柴油機回水溫度對燃燒過程影響試驗研究

強永平， 李海鷹， 張曉琴， 蔡忠周， 朱偉青， 李玉峰， 龔永星

(中國北方發動機研究所， 天津 300400)

0 引言

發動機在低溫環境運行時，由于進氣和缸壁溫度較低、噴油霧化不良、缸內散熱損失大等原因，容易產生不正常燃燒，嚴重時將導致活塞燒蝕故障。

關于發動機活塞燒蝕的原因，大多數學者認為是由于不正常燃燒導致了活塞失效和損壞[1-8]。何學良等[7]認為柴油機活塞燒蝕與燃燒壓力振蕩密切相關，所謂燃燒壓力振蕩就是參與預混燃燒的燃料量過多形成的爆炸式燃燒產生的壓力沖擊波。姚安仁等[4]認為汽油機爆震燃燒形成的壓力沖擊波造成活塞熔化、損壞。同時，部分學者針對均質壓燃(HCCI)發動機開展了敲缸特性研究，在最大壓升率為5～10 MPa/ms時產生了敲缸現象[9-16]。中國北方發動機研究所針對某柴油機在高原上燃用輕質柴油時出現的活塞燒蝕現象開展了試驗研究[1，6]，結果發現由于預混合階段燃燒放熱量過多，造成燃燒過程粗暴，最大壓升率顯著增大，是活塞燒蝕的重要原因[6]。目前，該型柴油機在北方地區冬季低溫環境下運行時也頻繁出現活塞燒蝕故障，因此需要進一步研究冷卻水溫度對活塞燒蝕和燃燒過程的影響，初步建立低溫條件下活塞燒蝕與燃燒過程的對應規律。

為在發動機臺架試驗中復現活塞燒蝕現象，并確定低溫運行情況下活塞燒蝕時燃燒過程的典型特征，本文在一個柴油機臺架上開展了回水溫度對燃燒過程影響的研究：通過設置較低的回水溫度模擬低溫環境；通過不同轉速和負荷試驗確定產生活塞燒蝕的工況，并觀察活塞燒蝕的程度；通過采集氣缸壓力分析燃燒過程特征，最后分析活塞燒蝕與燃燒過程變化特征之間的內在關系。

1 發動機參數和試驗方案

1.1 主要技術參數

本文研究采用一臺高比功率柴油機，主要參數為缸徑150 mm，沖程160 mm，壓縮比13.5. 供油系統采用直列泵，噴孔方案為10×φ0.32 mm×150°. 發動機主要技術參數如表1所示。

1.2 試驗方案

試驗方案如表2所示。為模擬發動機低溫燒蝕故障的運行環境，在發動機臺架試驗中將循環冷卻水的回水溫度分別控制為15 ℃、25 ℃、40 ℃，控制精度為±3 ℃. 在每種回水溫條件下按照表2所示的試驗方案進行不同轉速和負荷試驗。所用缸壓傳感器測量范圍為0～25 MPa，測量精度為0.05%. 燃燒分析儀型號為DEWE-5000-CA2，每次試驗采集120個循環。為研究壓力振蕩，采用0.25 °CA的曲軸轉角分辨率。冷卻水溫度傳感器測量范圍為0～100 ℃，精度為±0.5 ℃. 由于該機型采用水空增壓中冷，發動機的循環冷卻水流經中冷器，低負荷條件下中冷后進氣溫度往往接近冷卻液溫度。試驗時的環境溫度為13 ℃，低于所設置的回水溫度，因此中冷后的進氣溫度可近似認為等于回水溫度。試驗采用燃油為-50柴油，10%餾出溫度為212.1 ℃，50%餾出溫度為246.2 ℃，90%餾出溫度為272.4 ℃，95%餾出溫度為279.5 ℃，十六烷值為37.7.

