黎一鍇， 彭靖， 史中杰， 檀麗宏， 李耀宗

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所， 天津 300400)

0 引言

柴油機(jī)作為一款動(dòng)力性強(qiáng)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的動(dòng)力裝置，被普遍應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械和軍事裝備等領(lǐng)域。壓縮比是柴油機(jī)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、起動(dòng)性、可靠性以及排放性均有重大影響。減小壓縮比，雖然理論熱效率有所降低，但是通過提高增壓比可增加進(jìn)氣充量，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度。另外，降低柴油機(jī)壓縮比可以有效抑制NO排放。低壓縮比高增壓是新型低排放柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

柴油機(jī)壓縮比不可能無限降低。一般而言，柴油機(jī)的最小壓縮比是由其低溫或高原冷起動(dòng)性能決定的。對(duì)于陸軍國(guó)防裝備，極端條件下動(dòng)力裝備的冷起動(dòng)問題嚴(yán)重影響我國(guó)的邊防安全，尤其是西南高原邊境安全。Laget等和Pacaud等的研究表明，壓縮比低至13.7的高壓共軌柴油機(jī)仍可在 248 K 平原環(huán)境下成功起動(dòng)。Macmillan在248 K環(huán)境下對(duì)比研究了壓縮比對(duì)柴油機(jī)燃燒過程的影響，結(jié)果表明降低壓縮比導(dǎo)致柴油機(jī)平均有效壓力的穩(wěn)定性降低。樓狄明等和Kan等研究表明，海拔高度的上升導(dǎo)致低壓縮比(14.25)柴油機(jī)起動(dòng)性能惡化。以上研究?jī)H考慮了固定壓縮比柴油機(jī)在特定環(huán)境下的冷起動(dòng)性能，而不同環(huán)境溫度、海拔高度下柴油機(jī)的最小壓縮比仍難以確定。

本文結(jié)合光學(xué)診斷和整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，基于熱力學(xué)理論，建立柴油機(jī)最小壓縮比與環(huán)境溫度、海拔高度間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出一種具有環(huán)境適應(yīng)性的柴油機(jī)最小壓縮比設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)流程

柴油機(jī)冷機(jī)起動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)環(huán)境密度和溫度均較低，著火滯燃期增加，柴油噴霧會(huì)出現(xiàn)部分自燃或完全不自燃等臨界現(xiàn)象。最小壓縮比應(yīng)保證起動(dòng)過程中柴油機(jī)的缸內(nèi)壓縮終了溫度高于柴油噴霧的臨界著火溫度。確定柴油機(jī)起動(dòng)過程中的缸內(nèi)壓縮終了溫度和柴油噴霧的臨界著火溫度是設(shè)計(jì)最小壓縮比的基礎(chǔ)。柴油機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低、冷態(tài)間隙大等原因，缸內(nèi)漏氣量和散熱量均較高。采用絕熱壓縮理論公式計(jì)算缸內(nèi)壓縮終了溫度導(dǎo)致的誤差較大。因此，需要基于整機(jī)倒拖試驗(yàn)建立起動(dòng)過程不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的實(shí)際壓縮沖程計(jì)算公式。至于柴油噴霧的臨界著火溫度，可以在定容燃燒裝置(CVCC)內(nèi)改變背景條件，通過光學(xué)測(cè)試獲得不同背景密度下保證柴油噴霧成功自燃的臨界著火溫度。

本文提出的柴油機(jī)最小壓縮比設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。圖1中，為柴油機(jī)壓縮始點(diǎn)最低溫度；為啟噴轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)最低進(jìn)氣溫度；為柴油機(jī)升速期(Ramp期)的最低進(jìn)氣溫度，啟噴轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)成功起動(dòng)后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高至怠速轉(zhuǎn)速，此過程為柴油機(jī)的升速期；為殘余廢氣和新鮮充量混合后的最低溫度。首先，通過光學(xué)測(cè)試確定不同背景密度下柴油噴霧自燃的臨界著火溫度，以獲得臨界著火溫度隨噴霧背景密度的變化規(guī)律；其次，通過整機(jī)倒拖試驗(yàn)獲得柴油機(jī)壓縮終了狀態(tài)隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，建立柴油機(jī)起動(dòng)過程中的實(shí)際壓縮沖程修正公式；最后，結(jié)合光學(xué)診斷和整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，基于熱力學(xué)理論分析，建立柴油機(jī)最小壓縮比與環(huán)境溫度、海拔高度間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖1 最小壓縮比設(shè)計(jì)流程Fig.1 Workflow for determining the minimum compression ratio

