高原环境条件下的柴油机起动过程试验研究

马宁， 李若亭， 赵文柱， 杨绍卿， 徐冬冬， 孙志新

(装甲兵工程学院 机械工程系， 北京 100072)

高原环境条件下的柴油机起动过程试验研究

马宁， 李若亭， 赵文柱， 杨绍卿， 徐冬冬， 孙志新

(装甲兵工程学院 机械工程系， 北京 100072)

柴油机起动性能是柴油机的重要性能指标，高原环境对柴油机起动过程产生重要影响。为了研究高原环境对柴油机起动过程影响规律，针对某型12缸柴油机分别在高原和平原地区进行实车起动试验，对起动过程的气缸压力、上止点和瞬时转速进行测量。结果表明，高原环境下柴油机起动时间更长，转速波动更大，双峰燃烧比例更多。对起动过程进行逐循环燃烧分析，发现在高原环境以曲轴转角计的滞燃期更大，燃烧更加滞后；与此同时，在同等的转速水平下，在高原环境以时间计的滞燃期更长。

兵器科学与技术； 柴油机； 起动过程； 高原环境； 滞燃期

0 引言

高原环境的大气温度和环境压力偏低，使得柴油机起动过程出现转速波动幅度大、噪声大甚至失火等问题。相比于汽油具有挥发性好，且采用电火花点火的特点，柴油的挥发性差，且燃烧是靠自行着火[1]。当柴油机在高原环境下进行起动，气缸内压力、温度及混合气形成条件均较差，从而导致混合气滞燃期远大于平原工况，柴油机出现着火不稳定甚至失火等现象。针对柴油机起动过程出现的问题，敖良忠等[2]通过CFM56-5B发动机结合高原地区气压低、含氧量少的特点，分析出燃油雾化质量差、剩余功率不足以及富油燃烧是造成起动困难的重要原因；游维华[3]利用试验手段研究了滞燃期对直喷式柴油机起动过程的影响；苏岩等[4]利用瞬时转速和示功图对柴油机起动过程进行燃烧分析，以此来判断着火首循环和失火循环；Haba等[5]研究了一台V型6缸发动机在极低温度下的冷起动状况；赵楠等[6]、彭海勇等[7]则通过仿真建模的方法分别针对冷机起动和倒拖起动做了计算研究。与此同时，一些科学工作者也提出了各种改善起动性能的措施[8-10]：冀树德等[8]利用进气加热和润滑油加热的方法对柴油机的低温起动性能做了改善；Parsinejad等[9]通过增大柴油机压缩比来改善起动性能；张京永等[10]通过优化喷油参数来改善起动性能。本文为了研究高原环境对柴油机起动过程的影响规律，针对某型12缸柴油机分别在高原和平原环境进行实车起动试验，在梳理两种环境起动性能差异过程中，从滞燃期的角度进行对比分析。

1 高原环境下柴油机起动过程试验

在海拔3 700 m高原环境针对12缸柴油机进行实车起动试验。为了对比高原环境与平原环境起动过程的差异，同时也在平原环境对同型号柴油机进行实车起动试验，在两次试验中，所用车辆的摩托小时数相当，加热后的水温、油温以及环境温度相当，具体参数见表1所示。

表1 环境参数

1.1 气缸压力的测量

气缸压力测量采用光纤压力传感器。光纤压力传感器将压力感受器和变送器分离，压力感受器能承受的温度范围在-40～380 ℃之间，因此测量时无需加入冷却装置。实车安装时卸下柴油机气缸空气起动阀，将压力感受器安装在原起动阀位置。气缸压力传感器及实车安装位置如图1、图2所示。

图1 气缸压力传感器Fig.1 Pressure sensor of cylinder

图2 实车安装位置Fig.2 Installation position

1.2 上止点测量

上止点测量采用霍尔转速传感器测量。安装此传感器需要专用卡具，传感器及卡具如图3所示。安装时将专用卡具固定在柴油机前端中央的两个螺栓上，在曲轴输出端飞轮上找到被测气缸的机械上止点标识，并贴上方形磁片，如图4所示。

图3 上止点传感器Fig.3 Top dead center sensor

图4 实车安装位置Fig.4 Installation position

1.3 曲轴转角测量

曲轴转角测量采用磁阻式转速传感器测量曲轴转角。起动齿圈上有105个齿，与曲轴的传动比为0.7∶1，即曲轴每转一圈，传感器可接收150个脉冲信号。安装时利用专用卡具将传感器固定在起动齿圈处，传感器及其实车安装位置如图5和图6所示。