表1 發動機技術參數Tab.1 Engine specifications

表2 試驗工況Tab.2 Test conditions

試驗過程為：在每個回水溫度下，按照表2中序號依次開展各個工況試驗，每個工況點穩定3～5 min后進行數據測試和采集。在每個回水溫度控制試驗完成后，觀察活塞是否燒蝕。實際試驗過程中，由于15 ℃回水溫度在轉速1 800 r/min以后發動機散熱量增加而設備散熱能力不足，無法控制回水溫度在限定值，因此沒有進行相關工況試驗。

2 活塞燒蝕試驗結果

根據發動機每輪試驗結束后幾次拆檢結果可知：回水溫度控制在40 ℃以上時，活塞未出現燒蝕現象；當回水溫度控制在25 ℃左右時，活塞出現輕微或部分燒蝕現象；當回水溫度控制在15 ℃左右時，活塞出現諸如活塞掉塊、嚴重拉缸的嚴重燒蝕故障。回水溫度與活塞燒蝕的關系如表3所示，其中回水溫度75 ℃的試驗，是該型發動機在另一次正常水溫條件下運行相同工況的臺架試驗結果。圖1顯示了一種輕微或部分活塞燒蝕的情況。

圖1 活塞燒蝕現象(回水溫度25 ℃)Fig.1 Ablated piston after experiment (return water temperature: 25 ℃)

3 燃燒過程分析

先分析各個工況點120個循環平均的壓力參數隨回水溫度的變化規律，然后對具有粗暴燃燒特點的典型工況進一步分析放熱規律和多循環燃燒變動規律。

3.1 不同工況循環平均燃燒參數分析

3.1.1 循環平均最高燃燒壓力

圖2表示不同工況下循環平均的最高燃燒壓力隨轉速和回水溫度的變化。需要說明的是，回水溫度75 ℃是采用以往正常試驗時相同工況結果數據。由圖2可見：當發動機轉速為1 300～2 200 r/min、負荷率為70%時，循環平均的最高燃燒壓力隨轉速變化趨勢較平穩，但是隨回水溫度變化顯著，較低的回水溫度造成較大的最高燃燒壓力；回水溫度25 ℃時的最高燃燒壓力達13 MPa，比回水溫度75 ℃時高出約20%. 但是當發動機轉速為800～1 100 r/min、負荷率為50%時，循環平均的最高燃燒壓力隨發動機轉速增加幾乎呈直線上升，回水溫度從25 ℃增加到75 ℃時對最高燃燒壓力的影響不大；但是當回水溫度降低到15 ℃時，循環平均的最高燃燒壓力顯著高于其他回水溫度時的數值，特別是在轉速1 100 r/min時的最高燃燒壓力高達12 MPa，比該工況其他回水溫度時的最高燃燒壓力高約50%.

圖2 表2中各工況循環平均最高燃燒壓力變化Fig.2 Comparison of maximum combustion pressures under the operation conditions in Tab.2

3.1.2 循環平均最大壓升率

通常采用循環平均最大壓升率分析粗暴燃燒程度，循環平均最大壓升率如(1)式所示。

(1)

圖3 表2中各工況循環平均最大壓升率變化Fig.3 Comparison of maximum pressure rise rates per crank angle under the operation conditions in Tab.2

為了消除發動機轉速差異對最大壓升率計算數值的影響，采用時間尺度取代曲軸轉角重新整理最大壓升率數據，結果如圖4所示。圖4更加清楚地顯示轉速和回水溫度對最大壓升率的影響規律。當回水溫度為75 ℃時，其循環平均的最大壓升率隨轉速在10～20 MPa/ms之間比較平穩的變化；在所有回水溫度試驗方案中，回水溫度15 ℃時出現了最高的最大壓升率數值，此時最大壓升率隨發動機轉速增加而快速增加，于1 300 r/min時(70%負荷)達到最大值，即40 MPa/ms，此后隨轉速進一步增加而下降，在1 500 r/min時下降到30 MPa/ms；回水溫度為25 ℃時，最大壓升率在1 300 r/min時(70%負荷)達到最大值，即35 MPa/ms，同時1 800 r/min和2 200 r/min的70%負荷也接近此值。反而在1 500 r/min和1 600 r/min的70%負荷下降到30 MPa/ms左右。回水溫度為40 ℃時，從1 300 r/min到2 200 r/min的70%負荷的最大壓升率除1 600 r/min達到30 MPa/ms最高外，其余基本在28 MPa/ms左右。

圖4 不同回水溫度下單位時間最大壓升率變化Fig.4 Comparison of maximum pressure rise rates per million second at different return water temperatures

最大壓升率是衡量燃燒粗暴的重要指標。一般為了控制柴油機燃燒噪聲，對于最大壓升率設有0.5～0.6 MPa/°CA的限值(依機型和企業而變化)，何學良[7]認為柴油機燃燒過程中產生壓力振蕩的限制值為0.88 MPa/°CA. 本文研究所得到的最大壓升率均超出了柴油機燃燒組織的合理范圍，尤其在較低回水溫度下出現了嚴重的粗暴燃燒現象。