2 光學(xué)診斷測(cè)試

2.1 光學(xué)試驗(yàn)方法

本文背景工質(zhì)溫度控制系統(tǒng)由加熱瓦、調(diào)壓器和溫度傳感器組成，對(duì)容彈內(nèi)部進(jìn)行溫度控制，控制精度為0.1 K。由于加熱瓦布置在容彈內(nèi)測(cè)試區(qū)域的下方，熱量由下向上傳遞，在測(cè)試區(qū)域的軸向和徑向上都會(huì)存在一定的溫度梯度，因此在研究燃油噴射過程之前，在噴油器下方軸向距離4 cm、7 cm、10 cm處取三個(gè)點(diǎn)1、2、3，徑向距離5 cm處取一個(gè)點(diǎn)布置溫度測(cè)點(diǎn)，來測(cè)試軸向和徑向的溫度梯度，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：噴嘴下方軸向方向100 cm的范圍內(nèi)溫度比較一致，溫差在10 K以內(nèi)；徑向方向5 cm處的溫差比較明顯，軸線處的溫度最高，比徑向處的溫度約高20 K。在測(cè)試燃油噴射過程時(shí)，為了避免溫度傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生干擾，只保留內(nèi)壁處的測(cè)溫傳感器。

圖2 容彈內(nèi)軸向和徑向的溫差特性Fig.2 Characteristic diagram of axial and radial temperatures in CVCC

在CVCC內(nèi)獲取柴油噴霧不同背景密度下的臨界著火溫度。試驗(yàn)用CVCC內(nèi)部容積為15 L，內(nèi)部可承受最高溫度為1 000 K，可承受最高壓力為6 MPa。在頂部中心位置安裝高壓共軌單孔電控噴油器。噴油器四周環(huán)繞冷卻水腔，冷卻液溫度可低至333 K。CVCC的4個(gè)方位上裝有直徑為100 mm的石英視窗，以便觀測(cè)記錄柴油著火燃燒特性。CVCC內(nèi)充入壓縮空氣，內(nèi)部溫度由底部加熱絲控制。使用易控單元控制高壓共軌噴油系統(tǒng)軌壓、噴油器啟噴時(shí)刻并同步觸發(fā)高速相機(jī)。

采用直拍法噴霧著火測(cè)試，裝置布置示意圖如圖3所示。高速相機(jī)型號(hào)為美國(guó)Vision Resesarch公司生產(chǎn)的Phantom V7.3，拍攝圖幅為256像素×512像素，拍攝頻率為20 000幀/s，相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)置為20 μs。采用一定強(qiáng)度的背光，以清晰地記錄柴油噴霧及火焰發(fā)展。試驗(yàn)中光源軸線和相機(jī)軸線垂直布置，以清晰記錄柴油噴霧發(fā)展過程和火焰演變過程。

圖3 光學(xué)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the optical experiment setup

試驗(yàn)工況如表1所示。CVCC內(nèi)背景密度從9 kg/m增加到22.5 kg/m，間隔4.5 kg/m。背景溫度范圍為680～920 K。為防止噴霧著火位置超越視窗范圍，噴油壓力保持恒定為40 MPa。每個(gè)工況下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)。本文試驗(yàn)所使用的燃油為低溫環(huán)境中使用的-50號(hào)柴油，其理化特性如表2所示。

表1 試驗(yàn)工況

表2 -50號(hào)柴油理化特性表

噴霧的自燃燃燒經(jīng)歷低溫冷焰、藍(lán)焰和熱焰3個(gè)階段。冷焰溫度較低，自然發(fā)光強(qiáng)度極弱。冷焰階段形成的CHO通過藍(lán)焰反應(yīng)生成CO，之后CO通過熱焰反應(yīng)生成燃燒最終產(chǎn)物CO。因此，出現(xiàn)藍(lán)焰表明有相當(dāng)一部分的燃油化學(xué)能被釋放出來。如圖4所示，將高速相機(jī)拍攝圖像的RGB值放大10倍，可清晰地觀測(cè)到噴霧火焰內(nèi)的藍(lán)焰和黃焰分布。

