高海拔与平原柴油发电机燃烧区别细说及起动性能对比

摘要：以康明斯重型电控高压共轨柴油发电机为讨论对象，利用高海拔环境模拟试验台，开展在不一样海拔高度环境下柴油发电机低温起动性能试验，对比不一样海拔高度下柴油发电机启动性能及燃烧区别，研究高原低温环境对柴油发电机起动性能的影响。试验结果表明：相同低温环境下，随海拔高度升高，柴油发电机启动需要的循环数增加，起动时间变长；高海拔环境下，柴油发电机启动第一个循环，缸内未有明显燃烧迹象，低温启动前期缸内双峰燃烧比例增加；随着海拔高度升高，缸内燃烧始点逐步靠近压缩上止点位置。本文中利用高海拔环境模拟仓，开展柴油发电机在不一样海拔高度下低温启动性能试验，结合燃烧放热规律简述柴油发电机起动程序缸内燃烧变化规律。

      我国地域辽阔，高原山地面积占全国总面积的60%以上，高海拔地区冬天较冷时的温度可达-41℃。高原地区具有空气稀薄、氧气含量少、环境温度低等特征，且随着海拔高度升高，大气压力和温度呈现逐步减轻趋势。据气象资料显示：海拔高度每升高1000 m，大气压力减轻10 kPa，气温下降0.65℃。因为挥发性差，柴油燃烧为缸内自行压燃，因此柴油发电机启动阶段燃烧受外部环境要素危害较大。当柴油发电机在高原环境下启动时，受大气压力及环境温度危害，压缩上止点附近缸内温度及混合气形成因素均较差，引起混合气形成现状不及平原地区，柴油发电机在启动程序中会发生着火不稳甚至失火等状况。

      冷起动性能是柴油发电机重要性能指标之一，冷起动性能不仅危害柴油发电机工作效率，还影响其使用年限。受高原地区大气环境危害，柴油发电机在高海拔、低温环境下常存在无法起动状况。在低海拔地区，柴油发电机不采取冷启动辅助举措时，通常极限低温启动温度为-10℃；但在海拔高度为4800 m地区、温度为-5℃时，如果不带辅助措施就无法顺利启动。因此，讨论柴油发电机高原低温启动性能具有重要意义。

      高原低温起动试验系统由高海拔环境仓系统、柴油发电机试验台架系统组成，其中高海拔环境仓机构由罗茨风机控制发电机进气压力、排烟背压，可用于模拟海拔高度为0~5000 m时的大气压力，并能进行环境温度调节控制，控制温度为-35~20℃，精度≤±1℃。高海拔环境仓见图1。

      试验样机为某重型直列六缸、直喷、四冲程、增压中冷、电控高压共轨柴油发电机。

      进行0、2000、3500m 3个海拔高度下低温启动性能试验，环境温度均设为-15℃。启动步骤中采用奇石乐燃烧详解仪记录缸内燃烧压力，缸压信号反映柴油发电机燃烧状况，可以充分反映缸内压缩、点火及燃烧放热步骤；在柴油发电机第6缸的缸盖上安装缸压探头，将缸压传感器电信号传输到燃烧浅析仪放大并转化为缸内压力数据，曲轴转速传感器将曲轴信号传给曲轴转角适配器，燃烧叙谈仪连接如图2所示。水温、机油温度及柴油发电机转速信号通过电子控制单元(electronic control unit，ECU)采集，采样频率为10 Hz。

      为便于对比不一样海拔高度下柴油发电机启动初期缸内燃烧状况，试验时其他边界条件不变，将环境仓温度设定为-15℃，采用强制循环系统冷却水，控制每次起动时柴油发电机的水温、机油温度保持一致。通过调整环境仓进气压力和排烟背压模拟不同海拔高度。一次起动性能试验结束后，将环境仓升至常温、常压环境，并将发电机转速设置为1500 转/分，热车20 min，保证启动试验步骤中缸内未完全燃烧的柴油充分燃烧。相邻起动试验相隔8 h，保证柴油发电机充分冷却至相同温度。

      起动试验时控制启动电压一致，以保证每次倒拖转矩相同，采用电流钳记录启动瞬态较大电流。启动时同步记录ECU启动数据及燃烧简述仪数据，保证ECU记录参数与燃烧详解仪数据的同步对齐。试验用燃油为-35国六低温柴油、机油牌号为Mobil5W-40，试验程序中采集气缸压力、柴油发电机转速、进气温度、水温、机油温度等数据。定义主轴转角为-360°~+360°为一个燃烧循环，包含进气、压缩、做功、排烟过程。通过ECU控制逻辑中自行判断的起动结束标志(当ECM监控到发电机转速达到该温度下对应的发电机转速，则判断启动结束)预判柴油发电机是否启动成功，即当柴油发电机启动成功后，怠速运转相同时间。

