摘要：以康明斯重型電控高壓共軌柴油機為研究對象，利用高海拔環(huán)境模擬試驗臺，開(kāi)展在不同海拔高度環(huán)境下柴油機低溫起動(dòng)性能試驗，對比不同海拔高度下柴油機起動(dòng)性能及燃燒差異，研究高原低溫環(huán)境對柴油機起動(dòng)性能的影響。試驗結果表明：相同低溫環(huán)境下，隨海拔高度升高，柴油機起動(dòng)需要的循環(huán)數增加，起動(dòng)時(shí)間變長(cháng)；高海拔環(huán)境下，柴油機起動(dòng)第一個(gè)循環(huán)，缸內未有明顯燃燒跡象，低溫起動(dòng)前期缸內雙峰燃燒比例增加；隨著(zhù)海拔高度升高，缸內燃燒始點(diǎn)逐步靠近壓縮上止點(diǎn)位置。本文中利用高海拔環(huán)境模擬倉，開(kāi)展柴油機在不同海拔高度下低溫起動(dòng)性能試驗，結合燃燒放熱規律分析柴油機起動(dòng)過(guò)程缸內燃燒變化規律。

一、研究啟動(dòng)性能的意義

      我國地域遼闊，高原山地面積占全國總面積的60%以上，高海拔地區冬季最冷時(shí)的溫度可達-41℃。高原地區具有空氣稀薄、氧氣含量少、環(huán)境溫度低等特點(diǎn)，且隨著(zhù)海拔高度升高，大氣壓力和溫度呈現逐步降低趨勢。據氣象資料顯示：海拔高度每升高1000 m，大氣壓力降低10 kPa，氣溫下降0.65℃。由于揮發(fā)性差，柴油燃燒為缸內自行壓燃，因此柴油機起動(dòng)階段燃燒受外部環(huán)境條件影響較大。當柴油機在高原環(huán)境下起動(dòng)時(shí)，受大氣壓力及環(huán)境溫度影響，壓縮上止點(diǎn)附近缸內溫度及混合氣形成條件均較差，導致混合氣形成狀況不及平原地區，柴油機在起動(dòng)過(guò)程中會(huì )出現著(zhù)火不穩甚至失火等現象。

      冷起動(dòng)性能是柴油機重要性能指標之一，冷起動(dòng)性能不僅影響柴油機工作效率，還影響其使用壽命。受高原地區大氣環(huán)境影響，柴油機在高海拔、低溫環(huán)境下常存在起動(dòng)困難現象。在低海拔地區，柴油機不采取冷起動(dòng)輔助措施時(shí)，一般極限低溫起動(dòng)溫度為-10℃；但在海拔高度為4800 m地區、溫度為-5℃時(shí)，如果不帶輔助措施就無(wú)法順利起動(dòng)。因此，研究柴油機高原低溫起動(dòng)性能具有重要意義。

二、試驗設備與方案

1、試驗設備及樣機

      高原低溫起動(dòng)試驗系統由高海拔環(huán)境倉系統、柴油機試驗臺架系統組成，其中高海拔環(huán)境倉系統由羅茨風(fēng)機控制發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣壓力、排氣背壓，可用于模擬海拔高度為0~5000 m時(shí)的大氣壓力，并能進(jìn)行環(huán)境溫度調節控制，控制溫度為-35~20℃，精度≤±1℃。高海拔環(huán)境倉見(jiàn)圖1。

      試驗樣機為某重型直列六缸、直噴、四沖程、增壓中冷、電控高壓共軌柴油機。

2、試驗方案

      進(jìn)行0、2000、3500m 3個(gè)海拔高度下低溫起動(dòng)性能試驗，環(huán)境溫度均設為-15℃。起動(dòng)過(guò)程中采用奇石樂(lè )燃燒分析儀記錄缸內燃燒壓力，缸壓信號反映柴油機燃燒狀況，可以充分反映缸內壓縮、點(diǎn)火及燃燒放熱過(guò)程；在柴油機第6缸的缸蓋上安裝缸壓傳感器，將缸壓傳感器電信號傳輸到燃燒分析儀放大并轉化為缸內壓力數據，曲軸轉速傳感器將曲軸信號傳給曲軸轉角適配器，燃燒分析儀連接如圖2所示。水溫、機油溫度及柴油機轉速信號通過(guò)電子控制單元(electronic control unit，ECU)采集，采樣頻率為10 Hz。

3、試驗方法

      為便于對比不同海拔高度下柴油機起動(dòng)初期缸內燃燒情況，試驗時(shí)其他邊界條件不變，將環(huán)境倉溫度設定為-15℃，采用強制循環(huán)系統冷卻水，控制每次起動(dòng)時(shí)柴油機的水溫、機油溫度保持一致。通過(guò)調整環(huán)境倉進(jìn)氣壓力和排氣背壓模擬不同海拔高度。一次起動(dòng)性能試驗結束后，將環(huán)境倉升至常溫、常壓環(huán)境，并將發(fā)動(dòng)機轉速設置為1500 r/min，熱車(chē)20 min，保證起動(dòng)試驗過(guò)程中缸內未完全燃燒的柴油充分燃燒。相鄰起動(dòng)試驗相隔8 h，保證柴油機充分冷卻至相同溫度。

      起動(dòng)試驗時(shí)控制起動(dòng)電壓一致，以保證每次倒拖轉矩相同，采用電流鉗記錄起動(dòng)瞬間最大電流。起動(dòng)時(shí)同步記錄ECU起動(dòng)參數及燃燒分析儀參數，保證ECU記錄數據與燃燒分析儀參數的同步對齊。試驗用燃油為-35"國六低溫柴油、機油牌號為Mobil5W-40，試驗過(guò)程中采集氣缸壓力、柴油機轉速、進(jìn)氣溫度、水溫、機油溫度等參數。定義曲軸轉角為-360°~+360°為一個(gè)燃燒循環(huán)，包含進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣過(guò)程。通過(guò)ECU控制邏輯中自行判斷的起動(dòng)結束標志(當ECU監控到發(fā)動(dòng)機轉速達到該溫度下對應的發(fā)動(dòng)機轉速，則判斷起動(dòng)結束)判斷柴油機是否起動(dòng)成功，即當柴油機起動(dòng)成功后，怠速運行相同時(shí)間。

三、高原低溫起動(dòng)過(guò)程分析

1、不同海拔高度下起動(dòng)性能對比

      環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，3個(gè)海拔高度下發(fā)動(dòng)機轉速變化曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知：溫度為-15℃時(shí)，該機型在3個(gè)海拔高度均可以起動(dòng)成功，但不同海拔高度下的柴油機起動(dòng)性能存在差異；隨著(zhù)海拔高度升高，起動(dòng)結束標志的循環(huán)數逐步增加，3個(gè)海拔高度下起動(dòng)結束時(shí)對應的循環(huán)數依次為67、73、78，循環(huán)數增大表明起動(dòng)時(shí)間增加。這是因為在低氣壓和低溫雙重因素共同影響下，柴油機起動(dòng)階段受進(jìn)氣質(zhì)量少、進(jìn)氣溫度低、燃油蒸發(fā)霧化質(zhì)量差、機油黏度增大等因素影響，起動(dòng)過(guò)程中柴油機拖動(dòng)轉速降低、氣缸壁與外界傳熱損失增大，起動(dòng)過(guò)程中壓縮終了溫度及缸內壓力下降，燃燒滯燃期延長(cháng)，影響發(fā)動(dòng)機起動(dòng)性能。