圖4 直拍著火圖像數(shù)據(jù)處理Fig.4 Post-processing of the initial flame image

2.2 柴油噴霧的臨界著火溫度

表3為背景密度13.5 kg/m下不同背景溫度開始噴油后柴油噴霧的著火過程。由表3可以看出，當(dāng)背景溫度為783 K時(shí)，噴霧液相相區(qū)下游、噴霧軸線附近首先出現(xiàn)了藍(lán)色火焰，且藍(lán)焰面積不斷增加。最后在藍(lán)色火焰核心位置處出現(xiàn)了碳煙熾光引起的

表3 不同背景溫度下噴霧自燃過程

黃色火焰。藍(lán)色火焰是噴霧頭部混合氣預(yù)混燃燒形成的。隨后，先期的預(yù)混燃燒造成噴霧核心形成了高溫缺氧區(qū)域，造成該區(qū)域內(nèi)Soot的大量形成并發(fā)出黃色熾光。背景溫度720 K時(shí)，視窗內(nèi)未見火焰。

背景溫度降低時(shí)(755～733 K)，噴霧滯燃期增長(zhǎng)，藍(lán)色火焰在噴霧結(jié)束以后出現(xiàn)。由于沒有燃油的持續(xù)注入，噴霧滯燃期越長(zhǎng)，噴霧內(nèi)的燃油混合氣濃度就越低，高溫藍(lán)焰區(qū)形成Soot的概率就越小。因此，在環(huán)境溫度位于755 K和733 K之間時(shí)，噴霧結(jié)束后盡管可以形成預(yù)混藍(lán)色火焰，但是黃色火焰極其不穩(wěn)定。當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步降低到720 K時(shí)，噴霧內(nèi)混合氣濃度低于高溫著火的稀側(cè)邊界，視窗內(nèi)未見火焰。

以能否出現(xiàn)藍(lán)焰為標(biāo)準(zhǔn)，得到不同密度下柴油噴霧的臨界著火溫度如圖5所示。由圖5可以看出，隨著環(huán)境密度的增加，柴油噴霧臨界著火溫度先快速降低后緩慢降低。以前的研究表明，盡管環(huán)境密度對(duì)噴霧形態(tài)影響很大，其并不通過影響物理混合過程影響噴霧的自燃。環(huán)境密度的改變并不改變?nèi)剂系牡蜏睾透邷胤磻?yīng)路徑。環(huán)境密度降低造成的化學(xué)反應(yīng)速率變慢是低密度環(huán)境下噴霧自燃困難的主要原因。隨著背景密度的增加，CHO和CO等關(guān)鍵中間產(chǎn)物的凈生成速率加快，促進(jìn)燃油自燃，臨界著火溫度降低。背景密度22.5 kg/m下臨界著火溫度為700 K左右。通過數(shù)據(jù)擬合，建立臨界著火溫度和背景密度間的擬合關(guān)系式如(1)式所示：

(1)

式中：為臨界著火溫度；為臨界著火密度。

圖5 柴油噴霧臨界著火溫度隨背景密度的變化Fig.5 Critical ignition temperature of diesel spray versus ambient density

3 整機(jī)倒拖試驗(yàn)

3.1 倒拖試驗(yàn)方法

圖6為多缸柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)圖。柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。試驗(yàn)過程中單體泵控制閥全開，保證運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噴油器不噴油。控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分別為100～800 r/min，由電力測(cè)功機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄柴油機(jī)第1缸缸壓。

圖6 柴油機(jī)倒拖試驗(yàn)圖Fig.6 Motoring test diagram

表4 試驗(yàn)柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 起動(dòng)過程缸內(nèi)壓縮終了狀態(tài)

由于低轉(zhuǎn)速下廢氣渦輪增壓器尚未介入且未開啟進(jìn)氣預(yù)熱，可假設(shè)大氣環(huán)境狀態(tài)(，)等于缸內(nèi)壓縮沖程始點(diǎn)狀態(tài)(，)。不同倒拖轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮終了壓力如圖7所示。圖7中，為柴油機(jī)壓縮比，為絕熱指數(shù)，=14。由圖7可以看出，隨著倒拖轉(zhuǎn)速的提高，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力先快速增加后緩慢增加，最后基本維持不變，表明缸內(nèi)漏氣量隨轉(zhuǎn)速逐漸降低。

圖7 不同倒拖轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮終了壓力Fig.7 In-cylinder pressure at the end of the compression at different speeds of the diesel engine

通過數(shù)據(jù)擬合，得出柴油機(jī)冷起動(dòng)過程中缸內(nèi)實(shí)際壓縮終了狀態(tài)(，，)隨啟噴轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)壓縮比和柴油機(jī)壓縮沖程始點(diǎn)狀態(tài)(，)間的關(guān)系式為

