許翔, 劉剛, 周廣猛, 董素榮, 劉瑞林

(軍事交通學(xué)院軍用車(chē)輛系, 天津 300161)

大氣壓力和冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

許翔, 劉剛, 周廣猛, 董素榮, 劉瑞林

(軍事交通學(xué)院軍用車(chē)輛系, 天津 300161)

利用內(nèi)燃機(jī)高海拔(低氣壓)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了大氣壓力和冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)性能與燃燒特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著進(jìn)氣壓力降低，柴油機(jī)最高燃燒壓力下降，缸內(nèi)平均溫度大幅升高，燃燒始點(diǎn)推遲且持續(xù)期延長(zhǎng)，后燃嚴(yán)重，燃燒過(guò)程未能及時(shí)釋放熱量，動(dòng)力性能和燃料經(jīng)濟(jì)性下降明顯；隨著冷卻液溫度的升高，最高燃燒壓力增大，燃燒始點(diǎn)提前且持續(xù)期略有延長(zhǎng)，燃燒重心略微前移，燃燒放熱率減小，且大氣壓力越低冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響越明顯。在高海拔(低氣壓)條件下，提高柴油機(jī)冷卻液工作溫度，可以明顯減少冷卻液散熱量，提高柴油機(jī)的熱-功轉(zhuǎn)換效率，顯著改善柴油機(jī)的高原動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)柴油機(jī)熱負(fù)荷升高幅度并不大。

柴油機(jī)； 高海拔； 冷卻液溫度

大氣壓力是影響柴油機(jī)綜合性能指標(biāo)的重要因素。隨著海拔的升高，大氣壓力下降，空氣密度以及空氣中氧含量降低，柴油機(jī)在高海拔(低氣壓)環(huán)境條件下運(yùn)行時(shí)，將出現(xiàn)燃燒過(guò)程惡化，動(dòng)力性能顯著下降，燃油消耗量增大，熱負(fù)荷升高，排放惡化，可靠性降低等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響柴油機(jī)在高原地區(qū)的正常使用[1]。因此，柴油機(jī)的高原性能提升技術(shù)已成為人們研究的重點(diǎn)。目前的研究主要集中在柴油機(jī)高原性能仿真[2]、高原燃燒與排放特性分析[3-7]、噴油參數(shù)優(yōu)化[8]、高原增壓技術(shù)[9]以及各種綜合改進(jìn)技術(shù)[10]等，對(duì)柴油機(jī)在高原環(huán)境條件下冷卻液工作溫度對(duì)燃燒與放熱、熱-功轉(zhuǎn)換效率以及燃油經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行綜合分析的文獻(xiàn)較少。為了研究大氣壓力和冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能以及燃燒放熱等的影響，利用內(nèi)燃機(jī)高海拔(低氣壓)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了大氣壓力和冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和燃燒特性的影響，對(duì)于探索提高柴油機(jī)高原熱效率、改善柴油機(jī)高原性能具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)對(duì)象為某重型電控高壓共軌柴油機(jī)，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)設(shè)備包括內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣壓力與溫度模擬系統(tǒng)、CW440電渦流測(cè)功機(jī)、CMFD瞬態(tài)油耗儀、LQY600冷卻水恒溫裝置、ZL3000增壓中冷恒溫裝置、AVL670燃燒分析儀等。內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣壓力與溫度模擬系統(tǒng)(大氣壓力控制范圍為47～100 kPa，環(huán)境溫度控制范圍為-41 ℃至常溫)可模擬0～6 000 m海拔的試驗(yàn)環(huán)境。冷卻水恒溫裝置和增壓中冷恒溫裝置控制精度為±2 K，保證柴油機(jī)進(jìn)出水溫度和中冷后進(jìn)氣溫度基本恒定。燃燒分析儀用于儲(chǔ)存和處理角標(biāo)儀與缸壓傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缸壓和燃燒放熱率等的實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)臺(tái)架布置見(jiàn)圖1。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