2 柴油机起动过程分析

2.1 起动过程阶段划分

柴油机起动过程是指柴油机由稳定静止状态到高速转动的过程。柴油机起动时间是指从起动电机接通时刻加速到稳定转速时刻所需要的时间。通过分析柴油机起动过程的瞬时转速以及缸内压力曲线，可以将柴油机起动过程分为倒拖阶段、加速阶段、过渡阶段以及稳定阶段，如图7所示。

图7中，倒拖阶段是指柴油机在外力驱动下从开始转动到转速开始自行上升时为止；加速阶段是指从转速开始自行上升到转速升至最大值为止；过渡阶段是指从转速最大值过渡到稳定转速为止；稳定阶段是指转速稳定在怠速转速。

加速阶段是起动过程中最为关键的阶段，在这一阶段，柴油机转速快速上升，导致以曲轴转角计的滞燃期偏长，尤其是在高原环境，空气稀薄导致缸内空气密度低，燃油喷雾质量劣化，使得高原环境下起动过程加速阶段以角度计的滞燃期更长，着火推迟到上止点之后，后燃严重，燃烧质量劣化，导致起动时间增长，如果是在冬季则易引起起动失败。

2.2 起动过程燃烧形态分析

从起动过程连续示功图和放热规律变化可以分析起动过程中非稳态燃烧的内部特征。通过对起动过程连续示功图进行归纳，将实车起动过程出现的典型示功图曲线分为3种形式，如图8～图10所示。

图8 双峰型燃烧Fig.8 Bimodal combustion

图9 V型燃烧Fig.9 “V” combustion

图10 Y型燃烧Fig.10 “Y” combustion

图10的Y型燃烧，其形状相似于正常的燃烧示功图，缸内爆发压力高，以曲轴转角计的滞燃期较短，燃烧室内出现多个火核，着火发生之后火焰快速覆盖全部燃烧室[1]，做功能力良好；图9的V型燃烧，其形状相似于纯压缩循环示功图，缸内爆发压力没有明显的升高，燃烧室内火焰形状呈现纤维状[1]，做功能力非常弱；图8的双峰型燃烧，在其示功图的压力变化过程中出现两次峰值，以曲轴转角计的滞燃期偏大，着火时刻推迟到上止点之后，后燃现象严重，缸内最大爆发压力低于Y型燃烧，做功能力偏弱。双峰型燃烧是Y型燃烧与V型燃烧之间的过渡形态，当滞燃期缩短，着火时刻提前，则双峰型燃烧转化成Y型燃烧，当滞燃期变长，着火时刻推迟，则双峰型燃烧恶化成V型燃烧。

3 高原与平原实车起动过程差异及分析

3.1 高原与平原实车起动过程特点

通过对比高原与平原起动过程的瞬时转速和缸内压力曲线，如图11、图12所示，可以发现如下差异：从起动时间来看，平原实车起动时间为6.5 s，高原为7.3 s；平原实车起动过程，转速在45 r/min内波动，而高原转速在110 r/min内波动；平原实车起动过程，加速阶段的最小缸内爆发压力高于6 MPa，而高原加速阶段最大缸内爆发压力还不到5 MPa.

图11 平原环境起动过程转速与缸内压力曲线Fig.11 Rotational speed and cylinder pressure of diesel engine starting process in plain environment

图12 高原环境起动过程转速与缸内压力曲线Fig.12 Rotational speed and cylinder pressure of diesel engine starting process in altitude environment

通过起动过程连续示功图和放热规律变化可分析起动过程中非稳态燃烧的内部特征。起动过程加速阶段各示功图所占比率见表2. 在燃烧形态上，高原Y型燃烧形态比例更低，而双峰燃烧形态比例更高；在放热规律上，高原环境起动过程着火时刻要比平原更加靠后，滞燃期也比平原更长。

表2 高原与平原环境起动过程燃烧形态对比

3.2 高原与平原之间起动过程差异性分析

高原起动时间更长，出现更大比例双峰及V型燃烧，且缸内爆发压力低于平原。双峰及V型燃烧放热率低于Y型燃烧，相同转速水平下，双峰及V型燃烧的做功能力低于Y型燃烧，因此加速到相同转速水平，高原环境需要时间更长。而以曲轴转角计滞燃期和着火时刻决定着缸内不同的燃烧形态，当以曲轴转角计滞燃期变大，着火时刻推迟到上止点之后，对应缸内着火循环越容易出现双峰及V型燃烧。