      环境温度为-15℃时，3个海拔高度下发电机速度变化曲线个海拔高度均可以起动成功，但不同海拔高度下的柴油发电机启动性能存在差异；随着海拔高度升高，启动结束标志的循环数逐步增加，3个海拔高度下启动结束时对应的循环数依次为67、73、78，循环数增大表明启动时间增加。这是由于在低气压和低温双重因素共同影响下，柴油发电机起动阶段受进气质量少、进气温度低、燃油蒸发雾化质量差、机油黏度增大等要素危害，启动流程中柴油发电机拖动转速减少、汽缸壁与外界传热损失增大，启动程序中压缩终了温度及缸内压力下降，燃烧滞燃期延长，影响发电机启动性能。

      环境温度为-15℃时，不同海拔高度下缸压变化曲线时，柴油发电机第一个燃烧循环较大缸压为12.8 MPa；海拔高度为2000、3500 m时，较大缸压仅约为3.0 MPa，启动开始的前3个循环，缸内未有明显燃烧迹象，且随着海拔高度的升高，启动结束标志前缸内较大缸压呈现减轻趋势。这是由于高原地区空气稀薄，启动程序中进气品质少，引起缸内可燃混合气质量少，燃油与氧分子碰撞机会少，使柴油发电机无法顺利着火或出现间歇性失火，并且因为高海拔下含氧量相对过低，在相同喷油量基本上也不能完全燃烧，造成起动步骤中缸内平均高效压力减少；随着起动阶段循环数增加，平原及高原启动程序中较大缸压均超过20.0MPa，平原启动流程中较大爆压甚至达到25.0 MPa。这是因为启动电喷逻辑中有斜坡转矩，即当柴油发电机启动时间超过标定期间且启动结束标志仍未变化时，为提高启动效果，需要增加起动转矩，即向气缸内多喷油，随着循环数的增加，缸内形成了较易燃烧的环境，多喷的柴油会在缸内突然燃烧，使起动时的较高爆发压力比全负荷时高。当启动结束标志出现跳变后，柴油发电机运行在怠速工况，缸压逐渐恢复到正常水平。

图3  不同海拔高度下柴油发电机速度变化曲线  不同海拔高度下柴油发电机较大缸压变化曲线

      3个海拔高度下起动第一个循环缸压的变化曲线可知：低温环境下，在平原地区，柴油发电机起动第一个循环燃烧迅速，着火出现后缸内做作用力良好，较大缸压瞬间可达到12.8 MPa；而海拔高度为2000、3500m时，启动第一个循环缸内均未发生较为明显的燃烧迹象，较大缸压约为3.0 MPa。这是因为平原地区进气量充足，且低温下空气密度较大，汽缸充量系数大，缸内具备快速着火条件；在高海拔地区，在起动初期因为缸内气量少导致压缩上止点温度偏低，延长了燃烧滞燃期，不能快速形成着火氛围，因此第一循环基础为纯压缩流程。

      为探讨某海拔高度下的燃烧循环规律，选定海拔高度为3500m的柴油发电机启动流程进行燃烧讲解，起动前3个循环的缸压变化曲线个循环缸内未有明显燃烧迹象，在该海拔高度下，缸内双峰燃烧放热规律较为明显，第一个峰值为缸内气体压缩峰值，第二个峰值为燃烧着火峰值；当第二个峰值出现时，对应的主轴转角为着火上止点后20°，此时活塞已处于下行状态，因为双峰燃烧属于不完全燃烧，缸内较高爆发压力不高，燃烧速率减轻，且缸内燃烧环境不好，因此加载到相同的速度需要更多的循环，即启动时间更长；启动程序中随循环数增加，缸内压力逐渐增大，经多个燃烧循环后，较终缸内着火。

      3个海拔高度下燃烧始点曲轴转角变化曲线可知：随海拔高度升高，燃烧始点对应曲轴转角逐步靠近压缩上止点位置，平原地区燃烧始点对应主轴转角在压缩上止点前4°；海拔高度为3500 m时，燃烧始点对应曲轴转角在压缩上止点前2°。这是由于海拔高度升高，大气压力下降，导致每循环进入汽缸的空气较平原相对较少，压缩终点压力减小，滞燃期增大，且因为缸内混合气密度减小，导致反应物分子之间碰撞的机率减小，着火之前混合气预反应程序相应增长，造成着火时间增长，燃烧始点角随海拔高度升高逐步向压缩上止点靠近。

（2）高海拔高度环境下，柴油发电机在启动前期，缸内着火要素普遍较差，双峰不完全燃烧现象较为明显，不利于迅速启动。