1—測(cè)功機(jī); 2—柴油機(jī); 3—真空泵; 4—排氣穩(wěn)壓箱; 5—進(jìn)氣穩(wěn)壓箱; 6—電動(dòng)蝶閥; 7—進(jìn)氣流量計(jì); 8—水流量計(jì); 9—水泵; 10—壓氣機(jī); 11—渦輪機(jī); 12—節(jié)溫器; 13—冷卻水恒溫裝置; 14—中冷恒溫裝置; 15—溫度計(jì); 16—控制采集系統(tǒng)。圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置

1.2 試驗(yàn)條件及方法

分別選取海拔4 m(大氣壓力為100 kPa)、海拔3 000 m(大氣壓力為70.7 kPa)、海拔5 000 m(大氣壓力為53.9 kPa)等3個(gè)模擬海拔高度進(jìn)行柴油機(jī)速度特性試驗(yàn)，試驗(yàn)室環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為30%。在試驗(yàn)中，采用冷卻水恒溫裝置和增壓中冷恒溫裝置分別調(diào)節(jié)柴油機(jī)的冷卻強(qiáng)度和進(jìn)氣中冷后溫度，柴油機(jī)進(jìn)口冷卻液溫度分別控制在50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃等5個(gè)溫度水平，進(jìn)氣中冷后溫度控制在(40±2) ℃。試驗(yàn)過(guò)程中，不同模擬海拔、相同工況條件下柴油機(jī)的噴油參數(shù)(噴油提前角、噴油脈寬、軌壓)采用高海拔標(biāo)定后參數(shù)。對(duì)于每個(gè)工況點(diǎn)的測(cè)試，需要保證柴油機(jī)進(jìn)氣和排氣壓力、冷卻液溫度和機(jī)油溫度穩(wěn)定后再開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 大氣壓力對(duì)柴油機(jī)性能及燃燒的影響

在0 m海拔、3 000 m海拔和5 000 m海拔條件下柴油機(jī)扭矩和燃油消耗率對(duì)比見(jiàn)圖2。柴油機(jī)油門(mén)開(kāi)度為88%，進(jìn)口冷卻液溫度控制在60 ℃。隨著海拔的升高，柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力明顯下降，柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，使過(guò)量空氣系數(shù)降低，混合氣變濃，燃燒不充分，導(dǎo)致柴油機(jī)的輸出扭矩降低，燃油消耗率增大。海拔從4 m升高至3 000 m和從3 000 m升高至5 000 m，扭矩平均下降4.4%和29.5%，燃油消耗率平均升高3.2%和5.5%。由此可見(jiàn)，當(dāng)海拔高度超過(guò)3 000 m時(shí)，柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降非常明顯。

圖2 不同模擬海拔下柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

表2示出柴油機(jī)在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)進(jìn)口冷卻液溫度控制在80 ℃，不同海拔(大氣壓力)對(duì)應(yīng)的燃燒過(guò)程參數(shù)。隨著海拔的升高，進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量同時(shí)減小，相同工況點(diǎn)最高燃燒壓力從平原的11.84 MPa降低至5 000 m海拔時(shí)的9.82 MPa，下降17%。隨著海拔的升高，燃燒始點(diǎn)推遲，燃燒重心和燃燒結(jié)束點(diǎn)明顯推遲，燃燒持續(xù)期明顯增加，5 000 m海拔時(shí)燃燒持續(xù)期比平原時(shí)延長(zhǎng)了10 °曲軸轉(zhuǎn)角，后燃現(xiàn)象十分嚴(yán)重。在滿(mǎn)足柴油機(jī)最高燃燒壓力和排溫最高限值條件下，隨著海拔的升高，應(yīng)適當(dāng)增大噴油提前角，減小噴油量，可以改善燃燒質(zhì)量，提高柴油機(jī)的高原動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

表2 不同海拔對(duì)應(yīng)的燃燒過(guò)程參數(shù)