(2)

式中：為考慮漏氣及散熱后的能量損失系數(shù)，=1-368-05；為氣體常數(shù)，=287 J/(K·kg)。

4 熱力學(xué)分析

柴油機(jī)直接從外界大氣環(huán)境吸入新鮮空氣，空氣經(jīng)過缸內(nèi)壓縮沖程后溫度進(jìn)一步提升至壓縮終了溫度。缸內(nèi)的壓縮終了溫度會(huì)對(duì)燃料的燃燒過程造成非常大的影響。只有當(dāng)缸內(nèi)壓縮終了狀態(tài)達(dá)到柴油噴霧臨界著火條件(，，)時(shí)，柴油機(jī)才能正常起動(dòng)。因此，根據(jù)噴霧臨界著火條件可以確定柴油機(jī)壓縮始點(diǎn)最低溫度。柴油機(jī)進(jìn)氣過程如圖8所示。圖8中，進(jìn)氣壓力等于壓縮始點(diǎn)缸內(nèi)壓力，為吸入空氣質(zhì)量，為最低進(jìn)氣溫度，為壓縮始點(diǎn)吸入空氣質(zhì)量。

圖8 柴油機(jī)進(jìn)氣過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of the intake process of the diesel engine

在啟噴轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)僅有新鮮空氣，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)最低進(jìn)氣溫度為，且最低進(jìn)氣溫度等于壓縮始點(diǎn)最低溫度(=)。在升速期，上一循環(huán)的高溫殘余廢氣的對(duì)下循環(huán)的新鮮充量具有一定的加熱作用。因此，柴油機(jī)Ramp期間對(duì)的要求有所降低。Ramp期壓縮始點(diǎn)最低溫度為殘余廢氣和新鮮充量混合后的最低溫度(=)。

首先,根據(jù)缸內(nèi)噴霧臨界著火狀態(tài)(，，)計(jì)算柴油機(jī)壓縮始點(diǎn)最低溫度。根據(jù)(2)式，臨界缸內(nèi)壓縮終了狀態(tài)(，)和壓縮始點(diǎn)最低溫度以及壓縮始點(diǎn)狀態(tài)間的關(guān)系為

(3)

聯(lián)立(1)式和(3)式，可得與、、以及間的關(guān)系為

(4)

(4)式為關(guān)于的一元四次方程。根據(jù)費(fèi)拉里法求根公式，(4)式具有4個(gè)數(shù)值根。根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，漏氣和傳熱相對(duì)時(shí)間縮短，隨轉(zhuǎn)速應(yīng)該是逐漸降低的。據(jù)此，可以確定(4)式的唯一正確實(shí)根。

啟噴轉(zhuǎn)速下，=。Ramp期間需要考慮殘余廢氣計(jì)算柴油機(jī)的最低進(jìn)氣溫度。起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速低，柴油機(jī)一般在上止點(diǎn)后著火，而且預(yù)混比例高，以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的燃燒持續(xù)期較短，缸內(nèi)壓力快速升高，燃燒過程快速完成，加熱過程更接近定容加熱，因此可以假設(shè)Ramp期柴油噴霧的燃燒過程為定容加熱過程(奧托循環(huán))，示功圖如圖9所示。將膨脹沖程線延長(zhǎng)直至與進(jìn)氣壓力線相交，等效于缸內(nèi)氣體膨脹到了進(jìn)氣壓力，可以獲得殘余廢氣溫度和密度(，)。壓縮始點(diǎn)吸入的新鮮空氣體積為，壓縮終點(diǎn)殘余廢氣體積為。

圖9 柴油機(jī)Ramp期間的理論循環(huán)示功圖Fig.9 p-V diagram of the theoretical cycle during the ramp stage

圖9中各點(diǎn)狀態(tài)如表5所示。表5中，和分別為定容增壓比和缸內(nèi)氣體膨脹到時(shí)的等效膨脹比，、、分別為發(fā)動(dòng)機(jī)各特征點(diǎn)的缸內(nèi)壓強(qiáng)、溫度與密度。

表5 奧托循環(huán)特征點(diǎn)狀態(tài)

另外，假設(shè)空燃比為柴油理論空燃比143，燃油低熱值為，且燃油完全燃燒。循環(huán)噴油量和循環(huán)空氣量分別為和，混合氣體的定容比熱為。則循環(huán)放熱量為

=·=(+)(-)=
(143+1)(-1)-1

(5)