眾所周知，汽油機爆震是造成發動機破壞(包括活塞燒蝕)的重要因素，直噴增壓汽油機中產生的超級爆震(也叫低速早燃)對發動機造成了更大的破壞，因此在汽油機研究和開發中依照壓升率的大小或壓力振蕩的幅值給出了爆震的控制限值； HCCI發動機由于過多的預混合氣自燃也造成了燃燒壓力振蕩，壓升率顯著增加。表4中列出了一些關于直噴汽油機或HCCI發動機燃燒過程研究中采用的爆震控制限值，這些限值依所研究的內容、機型、工況、目標等而發生較大變化，但很少超過10 MPa/ms. 但是有關柴油機燃燒粗暴的研究較少，也沒有制定出抑制柴油機破壞(包括活塞燒蝕)的最大壓升率限值標準；韓國某學者在柴油爆燃可視化研究中發現，粗暴燃燒的最大壓升率高達5 MPa/°CA，相當于36 MPa/ms[17]，該數值與本文研究中得到的最大壓升率結果相近(如圖4所示)，說明本文研究在較低的回水溫度下已經出現了嚴重的粗暴燃燒現象，形成了活塞燒蝕的重要熱力環境。

表4 爆震控制值Tab.4 Detonation control values

3.1.3 燃燒循環變動率

一般柴油機的燃燒循環變動率比汽油機低，工作比較穩定。但在本文研究中當回水溫度降低時由于出現了燃燒粗暴現象，所以發動機燃燒穩定性也明顯地惡化。

燃燒循環變動程度常用平均指示壓力的循環變動率表征，可根據(2)式、(3)式以及(4)式獲得：

(2)

(3)

(4)

圖5 不同回水溫度下平均指示壓力的循環變動率Fig.5 Comparison of COVs of IMEP at different return water temperatures

表5 燃燒粗暴循環數統計Tab.5 Statistics of combustion roughness cycles

3.2 典型工況燃燒參數分析

為進一步研究回水溫度對燃燒過程的影響規律，揭示活塞燒蝕時的燃燒過程典型特征，選取最高燃燒壓力和最大壓升率都較高的1 500 r/min、70%負荷工況作為一個典型工況，詳細分析燃燒壓力曲線及循環變動的變化規律。

3.2.1 缸內壓力曲線分析

從圖6不同回水溫度的缸內壓力曲線對比可知： 75 ℃水溫時最高燃燒壓力約為10 MPa，缸內壓力曲線較為光順；隨著回水溫度的降低，最高燃燒壓力逐漸增加，特別回水溫度為25 ℃和回水溫度為15 ℃時，最高燃燒壓力接近12 MPa，預混燃燒階段缸內壓力出現劇烈振蕩且均出現燃燒振蕩引起的壓力波動現象。

圖6 不同回水溫度時的缸內壓力曲線對比Fig.6 Comparison of pressure curves at different return water temperatures

3.2.2 循環變動分析

圖7 回水溫度75 ℃時的最高燃燒壓力分布Fig.7 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 75 ℃

圖8 回水溫度40 ℃時的最高燃燒壓力分布Fig.8 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 40 ℃

圖9 回水溫度25 ℃時的最高燃燒壓力分布Fig.9 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 25 ℃

圖10 回水溫度15 ℃時的最高燃燒壓力分布Fig.10 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 15 ℃

圖7～圖10為120個循環最高燃燒壓力數值對比，短虛線為平均值(回水溫度75 ℃時的循環最高燃燒壓力平均值)，細實線為1.1倍平均值，點虛線為1.2倍平均值。從圖7～圖10可知：回水溫度75 ℃時最高燃燒壓力循環間變動值均低于1.1倍平均值；回水溫度40 ℃時最高燃燒壓力約有10%的循環低于1.1倍平均值，其余絕大部分在1.1～1.2倍平均值兩線之間；回水溫度分別為25 ℃和15 ℃時最高燃燒壓力低于1.1倍平均值只有1個循環，大部分在1.1～1.2倍平均值線之間，超過1.2倍平均值線的循環約有1/3；部分循環甚至超過13 MPa(最高燃燒壓力許用壓力)；說明回水溫度低于25 ℃時，出現可能導致機械負荷損壞的粗暴燃燒次數增加。