圖3示出柴油機(jī)進(jìn)口冷卻液溫度穩(wěn)定在80 ℃，標(biāo)定工況和最大扭矩工況下缸內(nèi)壓力隨海拔高度的變化。隨著海拔的升高，缸內(nèi)壓力顯著降低。由于大氣壓力和空氣密度隨海拔升高明顯降低，柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，當(dāng)每循環(huán)噴油量不變時(shí)空燃比和過(guò)量空氣系數(shù)均減小，柴油機(jī)在壓縮行程終點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)壓力下降，混合氣濃度增大，油氣混合質(zhì)量變差，燃燒著火時(shí)刻延遲，燃燒不充分使燃燒放熱量減少，導(dǎo)致最高燃燒壓力下降。在兩種不同運(yùn)行工況下，海拔5 000 m時(shí)缸壓曲線(xiàn)在上止點(diǎn)附近均出現(xiàn)兩個(gè)壓力峰值，這意味著在高海拔條件下活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)之后部分燃料才開(kāi)始著火、燃燒放熱，使滯燃期延長(zhǎng)，導(dǎo)致后燃現(xiàn)象非常嚴(yán)重[7]。

圖3 海拔(大氣壓力)對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖4示出標(biāo)定工況下柴油機(jī)缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率和平均燃燒溫度隨海拔高度的變化。隨著海拔升高滯燃期延長(zhǎng)，在滯燃期內(nèi)累積的可燃混合氣增多，導(dǎo)致預(yù)混合燃燒階段的燃燒速度和強(qiáng)度均增大，高溫燃?xì)膺M(jìn)一步加快了擴(kuò)散燃燒階段的燃油蒸發(fā)速度，使得氣缸內(nèi)溫度急劇上升。由圖4可知，缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率呈現(xiàn)從平原的“雙峰”曲線(xiàn)向高海拔的“單峰”曲線(xiàn)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。隨著海拔的升高，放熱始點(diǎn)推遲，第1個(gè)放熱率峰值略有推遲，而且峰值明顯增大；當(dāng)海拔達(dá)到3 000 m時(shí)，第2個(gè)放熱率峰值已明顯降低，5 000 m海拔時(shí)第2個(gè)峰值消失[12]。在平原條件下，柴油機(jī)在預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒階段均有放熱峰值出現(xiàn)，但主要燃燒放熱方式出現(xiàn)在擴(kuò)散燃燒階段。在高海拔條件下，由于柴油機(jī)進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量均減小，當(dāng)噴油參數(shù)保持不變時(shí)混合氣形成質(zhì)量變差，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒狀況惡化，燃油不能在上止點(diǎn)附近迅速燃燒，一部分燃油拖延到膨脹行程中繼續(xù)燃燒，擴(kuò)散燃燒階段燃燒放熱量明顯減少，而且燃燒放出的熱量得不到有效利用，導(dǎo)致柴油機(jī)的熱-功轉(zhuǎn)換效率明顯下降。

圖4 放熱率及缸內(nèi)溫度隨海拔的變化

2.2 冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)性能及燃燒的影響

圖5示出標(biāo)定工況、油門(mén)開(kāi)度為75%，不同海拔下柴油機(jī)的扭矩和燃油消耗率隨柴油機(jī)入口冷卻液溫度的變化。冷卻液溫度每升高10 ℃，柴油機(jī)的扭矩平均增加2.2%～3.4%，燃油消耗率平均下降1.8%～2.6%。隨著冷卻液溫度的升高，缸內(nèi)燃?xì)夂屠鋮s液的溫差減小，缸內(nèi)燃?xì)馔ㄟ^(guò)氣缸壁面?zhèn)鬟f給冷卻液的熱量明顯減少，使缸內(nèi)能量分配以及整機(jī)熱流量分配均發(fā)生變化，柴油機(jī)燃燒釋放的總熱量中轉(zhuǎn)化為有效功的熱量占比增加，同時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性也得到一定改善[13]。此外，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，冷卻液溫度每上升10 ℃，排氣溫度平均上升5 ℃，排氣溫度升高幅值明顯小于冷卻液的溫升。

圖5 冷卻液溫度對(duì)扭矩和燃油消耗率的影響

表3示出標(biāo)定工況下不同海拔及冷卻液溫度對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程參數(shù)。在相同海拔下，當(dāng)柴油機(jī)入口冷卻液溫度從50 ℃升高到90 ℃時(shí)，最高燃燒壓力增大1.9%～2.8%，燃燒始點(diǎn)提前，燃燒持續(xù)期縮短1.4°～4.1°，燃燒重心略微前移。當(dāng)冷卻液溫度較低時(shí)，傳熱損失大，著火延遲期較長(zhǎng)即燃燒起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角滯后[14]。隨著海拔的升高，冷卻液溫度對(duì)燃燒過(guò)程的影響更大。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，海拔高度(大氣壓力)對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的影響明顯強(qiáng)于冷卻液溫度。

