高海拔与平原柴油机燃烧差别解析及启动性能对比

导读：以cummins重型电控高压共轨柴油机为探求对象，利用高海拔环境模拟试验台，开展在不同海拔高度环境下柴油机低温启动性能试验，对比不一样海拔高度下柴油机启动性能及燃烧区别，探求高原低温环境对柴油机起动性能的危害。试验结果表明：相同低温环境下，随海拔高度升高，柴油机启动需要的循环数增加，启动时间变长；高海拔环境下，柴油机启动第一个循环，缸内未有明显燃烧迹象，低温启动前期缸内双峰燃烧比例增加；随着海拔高度升高，缸内燃烧始点逐步靠近压缩上止点位置。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，结合燃烧放热规律剖析柴油机启动程序缸内燃烧变化规律。

      我国地域辽阔，高原山地面积占全国总面积的60%以上，高海拔地区严冬较冷时的温度可达-41℃。高原地区具有空气稀薄、氧气含量少、环境温度低等特征康明斯发电机中国官网，且随着海拔高度升高，大气压力和温度呈现逐步减轻趋势。据气象资料显示：海拔高度每升高1000 m，大气压力减小10 kPa，气温下降0.65℃。因为挥发性差，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要素危害较大。当柴油机在高原环境下起动时，受大气压力及环境温度危害，压缩上止点附近缸内温度及混合气形成条件均较差，导致混合气形成情况不及平原地区，柴油机在起动步骤中会产生着火不稳甚至失火等现象。

      冷起动性能是柴油机必要性能指标之一，冷起动性能不仅影响柴油机作业效率，还危害其使用年限。受高原地区大气环境影响，柴油机在高海拔、低温环境下常存在不能着火情形。在低海拔地区，柴油机不采用冷启动辅助手段时，通常极限低温启动温度为-10℃；但在海拔高度为4800 m地区、温度为-5℃时，如果不带辅助途径就无法顺利起动。因此，讨论柴油机高原低温启动性能具有重要意义。

      高原低温启动试验装置由高海拔环境仓系统柴油发电机警示标牌、柴油机试验台架机构构造，其中高海拔环境仓装置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。

      试验样机为某重型直列六缸、直喷、四冲程、增压中冷、电喷高压共轨柴油机。

      进行0、2000、3500m 3个海拔高度下低温启动性能试验，环境温度均设为-15℃。启动程序中选用奇石乐燃烧剖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、点火及燃烧放热程序；在柴油机第6缸的缸盖上安装缸压探头，将缸压探头电信号传输到燃烧剖析仪放大并转化为缸内压力参数，主轴速度探头将曲轴信号传给曲轴转角适配器，燃烧剖析仪连接如图2所示。水温、机油温度及柴油机速度信号通过电子控制单元(electronic control unit，ECU)采集，采样频率为10 Hz。

      为便于对比不同海拔高度下柴油机起动初期缸内燃烧状况，试验时其他边界因素不变，将环境仓温度设定为-15℃，选取强制循环机构防冻液，控制每次起动时柴油机的水温、机油温度保持一致。通过调节环境仓进气压力和排烟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，并将发动机速度设置为1500 r/min，热车20 min，保证启动试验程序中缸内未完全燃烧的柴油充分燃烧。相邻启动试验相隔8 h，保证柴油机充分冷却至相同温度。

      启动试验时控制起动电压一致，以保证每次倒拖转矩相同，选取电流钳记录启动瞬态较电网流。起动时同步记录ECM起动参数及燃烧解析仪数据，保证ECM记录参数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，试验流程中采集气缸压力、柴油机速度、进气温度、水温、机油温度等参数。定义主轴转角为-360°~+360°为一个燃烧循环，包含进气、压缩、做功、排烟过程。通过ECU控制逻辑中自行判定的启动结束标志(当ECU监控到发动机转速达到该温度下对应的发动机速度，则判断启动结束)判定柴油机是否启动成功，即当柴油机启动成功后，怠速运转相同时间。

      环境温度为-15℃时，3个海拔高度下发动机速度变化曲线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异；随着海拔高度升高，启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。这是由于在低气压和低温双重要素共同影响下，柴油机启动阶段受进气品质少、进气温度低、燃油蒸发雾化质量差、机油黏度增大等条件危害，起动流程中柴油机拖动速度减轻、汽缸壁与外界传热损失增大，启动过程中压缩终了温度及缸内压力下降，燃烧滞燃期增长，影响发动机起动性能。

      环境温度为-15℃时，不一样海拔高度下缸压变化曲线时，柴油机第一个燃烧循环较大缸压为12.8 MPa；海拔高度为2000、3500 m时，较大缸压仅约为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较大缸压呈现减少趋势。这是由于高原地区空气稀薄，启动步骤中进气品质少，导致缸内可燃混合气质量少，燃油与氧分子碰撞机会少，使柴油机不能顺利着火或发生间歇性失火，并且由于高海拔下含氧量相对过低，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高效压力减少；随着起动阶段循环数增加，平原及高原起动流程中较大缸压均超过20.0MPa，平原启动步骤中较大爆压甚至达到25.0 MPa。这是因为启动电喷逻辑中有斜坡转矩，即当柴油机启动时间超过标定期间且起动结束标志仍未变化时，为提高启动效果，需要增加启动转矩，即向汽缸内多喷油，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，使起动时的较高爆发压力比全负载时高。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3  不一样海拔高度下柴油机速度变化曲线  不同海拔高度下柴油机较大缸压变化曲线

      3个海拔高度下起动第一个循环缸压的变化曲线可知：低温环境下，在平原地区，柴油机启动第一个循环燃烧迅速，着火出现后缸内做用途力良好，较大缸压瞬间可达到12.8 MPa；而海拔高度为2000、3500m时，起动第一个循环缸内均未出现较为明显的燃烧迹象，较大缸压约为3.0 MPa。这是由于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，在启动初期由于缸内气量少致使压缩上止点温度偏低，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。

      为探讨某海拔高度下的燃烧循环规律，选择海拔高度为3500m的柴油机起动过程进行燃烧剖析，启动前3个循环的缸压变化曲线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发电机，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，因为双峰燃烧属于不完全燃烧，缸内较高爆发压力不高，燃烧速率减轻，且缸内燃烧环境不良，因此加速到相同的转速需要更多的循环，即启动时间更长；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，较终缸内着火。

      3个海拔高度下燃烧始点曲轴转角变化曲线可知：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主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°。这是由于海拔高度升高，大气压力下降，致使每循环进入气缸的空气较平原相对较少，压缩终点压力减轻，滞燃期增大，且因为缸内混合气密度减小，引起反应物分子之间碰撞的机率减轻，着火之前混合气预反应步骤相应延长，造成着火时间增长，燃烧始点角随海拔高度升高逐步向压缩上止点靠近。

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