陳月春，李蘭菊，王霞，李素婷

1. 內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2. 濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061；3. 濰柴動(dòng)力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機(jī)可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好,能適合各種作業(yè)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于各類動(dòng)力裝置。低溫起動(dòng)性能直接影響柴油機(jī)在低溫條件下的運(yùn)行性能及壽命。我國地域遼闊，北方冬季氣溫較低，柴油機(jī)冷起動(dòng)困難是制約其在低溫環(huán)境下應(yīng)用的重要因素。低溫環(huán)境下，由于柴油機(jī)進(jìn)氣和機(jī)體溫度低，壓縮終點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)溫度偏低，缸內(nèi)燃燒惡化，導(dǎo)致柴油機(jī)低溫起動(dòng)困難[1-2]。按照汽車起動(dòng)性能試驗(yàn)方法[3], 柴油機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境溫度為 (-35±2) ℃，通常環(huán)境溫度低于-20 ℃時(shí)，柴油機(jī)就會出現(xiàn)起動(dòng)困難現(xiàn)象，當(dāng)環(huán)境溫度低于-40 ℃，若不采用其他輔助手段，柴油機(jī)將無法順利起動(dòng)[4-7]。研究柴油機(jī)低溫起動(dòng)影響因素，提出柴油機(jī)起動(dòng)性能改善措施，對提高柴油機(jī)低溫可靠性具有重要意義。

1 問題描述

某國六排放柴油機(jī)參數(shù)如表1所示。搭載該型號柴油機(jī)的試驗(yàn)車在海拉爾極限低溫(環(huán)境溫度約為-30 ℃)靜置12 h后，起動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)了起動(dòng)困難、轉(zhuǎn)速無法快速上升等現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為起動(dòng)機(jī)長時(shí)間拖動(dòng)后，柴油機(jī)無法自行順利著火，起動(dòng)過程中排氣管持續(xù)冒白煙等現(xiàn)象。

表1 柴油機(jī)參數(shù)

柴油機(jī)技術(shù)要求：溫度高于-15 ℃時(shí)，起動(dòng)時(shí)間不超過3 s；溫度等于或低于-25 ℃時(shí)，起動(dòng)時(shí)間不超過30 s。試驗(yàn)車的低溫起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，試驗(yàn)車的起動(dòng)時(shí)間不滿足技術(shù)要求，說明該柴油機(jī)存在低溫起動(dòng)困難。

圖1 低溫起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

2 原因分析

為了更進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能，對可能影響起動(dòng)性能的因素進(jìn)行分析。

通常柴油機(jī)起動(dòng)必須具備的條件[7]：1)壓縮終了溫度必須足夠高，即柴油機(jī)自燃溫度要高于開始著火最低臨界溫度；2)必須形成易于著火的混合氣。

影響柴油機(jī)低溫起動(dòng)的因素有：拖動(dòng)轉(zhuǎn)速低、燃燒參數(shù)匹配不合理、壓縮比不合適、預(yù)熱時(shí)間不夠、進(jìn)氣溫度低、漏氣量大等，其中柴油機(jī)進(jìn)氣溫度直接決定缸內(nèi)燃燒狀況，是影響柴油機(jī)低溫起動(dòng)的主要因素。低溫環(huán)境下，柴油機(jī)進(jìn)氣溫度低，氣缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)的溫度也隨之降低，氣缸壁傳熱增大，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)缸內(nèi)壓力下降[8]。提升柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能需要盡可能改善缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)的溫度。將進(jìn)入氣缸的空氣溫度視為柴油機(jī)壓縮始點(diǎn)的氣體溫度T1，則柴油機(jī)低溫起動(dòng)時(shí)壓縮終點(diǎn)的氣體溫度[9]

T2=ε(k-1)(1-α)(1-β)k-1T1,

(1)

式中：ε為氣體壓縮比，ε=V1/V2，其中V1為氣缸總?cè)莘e，V2為燃燒室容積；k為絕熱指數(shù)，k=Cp/Cv，其中Cp為等壓比熱容，Cv為等容比熱容；α為壓縮沖程的熱量損失，0<α<1；β為壓縮過程中漏氣率。

由式(1)可知，進(jìn)氣溫度高會提高柴油機(jī)壓縮終點(diǎn)的氣體溫度，有利于缸內(nèi)氣體蒸發(fā)和霧化，促進(jìn)可燃混合氣的形成。