為了進一步分析本文研究的壓升率與一般正常柴油機燃燒的壓升率的差別，在圖11～圖14各回水溫度下的單循環最大壓升率變化點圖中，以何學良[7]推薦的燃燒振蕩限制值0.88 MPa/°CA作為基準參考點(粗實線)，再此基礎上以其5倍限值(短虛線)、10倍限值(細實線)以及15倍限值(點虛線)為區分線，研究回水溫度對單循環最大壓升率變化的影響規律。

圖11 回水溫度75 ℃時的最大壓升率循環變動Fig.11 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 75 ℃

圖12 回水溫度40 ℃時的最大壓升率循環變動Fig.12 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 40 ℃

圖13 回水溫度25 ℃時的最大壓升率分循環變動Fig.13 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 25 ℃

圖14 回水溫度15 ℃時的最大壓升率循環變動Fig.14 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 15 ℃

從圖11～圖14可知：回水溫度75 ℃時最大壓升率主要集中在燃燒振蕩限值線附近，沒有超過5倍限值線的循環數；回水溫度分別為40 ℃、25 ℃和15 ℃時最大壓升率主要集中在5倍限值線附近，且全部超過燃燒振蕩限值線，超過10倍限值線的循環數為幾個。從超過5倍限值線的統計結果來看：回水溫度75 ℃時5倍超限循環數為0個；回水溫度40 ℃時5倍超限循環數為28個，占比23%，10倍超限循環數為1個；回水溫度25 ℃時，5倍超限循環數為36個，占比30%，10倍超限循環數為3個；回水溫度15 ℃時，5倍超限循環數為45個，占比37.5%，10倍超限循環數為1個。因此，回水溫度低于25 ℃時，最大壓力升率5倍超限的循環數相比于回水溫度40 ℃時增加了約10%.

圖15～圖17為120個循環燃燒始點對比，虛線為0.9倍平均值，細實線為燃燒始點平均值，點虛線為1.1倍平均值。從圖15～圖17可知：回水溫度40 ℃時燃燒始點平均值為-6.6°CA左右，超過±10%平均值范圍的循環數為18個；回水溫度25 ℃時燃燒始點平均值為-5.8°CA左右，超過±10%平均值范圍的循環數為7個；回水溫度15 ℃時燃燒始點平均值為-4.9°CA左右，超過±10%平均值范圍的循環數為14個。說明回水溫度的降低燃燒始點平均值推后，但超過±10%平均值范圍的循環數變化規律不明顯。

圖15 回水溫度40 ℃時的燃燒始點循環變動Fig.15 Distribution of starting points of combustion at return water temperature of 40 ℃

圖16 回水溫度25 ℃時的燃燒始點循環變動Fig.16 Distribution of starting poinst of combustion at return water temperature of 25 ℃

圖17 回水溫度15 ℃時的燃燒始點循環變動Fig.17 Distribution of starting points of combustion at return water temperature of 15 ℃

4 結論

本文針對某柴油機在不同回水溫度條件下燃燒過程參數進行了分析。得到結論如下：

1) 回水溫度試驗活塞燒蝕情況：回水溫度40 ℃以上時活塞未出現燒蝕現象；回水溫度25 ℃時活塞出現燒蝕現象；回水溫度15 ℃時活塞燒蝕較嚴重。

2) 在回水溫度75 ℃時，沒有發生燒蝕的正常燃燒狀態的最高燃燒壓力為10 MPa左右，最大壓升率小于15 MPa/ms，且沒有超過5倍燃燒振蕩限制值的循環；在回水溫度40 ℃時，最高燃燒壓力為12 MPa左右,最大壓升率為30 MPa/ms左右,且超過5倍燃燒振蕩限制值的循環數占比為23%，此時燃燒狀態已經燃燒粗暴，但還不足以在試驗時間內發生燒蝕現象。

3) 在回水溫度分別為25 ℃和15 ℃時，最高燃燒壓力達到13 MPa，最大壓升率達到40 MPa/ms，超過5倍燃燒振蕩限制值的循環數占比為30%左右，此時在試驗期限內發生了燒蝕現象。

4) 柴油機回水溫度降低引起的燃燒粗暴是導致活塞燒蝕故障的重要因素。