表3 海拔及冷卻液溫度對(duì)燃燒過(guò)程的影響

圖6示出平原和海拔5 000 m條件下，柴油機(jī)最大扭矩工況時(shí)入口冷卻液溫度對(duì)瞬時(shí)放熱率和缸內(nèi)平均燃燒溫度的影響。由圖可知，冷卻液溫度對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響非常明顯。隨著海拔及冷卻液溫度的升高，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度均不同程度升高，高海拔對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響比低海拔更明顯。海拔越高冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響越明顯。隨著冷卻液溫度的升高，在平原和高原環(huán)境條件下著火延遲期均縮短，燃燒放熱始點(diǎn)提前，放熱率峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，但燃燒放熱速率均有所降低。在平原條件下，隨著冷卻液溫度的升高，預(yù)混合燃燒階段放熱率峰值略有下降，擴(kuò)散燃燒階段放熱率峰值增大。

圖6 放熱率及缸內(nèi)溫度隨冷卻液溫度的變化

3 結(jié)論

a) 隨著海拔高度增加，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性顯著下降，最高燃燒壓力降低，燃燒始點(diǎn)略有延遲，燃燒重心推遲，燃燒持續(xù)期增大，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，缸內(nèi)平均燃燒溫度大幅升高；相對(duì)平原，海拔5 000 m時(shí)柴油機(jī)的扭矩平均下降32.5%，燃油消耗率平均升高8.8%；

b) 在相同海拔高度和柴油機(jī)工況點(diǎn)下，隨著柴油機(jī)冷卻液工作溫度的升高，最高燃燒壓力增大，燃燒始點(diǎn)提前，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，燃燒重心略微前移，缸內(nèi)平均燃燒溫度明顯升高，燃燒放熱率減?。?/p>

c) 冷卻液溫度每升高10 ℃，柴油機(jī)的輸出扭矩平均增加2.2%～3.4%，燃油消耗率平均下降1.8%～2.6%，排氣溫度平均升高約5 ℃，柴油機(jī)熱負(fù)荷升高幅度不大；在相同柴油機(jī)工況點(diǎn)，冷卻液溫度對(duì)柴油機(jī)性能和燃燒過(guò)程的影響程度隨著海拔的增加而更加明顯。

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[編輯: 李建新]

Effects of Ambient Pressure and Coolant Temperature on Diesel Engine Performance

XU Xiang, LIU Gang, ZHOU Guangmeng, DONG Surong, LIU Ruilin

(Department of Military Vehicle, Military Transportation Institute, Tianjin 300161, China)

The effects of ambient pressure and coolant temperature on the performance and combustion characteristics of diesel engine were studied on the engine test bed of simulating high altitude (low pressure). The results indicate that the maximum combustion pressure decreases, the in-cylinder temperature increases greatly, the ignition timing delays and the combustion duration extends accompanied with severe post combustion, and the power and economy performance declines obviously because the combustion heat cannot release in time. With the increase of coolant temperature, the maximum combustion pressure increases, the ignition timing advances, the combustion duration extends slightly, the combustion center shifts forward and the heat release rate decreases. Moreover, the influence of coolant temperature on combustion is more obvious especially at low air pressure. Under the high altitude (low pressure) condition, increasing coolant temperature can reduce the heat release of coolant and increase the heat-work conversion efficiency, and the plateau power and economy performance of diesel engine improve greatly meanwhile without a high thermal load.

diesel engine; high altitude; coolant temperature

2016-12-03;

2017-04-26

軍隊(duì)科研項(xiàng)目(ZL2012500)

許翔(1978—)，男，博士,講師,主要研究方向?yàn)檐?chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性技術(shù);xu1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.002

TK427

B

1001-2222(2017)04-0006-05