根據(jù)(5)式，可得定容增壓比為

(6)

殘余廢氣壓力、混合后壓縮始點(diǎn)壓力和相等：

(7)

根據(jù)(7)式，可得等效膨脹比為

(8)

根據(jù)表5，殘余廢氣密度和溫度分別為

(9)

的新鮮空氣質(zhì)量和的殘余廢氣質(zhì)量和分別為

=
=
+=(+)

(10)

假設(shè)的新鮮空氣和的殘余廢氣的混合是瞬間完成的，則混合過程為定壓絕熱過程，混合前后總內(nèi)能不變：

+=(+)

(11)

式中：、和分別為殘余廢氣、新鮮空氣以及其混合氣的定容比熱，并假設(shè)它們相等。

根據(jù)(11)式，并將(9)和(10)代入，可得

(12)

當(dāng)最小等于(4)式中的時(shí)，缸內(nèi)壓縮終了狀態(tài)為柴油噴霧臨界著火狀態(tài)。此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度即為Ramp期過程中的最低進(jìn)氣溫度。因此為

(13)

因此，柴油機(jī)正常起動(dòng)時(shí)所需的最低進(jìn)氣溫度是關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的分段函數(shù)：?jiǎn)娹D(zhuǎn)速下沒有殘余廢氣作用，==；柴油機(jī)Ramp期過程中，=。

(14)

根據(jù)(4)式和(14)式，在固定進(jìn)氣壓力(海拔高度)條件下，可以計(jì)算不同壓縮比柴油機(jī)起動(dòng)過程中的最低進(jìn)氣溫度；在固定進(jìn)氣溫度下，可以計(jì)算不同壓縮比柴油機(jī)起動(dòng)過程中的最低進(jìn)氣壓力(最高海拔高度)。反之，可以根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行環(huán)境條件確定柴油機(jī)的最小壓縮比。

5 結(jié)果與討論

5.1 不同環(huán)境溫度下柴油機(jī)起動(dòng)所需的最小壓縮比

對(duì)于本文中柴油機(jī)，啟噴轉(zhuǎn)速為200 r/min、怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min，取值為42 MJ/kg，取值1.4，取值0.782 J/(K·kg)。根據(jù)(4)式和(14)式,在平原環(huán)境下(=0.1 MPa)，不同環(huán)境溫度下柴油機(jī)起動(dòng)過程中所需最小壓縮比如圖10所示。由圖10可以看出，隨著的增加，啟噴轉(zhuǎn)速和Ramp期對(duì)應(yīng)的最低進(jìn)氣溫度均降低。另外，由于殘余廢氣的加熱作用，啟噴轉(zhuǎn)速下需要的最低進(jìn)氣溫度高于Ramp期間需要的最低進(jìn)氣溫度。因此，當(dāng)柴油機(jī)沒有進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)時(shí)，其最小壓縮比滿足了啟噴轉(zhuǎn)速最低進(jìn)氣溫度要求，也就滿足了Ramp期的最低進(jìn)氣溫度要求。也就是說，無進(jìn)氣預(yù)熱柴油機(jī)正常起動(dòng)最小壓縮比的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為啟噴轉(zhuǎn)速工況。對(duì)于采用進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)，啟噴轉(zhuǎn)速及Ramp期均可使用進(jìn)氣預(yù)熱提高進(jìn)氣溫度保證缸內(nèi)噴霧成功自燃，但是怠速工況下進(jìn)氣預(yù)熱通常不工作。因此，采用進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)最小壓縮比的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為怠速工況。從圖10中還可以看出，對(duì)于無進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)，環(huán)境溫度為273 K時(shí)，柴油機(jī)能夠在200 r/min穩(wěn)定起動(dòng)的最小壓縮比為13.8；當(dāng)環(huán)境溫度降低到238 K時(shí)，柴油機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)所需的最小壓縮比增加到18。對(duì)于采用進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)，最小壓縮比的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為800 r/min怠速工況，當(dāng)環(huán)境溫度為263 K時(shí)，柴油機(jī)穩(wěn)定怠速所需的最小壓縮比為12，當(dāng)環(huán)境溫度降低到210 K時(shí)，柴油機(jī)最小壓縮比需增加到18。

圖10 不同環(huán)境溫度下柴油機(jī)起動(dòng)所需最小壓縮比Fig.10 Minimum compression ratios for starting at different ambient temperatures