針對該型柴油機(jī)低溫起動(dòng)困難問題，本文中主要從提升柴油機(jī)進(jìn)氣溫度出發(fā)，分析影響進(jìn)氣溫度的因素，提出提高壓縮比、采用分缸加熱及優(yōu)化氣門間隙3種改進(jìn)措施，并進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證改進(jìn)效果。

3 改進(jìn)措施及效果驗(yàn)證

3.1 提高壓縮比

壓縮比表示缸內(nèi)氣體的壓縮程度，是影響柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能的重要參數(shù)，壓縮比直接影響柴油機(jī)循環(huán)有效壓力、殘余廢氣系數(shù)和充氣效率等。在環(huán)境溫度為-30 ℃、轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)，柴油機(jī)純壓縮過程不同壓縮比下的缸內(nèi)最高壓縮溫度如圖2所示。由圖2可知：柴油機(jī)缸內(nèi)最高壓縮溫度隨著壓縮比增大逐步上升；壓縮過程的缸內(nèi)最高溫度與壓縮比呈線性關(guān)系；壓縮比由17提升到18.5，缸內(nèi)壓縮溫度升高14 ℃左右。

圖2 不同壓縮比下的缸內(nèi)最高壓縮溫度

環(huán)境溫度為-30 ℃時(shí)，不同壓縮比的柴油機(jī)低溫起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示。由圖3可知：與壓縮比為17時(shí)相比，壓縮比為18.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間縮短7.2 s，起動(dòng)效率提升32.7%。

圖3 不同壓縮比下起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線

提高壓縮比有利于改善柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能。隨著柴油機(jī)壓縮比增大，氣缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)溫度增高，有助于提升缸內(nèi)燃燒質(zhì)量，使缸內(nèi)燃燒平穩(wěn)；高壓縮比時(shí)缸內(nèi)更容易形成著火氛圍，對柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能有較大影響，因此提高壓縮比對低溫起動(dòng)具有良好的效果，可改善柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能。

3.2 分缸加熱

進(jìn)氣溫度是影響柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能的關(guān)鍵因素之一[10-11]，不同進(jìn)氣溫度下柴油機(jī)缸內(nèi)最高壓縮溫度如圖4所示。由圖4可知，缸內(nèi)最高溫度與進(jìn)氣溫度基本呈線性關(guān)系，進(jìn)氣溫度每增加10 ℃，缸內(nèi)最高溫度增加約10 ℃。因此，低溫環(huán)境下對進(jìn)氣進(jìn)行加熱，通過升高進(jìn)氣溫度可以有效提高柴油機(jī)的缸內(nèi)工質(zhì)溫度，改善各缸燃燒狀況，提升柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能。

圖4 不同進(jìn)氣溫度下缸內(nèi)最高壓縮溫度

原柴油機(jī)采用進(jìn)氣加熱格柵結(jié)構(gòu)，為了提高進(jìn)氣溫度，改善起動(dòng)性能，本文中對柴油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改。柴油機(jī)原進(jìn)氣管路結(jié)構(gòu)如圖5所示。原結(jié)構(gòu)的加熱格柵距離進(jìn)氣孔道距離較遠(yuǎn)，加熱后氣體與進(jìn)氣道管壁之間存在散熱損失，且進(jìn)氣加熱格柵僅能加熱穩(wěn)壓腔和進(jìn)氣道的氣體，無法加熱中冷器與穩(wěn)壓腔入口之間的氣體，加熱氣體量有限。新結(jié)構(gòu)增大進(jìn)氣穩(wěn)壓腔容積，取消進(jìn)氣加熱格柵，在原結(jié)構(gòu)4個(gè)進(jìn)氣孔道處增加分缸加熱器。改進(jìn)的進(jìn)氣管路新結(jié)構(gòu)如圖6所示。分缸加熱器安裝在進(jìn)氣孔道處，減少了散熱損失，更利于提升缸內(nèi)壓縮溫度。增大進(jìn)氣穩(wěn)壓腔容積后，第1、2缸渦流比均得到提升，其中1缸渦流比較原方案提升30%，2缸渦流比提升3%，1缸渦流比得到大幅提升，有助于改善1缸的燃燒，且各缸進(jìn)氣流量系數(shù)均得到提升，有助于增加進(jìn)氣量。