通过以角度计滞燃期与以时间计滞燃期的关系式：

Φi=6nτi，

(1)

式中：Φi为以角度计滞燃期；τi为以时间计滞燃期；n为转速。可知，以曲轴转角计滞燃期取决于转速和以时间计滞燃期。为了进一步分析高原与平原环境起动过程之间的差别，现对两种环境以时间计滞燃期进行对比，如图13所示。

图13 不同环境以时间计滞燃期随起动时间的变化曲线Fig.13 Combustion delay period vs. time in altitudet and plain environments

从图13的数据分析可知：1)无论高原环境还是平原环境，基于实车的柴油机起动过程，随着循环的进行，以时间计的滞燃期均呈现下降趋势，其中在起动过程加速阶段下降较快，在起动过程过渡阶段下降较慢，而在怠速阶段则几乎保持稳定；2)在同一时刻，高原环境以时间计的滞燃期明显高于平原环境，而下降速度缺要低于平原环境。下面再将两种环境下滞燃期随转速的变化趋势进行对比。

从图14中分析可知：1)相同转速水平，高原环境以时间计的滞燃期大于平原环境，而高原环境滞燃期的下降趋势却慢于平原环境；2)随转速上升，缸内压力上升，漏气量减少，喷油压力增大，这些因素改善了燃油喷雾质量，提高了混合气形成质量，使以时间计的滞燃期随转速上升而下降；3)高原环境缸内压力要远小于平原环境，这使得喷雾时作用在油束上的空气阻力变小，燃油分散程度低，贯穿距变大，雾化质量差，使燃油蒸发需要更多时间，导致高原环境起动过程以时间计的滞燃期大于平原环境。

图14 两种环境以时间计的滞燃期随转速变化曲线Fig.14 Combustion delay period vs. rotational speed in altitude and plain environments

3.3 高原环境起动过程滞速现象分析

在起动过程的加速阶段，瞬时转速停止持续上升而滞留在某一转速水平附近，这一现象称为滞速现象。受高原实车条件所限只采集到左3缸缸内压力数据，图15中曲线记录到滞速期间出现的无燃烧压力上升循环。滞速现象的出现延长了柴油机的起动时间。

图15 高原环境起动过程的滞速现象Fig.15 Stagnation phenomenon of starting process in altitude environment

高原环境起动过程产生滞速现象分析：相同转速水平下，高原环境以时间计的滞燃期要大于平原环境，而滞燃期随转速的下降速度却慢于平原环境，这使得高原环境下起动过程的滞燃期一直处于一个较高水平，在瞬时转速上升的加速阶段，由以角度计滞燃期与以时间计滞燃期的关系式Φi=6nτi可知，当瞬时转速上升的幅度大于以时间计滞燃期下降的幅度时，以曲轴转角计的滞燃期将增大，使得着火时刻趋向推迟。高原环境起动过程出现大量双峰燃烧，着火时刻发生在上止点之后，如果以曲轴转角计的滞燃期进一步增大，活塞远离上止点位置，缸内温度和压力下降，可燃混合气将失去在本循环燃烧的机会，出现无燃烧压力上升循环，瞬时转速停止上升，从而导致滞速现象的发生。

4 结论

本文分别在高原和平原环境进行了柴油机起动过程试验，对比了两种环境下起动过程之间的差异，从滞燃期入手研究了高原环境对柴油机起动过程影响。

1)通过对比起动过程瞬时转速和缸压曲线，高原起动时间更长为7.3 s，而平原为6.5 s；高原起动过程转速波动幅度更大，最大可达110 r/min，平原为45 r/min；高原起动过程加速阶段最大缸内爆发压力不到5 MPa，而平原则超过6 MPa.

