高海拔与平原柴油发电机燃烧差异分析及起动性能对比

摘要：以康明斯重型电控高压共轨柴油发电机为探求对象，利用高海拔环境模拟试验台，开展在不同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起动性能及燃烧差异，探讨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，柴油发电机起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，低温起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起动性能试验，结合燃烧放热规律分析柴油发电机启动流程缸内燃烧变化规律。

      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、环境温度低等优点，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，大气压力降低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，因此柴油发电机起动阶段燃烧受外部环境因素危害较大。当柴油发电机在高原环境下起动时，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，致使混合气形成状况不及平原地区，柴油发电机在起动步骤中会产生着火不稳甚至失火等现象。

      冷启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，还影响其使用寿命。受高原地区大气环境危害，柴油发电机在高海拔、低温环境下常存在起动失败情形。在低海拔地区，柴油发电机不采取冷起动辅助办法时，一般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，如果不带辅助方案就无法顺利启动。因此，研讨柴油发电机高原低温启动性能具有重要意义。

      高原低温起动试验装置由高海拔环境仓系统、柴油发电机试验台架装置组成，其中高海拔环境仓装置由罗茨风机控制发电机进气压力、排气背压，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、增压中冷康明斯柴油发电机报价、电喷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℃。起动流程中采用奇石乐燃烧解析仪记录缸内燃烧压力，缸压信号反映柴油发电机燃烧现状，可以充分反映缸内压缩、点火及燃烧放热程序；在柴油发电机第6缸的缸盖上装配缸压传感器，将缸压传感器电信号传输到燃烧分析仪放大并转化为缸内压力参数，曲轴转速探头将主轴信号传给主轴转角适配器，燃烧剖析仪连接如图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，ECM)采集，采样频率为10 Hz。

      为便于对比不同海拔高度下柴油发电机启动初期缸内燃烧情形，试验时其他边界因素不变，将环境仓温度设定为-15℃，采用强制循环装置防锈水，控制每次起动时柴油发电机的水温、机油温度保持一致。通过调节环境仓进气压力和排气背压模拟不一样海拔高度。一次启动性能试验结束后，将环境仓升至常温康明斯发电机官网、常压环境，并将发电机转速设置为1500 转/分，热车20 min，保证起动试验程序中缸内未完全燃烧的柴油充分燃烧。相邻启动试验相隔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市电流。启动时同步记录ECU启动数据及燃烧剖析仪数据，保证ECU记录参数与燃烧剖析仪数据的同步对齐。试验用燃油为-35国六低温柴油、机油牌号为Mobil5W-40，试验步骤中采集汽缸压力、柴油发电机速度、进气温度、水温、机油温度等参数。定义曲轴转角为-360°~+360°为一个燃烧循环，包含进气、压缩、做功、排烟步骤。通过ECM控制逻辑中自行判定的启动结束标志(当ECU监控到发电机速度达到该温度下对应的发电机速度，则判断起动结束)预判柴油发电机是否起动成功，即当柴油发电机启动成功后，怠速运行相同时间。

      环境温度为-15℃时，3个海拔高度下发电机转速变化曲线个海拔高度均可以启动成功，但不一样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，起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，循环数增大表明起动时间增加。这是由于在低气压和低温双重因素共同危害下，柴油发电机启动阶段受进气质量少、进气温度低、燃油蒸发雾化质量差、机油黏度增大等因素影响，起动过程中柴油发电机拖动速度减少、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，不一样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，起动开始的前3个循环，缸内未有明显燃烧迹象，且随着海拔高度的升高，起动结束标志前缸内较大缸压呈现减轻趋势。这是因为高原地区空气稀薄，起动流程中进气品质少，引起缸内可燃混合气品质少，燃油与氧分子碰撞机会少，使柴油发电机无法顺利着火或产生间歇性失火，并且因为高海拔下含氧量相对较低，在相同喷油量基础上也无法完全燃烧，造成启动程序中缸内平均高效压力减少；随着启动阶段循环数增加，平原及高原起动流程中较大缸压均超过20.0MPa，平原起动过程中较大爆压甚至达到25.0 MPa。这是由于启动电控逻辑中有斜坡转矩，即当柴油发电机起动时间超过标定时间且启动结束标志仍未变化时，为提升起动效果，需要增加启动转矩，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，使启动时的较高爆发压力比全负荷时高。当起动结束标志出现跳变后，柴油发电机运转在怠速工况，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转速变化曲线  不一样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，着火发生后缸内做功能力良好，较大缸压瞬态可达到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。这是由于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，在启动初期因为缸内气量少致使压缩上止点温度偏低，增长了燃烧滞燃期，无法快速形成着火氛围，因此第一循环基本为纯压缩程序。

      为讨论某海拔高度下的燃烧循环规律，选购海拔高度为3500m的柴油发电机起动步骤进行燃烧剖析，启动前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；当第二个峰值发生时，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，燃烧速率减少，且缸内燃烧环境不良，因此加载到相同的速度需要更多的循环，即起动时间更长；启动流程中随循环数增加，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康明斯柴油发电机价格，平原地区燃烧始点对应曲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，引起每循环进入气缸的空气较平原相对较少，压缩终点压力减轻，滞燃期增大，且因为缸内混合气密度降低，致使反应物分子之间碰撞的机率减轻，着火之前混合气预反应程序相应延迟，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，缸内着火条件普遍较差，双峰不完全燃烧状况较为明显，不利于迅速启动。