圖5 進(jìn)氣管路原結(jié)構(gòu) 圖6 進(jìn)氣管路新結(jié)構(gòu)

為了比較進(jìn)氣加熱格柵與分缸加熱對起動(dòng)性能的影響，本文中進(jìn)行了冷倉起動(dòng)效果對比試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度均設(shè)置為-30 ℃，分缸加熱器與進(jìn)氣加熱格柵總加熱功率和加熱時(shí)間相同，不同加熱方式的起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：采用分缸加熱時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升迅速；采用格柵加熱時(shí)，由于起動(dòng)初始階段進(jìn)氣溫度相對較低，缸內(nèi)著火氛圍不好，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升緩慢。2種加熱方式的進(jìn)氣溫度變化如圖8所示。由圖8可知，采用分缸加熱器起動(dòng)的進(jìn)氣溫度較高，且用時(shí)較短，效果明顯優(yōu)于采用進(jìn)氣加熱格柵，在一定程度上改善了柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能。

圖7 不同加熱方式起動(dòng)效果對比

圖8 不同加熱方式下進(jìn)氣溫度

3.3 優(yōu)化氣門間隙

氣門間隙過大時(shí)，氣門升程不足，易導(dǎo)致進(jìn)氣不充分、排氣不徹底；氣門間隙過小時(shí)，氣門關(guān)閉不嚴(yán)，易造成漏氣。為了保證起動(dòng)時(shí)進(jìn)氣充足，排氣干凈，應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化氣門間隙[12-14]。本文中選取2種氣門間隙方案開展對比試驗(yàn)，方案1為原機(jī)氣門間隙，進(jìn)氣門間隙為0.03 mm、排氣門間隙為0.04 mm；方案2為改進(jìn)后的氣門間隙，進(jìn)氣門間隙為0.07 mm、排氣門間隙為0.04 mm。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在純壓縮過程中，方案1、2的缸內(nèi)最高壓縮溫度分別為440 ℃、441.5 ℃，方案2的缸內(nèi)最高溫度較方案1升高約1.5 ℃?？梢娡ㄟ^優(yōu)化氣門間隙在一定程度上可以提升缸內(nèi)溫度，而缸內(nèi)溫度的提升對縮短滯燃期有積極作用。

在低溫環(huán)境倉開展了2種氣門間隙方案的低溫起動(dòng)性能對比試驗(yàn)，2種方案的起動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖9所示。由圖9可知：2種方案的起動(dòng)時(shí)間基本一致；方案2柴油機(jī)在起動(dòng)初期缸內(nèi)著火速度比方案1更快；方案2的指示平均有效壓力從第15循環(huán)開始比方案1增大，但從第55循環(huán)后，方案1的指示平均有效壓力優(yōu)于方案2。

圖9 2種氣門間隙方案起動(dòng)性能對比 圖10 2種氣門間隙方案燃燒持續(xù)期

燃燒持續(xù)期長意味著缸內(nèi)瞬時(shí)燃燒放熱速率降低，缸內(nèi)不完全燃燒過程減少，對提升起動(dòng)性能有利。2種方案的燃燒持續(xù)期對比如圖10所示。由圖10可知：起動(dòng)循環(huán)的第20～30循環(huán)，方案2的燃燒持續(xù)期較方案1長，增幅約為45%；但隨著循環(huán)數(shù)增加，方案2的燃燒持續(xù)期無明顯優(yōu)勢。因此通過優(yōu)化氣門間隙不能明顯提升柴油機(jī)起動(dòng)過程的缸內(nèi)溫度和低溫起動(dòng)性能。

4 結(jié)論

1)提高柴油機(jī)壓縮比，有助于提升氣缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)溫度和燃燒質(zhì)量，改善低溫起動(dòng)性能。

2)采用分缸加熱能進(jìn)一步提升進(jìn)氣溫度，起動(dòng)用時(shí)較短，效果明顯優(yōu)于進(jìn)氣格柵加熱，可一定程度改善起動(dòng)性能。

3)優(yōu)化氣門間隙方案僅能輕微提高壓縮溫度，對燃燒的改進(jìn)有限，不能改善柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能。