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，開展在不同海拔高度環(huán)境下柴油機低溫起動性能試驗，對比不同海拔高度下柴油機起動性能及燃燒差異，研究高原低溫環(huán)境對柴油機起動性能的影響。試驗結(jié)果表明：相同低溫環(huán)境下，隨海拔高度升高，柴油機起動需要的循環(huán)數(shù)增加，起動時間變長；高海拔環(huán)境下，柴油機起動第一個循環(huán)，缸內(nèi)未有明顯燃燒跡象，低溫起動前期缸內(nèi)雙峰燃燒比例增加；隨著海拔高度升高，缸內(nèi)燃燒始點逐步靠近壓縮上止點位置。本文中利用高海拔環(huán)境模擬倉，開展柴油機在不同海拔高度下低溫起動性能試驗，結(jié)合燃燒放熱規(guī)律分析柴油機起動過程缸內(nèi)燃燒變化規(guī)律。

一、研究啟動性能的意義

      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(qū)冬季最冷時的溫度可達-41℃。高原地區(qū)具有空氣稀薄、氧氣含量少、環(huán)境溫度低等特點，且隨著海拔高度升高，大氣壓力和溫度呈現(xiàn)逐步降低趨勢。據(jù)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(nèi)自行壓燃，因此柴油機起動階段燃燒受外部環(huán)境條件影響較大。當(dāng)柴油機在高原環(huán)境下起動時，受大氣壓力及環(huán)境溫度影響，壓縮上止點附近缸內(nèi)溫度及混合氣形成條件均較差，導(dǎo)致混合氣形成狀況不及平原地區(qū)，柴油機在起動過程中會出現(xiàn)著火不穩(wěn)甚至失火等現(xiàn)象。

      冷起動性能是柴油機重要性能指標(biāo)之一，冷起動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(qū)大氣環(huán)境影響，柴油機在高海拔、低溫環(huán)境下常存在起動困難現(xiàn)象。在低海拔地區(qū)，柴油機不采取冷起動輔助措施時，一般極限低溫起動溫度為-10℃；但在海拔高度為4800 m地區(qū)、溫度為-5℃時，如果不帶輔助措施就無法順利起動。因此，研究柴油機高原低溫起動性能具有重要意義。

二、試驗設(shè)備與方案

1、試驗設(shè)備及樣機

      高原低溫起動試驗系統(tǒng)由高海拔環(huán)境倉系統(tǒng)、柴油機試驗臺架系統(tǒng)組成，其中高海拔環(huán)境倉系統(tǒng)由羅茨風(fēng)機控制發(fā)動機進氣壓力、排氣背壓，可用于模擬海拔高度為0~5000 m時的大氣壓力，并能進行環(huán)境溫度調(diào)節(jié)控制，控制溫度為-35~20℃，精度≤±1℃。高海拔環(huán)境倉見圖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

      進行0、2000、3500m 3個海拔高度下低溫起動性能試驗，環(huán)境溫度均設(shè)為-15℃。起動過程中采用奇石樂燃燒分析儀記錄缸內(nèi)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(nèi)壓縮、點火及燃燒放熱過程；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?shù)饺紵治鰞x放大并轉(zhuǎn)化為缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，曲軸轉(zhuǎn)速傳感器將曲軸信號傳給曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號通過電子控制單元(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初期缸內(nèi)燃燒情況，試驗時其他邊界條件不變，將環(huán)境倉溫度設(shè)定為-15℃，采用強制循環(huán)系統(tǒng)冷卻水，控制每次起動時柴油機的水溫、機油溫度保持一致。通過調(diào)整環(huán)境倉進氣壓力和排氣背壓模擬不同海拔高度。一次起動性能試驗結(jié)束后，將環(huán)境倉升至常溫、常壓環(huán)境，并將發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500 r/min，熱車20 min，保證起動試驗過程中缸內(nèi)未完全燃燒的柴油充分燃燒。相鄰起動試驗相隔8 h，保證柴油機充分冷卻至相同溫度。

      起動試驗時控制起動電壓一致，以保證每次倒拖轉(zhuǎn)矩相同，采用電流鉗記錄起動瞬間最大電流。起動時同步記錄ECU起動參數(shù)及燃燒分析儀參數(shù)，保證ECU記錄數(shù)據(jù)與燃燒分析儀參數(shù)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，試驗過程中采集氣缸壓力、柴油機轉(zhuǎn)速、進氣溫度、水溫、機油溫度等參數(shù)。定義曲軸轉(zhuǎn)角為-360°~+360°為一個燃燒循環(huán)，包含進氣、壓縮、做功、排氣過程。通過ECU控制邏輯中自行判斷的起動結(jié)束標(biāo)志(當(dāng)ECU監(jiān)控到發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到該溫度下對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，則判斷起動結(jié)束)判斷柴油機是否起動成功，即當(dāng)柴油機起動成功后，怠速運行相同時間。

三、高原低溫起動過程分析

1、不同海拔高度下起動性能對比

      環(huán)境溫度為-15℃時，3個海拔高度下發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示。由圖3可知：溫度為-15℃時，該機型在3個海拔高度均可以起動成功，但不同海拔高度下的柴油機起動性能存在差異；隨著海拔高度升高，起動結(jié)束標(biāo)志的循環(huán)數(shù)逐步增加，3個海拔高度下起動結(jié)束時對應(yīng)的循環(huán)數(shù)依次為67、73、78，循環(huán)數(shù)增大表明起動時間增加。這是因為在低氣壓和低溫雙重因素共同影響下，柴油機起動階段受進氣質(zhì)量少、進氣溫度低、燃油蒸發(fā)霧化質(zhì)量差、機油黏度增大等因素影響，起動過程中柴油機拖動轉(zhuǎn)速降低、氣缸壁與外界傳熱損失增大，起動過程中壓縮終了溫度及缸內(nèi)壓力下降，燃燒滯燃期延長，影響發(fā)動機起動性能。