2)相同转速水平，高原环境以时间计滞燃期明显高于平原环境，同时高原环境滞燃期的下降速度明显低于平原环境。

3)高原起动过程出现滞速现象，相同转速水平，高原环境以时间计滞燃期更大，而滞燃期随转速的下降速度却慢于平原环境，这使得高原环境滞燃期一直处于较高水平，在加速阶段，如果瞬时转速上升的幅度大于以时间计滞燃期下降的幅度时，使得以曲轴转角计滞燃期进一步增大，错失本循环着火时机，出现无燃烧压力上升循环，从而导致滞速现象的发生。

References)

[1] 李德桃. 柴油机冷起动的基础研究和改善措施[M]. 北京：科学出版社，1998. LI De-tao. Basic investigations and improvements of diesel engine cold starting [M]. Beijing: Science Press, 1998.(in Chinese)

[2] 敖良忠，钱峰. CFM56-5B发动机高原冷发起动困难的研究[J]. 西安航空学院学报，2015, 33(3):3-6. AO Liang-zhong, QIAN Feng. Research on the cold CFM56-5B engine difficulty in starting at high-plateau [J]. Journal of Xi’an Aeronautical University, 2015, 33(3):3-6.(in Chinese)

[3] 游维华. 滞燃期对柴油机性能影响的试验研究[J]. 柴油机，2014，36(6)：6-8. YOU Wei-hua.Research on the impact of delay period on the performance of diesel engine [J]. Diesel Engine, 2014,36(6):6-8.(in Chinese)

[4] 苏岩，刘忠长，朱昌吉. 直喷式柴油机起动过程燃烧分析[J]. 燃烧科学与技术，2006，12(2)：126-130. SU Yan, LIU Zhong-chang, ZHU Chang-ji. Analysis of direct injection diesel engine combustion during start [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2006，12(2):126-130.(in Chinese)

[5] Haba S A, Oancea G. Studies on thermal contraction of crankshaft bearing under extreme low temperatures [J]. Journal of Thermal Science, 2015, 24(5):496-501.

[6] 赵楠，辛喆，谢斌. 柴油机冷起动过程的建模与仿真[J]. 车用发动机，2010(1)：60-63. ZHAO Nan, XIN Zhe, XIE Bin.The modeling and simulation of diesel engine cold start [J]. Vehicle Engine, 2010(1):60-63.(in Chinese)

[7] 彭海勇，崔毅，邓康耀. 柴油机起动倒拖缸内喷雾仿真分析[J]. 内燃机工程，2015,36(1):92-99. PENG Hai-yong,CUI Yi, DENG Kang-yao.Simulation analysis on fuel spray in diesel engine during cold start cranking [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2015, 36(1):92-99. (in Chinese)

[8] 冀树德，王天太，李宁. 12缸柴油机低温条件下的起动方法研究[J]. 车用发动机，2013(4)：71-74. JI Shu-de, WANG Tian-tai, LI Ning. Start method of 12-cylinder diesel engine in low temperature [J]. Vehicle Engine, 2013(4):71-74.(in Chinese)

[9] Parsinejad F, Biggs W. Direct injection spark ignition engine deposit analysis: combustion chamber and intake valve deposits, 2011-01-2110 [R]. US:SAE, 2011.

[10] 张京永，杨福源，欧阳明高. 高压共轨柴油机起动过程特点与优化方法的研究[J]. 内燃机学报，2003，21(3)：201-206. ZHANG Jing-yong, YANG Fu-yuan, OUYANG Ming-gao. Research on characteristics and optimization method on fuel injection parameters during startup procedure of high pressure common rail diesel engine [J]. Transactions of CSICE, 2003, 21(3):201-206.(in Chinese)

An Investigation on Starting Process Experiment of Diesel Engine in Altitude Environment

MA Ning, LI Ruo-ting, ZHAO Wen-zhu, YANG Shao-qing, XU Dong-dong, SUN Zhi-xin

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

The starting performance of diesel engine is one of the main performance indexes. The altitude environment has an important influence on the starting process of diesel engine. A diesel engine with 12 cylinders was test to research the influence of altitude environment on diesel engine starting process in altitude environment and plain environment, and the cylinder pressure, top dead center, and instantaneous rotational speed were measured. The experimental results indicate that the starting time is longer, the fluctuation of rotational speed is greater, and the proportion of bimodal combustion is larger during starting in altitude environment. The combustion analysis of starting process indicates that the starting process in altitude environment has a longer combustion delay period calculated with crank degree, and the combustion in cylinder in altitude environment appears more delay than that in plain environment. The starting process in altitude environment has a longer combustion delay period calculated with time than that in plain environment at the same rotational speed.

ordnance science and technology; diesel engine; starting process; altitude environment; combustion delay period

2016-07-28

国家“973”计划项目(201697301)

马宁(1988—), 男, 博士研究生。E-mail:ningma2008@foxmail.com

孙志新(1976—)，男，讲师。E-mail:sunzhi-li@163.com

TK421+.26

A

1000-1093(2017)02-0227-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.003