5.2 不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)所需的最小壓縮比

在高原環(huán)境中，大氣密度下降導(dǎo)致的進(jìn)氣不足也會(huì)造成柴油噴霧自燃困難，柴油機(jī)難以正常起動(dòng)。因此，根據(jù)臨界著火溫度確定不同海拔高度下柴油機(jī)正常起動(dòng)時(shí)所需的最小壓縮比，具有重要的工程指導(dǎo)意義。海拔高度和大氣環(huán)境壓力間的關(guān)系如表6所示。

表6 不同海拔高度下的進(jìn)氣壓力

柴油機(jī)起動(dòng)過程中廢氣渦輪增壓器尚未介入，可以假設(shè)=。對(duì)于本文中柴油機(jī)，根據(jù)(4)式，固定為13.8，改變可獲得不同海拔高度下正常起動(dòng)時(shí)，如圖11所示。由于臨界著火溫度隨環(huán)境密度降低先緩慢增加后快速增加(見圖5)，啟噴轉(zhuǎn)速和Ramp期間的均隨海拔高度增加也先緩慢增加后快速增加。

圖11 不同海拔高度下發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)最低進(jìn)氣溫度隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.11 Minimum intake temperature versus rotational speed at different altitudes

圖12 不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)所需最小壓縮比Fig.12 Minimum compression ratios for starting at different altitudes

根據(jù)(4)式和(14)式,在263 K環(huán)境溫度下，不同海拔高度下柴油機(jī)起動(dòng)所需最小壓縮比如圖12所示。從圖12中可以看出：1)對(duì)于無進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)，海拔高度為230 m時(shí)，柴油機(jī)能夠在200 r/min穩(wěn)定起動(dòng)的最小壓縮比為13.8；當(dāng)海拔升高到 4 000 m時(shí)，柴油機(jī)最小壓縮比需增加到18.0。2)對(duì)于采用進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)，最小壓縮比的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為800 r/min怠速工況，海拔高度為500 m時(shí)，柴油機(jī)穩(wěn)定怠速所需的最小壓縮比為12.0；當(dāng)海拔升高到4 400 m時(shí)，柴油機(jī)最小壓縮比需增加到17.0。

柴油機(jī)在800 r/min工況下穩(wěn)定怠速所需的最小壓縮比如圖13所示。由圖13可以看出，增加柴油機(jī)的壓縮比，能夠有效提高能夠穩(wěn)定怠速的海拔高度，但是影響幅度逐漸減小。海拔較低時(shí)，壓縮比從12.0增加到13.0，海拔高度能夠增加1 940 m，海拔較高時(shí)，壓縮比從16.0增加到17.0，海拔高度僅增加530 m。

圖13 不同海拔高度下柴油機(jī)穩(wěn)定怠速所需的最小壓縮比Fig.13 Minimum compression ratios for stable idling at different altitudes

6 結(jié)論

本文結(jié)合光學(xué)診斷和整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，基于熱力學(xué)理論，建立了柴油機(jī)最小壓縮比與環(huán)境溫度、海拔高度間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出了一種具有環(huán)境適應(yīng)性的柴油機(jī)最小壓縮比設(shè)計(jì)方法。得出以下主要結(jié)論：

1)柴油噴霧著火時(shí)，噴霧頭部混合氣預(yù)混燃燒形成藍(lán)焰，隨后在預(yù)混燃燒形成的高溫缺氧區(qū)域形成碳煙并發(fā)出黃色熾光。柴油噴霧臨界著火溫度隨背景密度增加先快速降低再緩慢降低，最后穩(wěn)定在703 K。

2)由于高轉(zhuǎn)速低漏氣和殘余廢氣加熱的雙重作用，相同的進(jìn)氣溫度下，啟噴轉(zhuǎn)速下所需的最小壓縮比高于穩(wěn)定怠速時(shí)所需的最小壓縮比。對(duì)于無進(jìn)氣預(yù)熱柴油機(jī)，最小壓縮比設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為啟噴轉(zhuǎn)速，以保證成功起動(dòng)；對(duì)于采用進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)，最小壓縮比設(shè)計(jì)點(diǎn)為怠速，以保證進(jìn)氣預(yù)熱關(guān)閉后能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)對(duì)于本文中的進(jìn)氣預(yù)熱柴油機(jī)，0 m海拔高度下，環(huán)境溫度從263 K降低到210 K時(shí)，柴油機(jī)最小壓縮比需從12增加到18；環(huán)境溫度263 K時(shí)，海拔高度從500 m增加到4 400 m，柴油機(jī)最小壓縮比需從12增加到17。