最小压缩比为12.0；当海拔升高到4 400 m时，柴油机最小压缩比需增加到17.0。

柴油机在800 r/min工况下稳定怠速所需的最小压缩比如图13所示。由图13可以看出，增加柴油机的压缩比，能够有效提高能够稳定怠速的海拔高度，但是影响幅度逐渐减小。海拔较低时，压缩比从12.0增加到13.0，海拔高度能够增加1 940 m，海拔较高时，压缩比从16.0增加到17.0，海拔高度仅增加530 m。

图13 不同海拔高度下柴油机稳定怠速所需的最小压缩比Fig.13 Minimum compression ratios for stable idling at different altitudes

6 结论

本文结合光学诊断和整机台架试验，基于热力学理论，建立了柴油机最小压缩比与环境温度、海拔高度间的数学关系，提出了一种具有环境适应性的柴油机最小压缩比设计方法。得出以下主要结论：

1)柴油喷雾着火时，喷雾头部混合气预混燃烧形成蓝焰，随后在预混燃烧形成的高温缺氧区域形成碳烟并发出黄色炽光。柴油喷雾临界着火温度随背景密度增加先快速降低再缓慢降低，最后稳定在703 K。

2)由于高转速低漏气和残余废气加热的双重作用，相同的进气温度下，启喷转速下所需的最小压缩比高于稳定怠速时所需的最小压缩比。对于无进气预热柴油机，最小压缩比设计工况点为启喷转速，以保证成功起动；对于采用进气预热的柴油机，最小压缩比设计点为怠速，以保证进气预热关闭后能稳定运转。

3)对于本文中的进气预热柴油机，0 m海拔高度下，环境温度从263 K降低到210 K时，柴油机最小压缩比需从12增加到18；环境温度263 K时，海拔高度从500 m增加到4 400 m，柴油机最小压缩比需从12增加到17。