變海拔工況下裝甲車輛柴油機的燃燒特性

喬新勇， 顧 程， 韓立軍， 姜紅元， 楊 浩

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072；2.武警工程大學(xué)烏魯木齊校區(qū)，烏魯木齊 830049； 3.73089部隊保障部，徐州 221004)

柴油發(fā)動機是軍隊現(xiàn)有裝甲裝備的主要動力來源，其性能的優(yōu)劣直接影響車輛的技術(shù)狀態(tài)[1]。柴油機性能主要受到燃燒過程的影響，燃燒循環(huán)波動也是反映柴油機工作穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一[2-4]。由于裝甲車輛工作環(huán)境的特殊性，長期在較為惡劣的條件下運行，決定了柴油機技術(shù)狀況劣化快，出現(xiàn)故障的可能性較高，尤其在高原地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)柴油機拉缸的現(xiàn)象，嚴重影響了車輛的正常運行[5-7]。

針對某型裝備的柴油機進行臺架試驗，從機械負荷和熱負荷兩方面，考察不同轉(zhuǎn)速、不同負荷以及不同海拔對柴油機燃燒特性的影響規(guī)律，分析高原地區(qū)柴油機容易出現(xiàn)故障的原因，為柴油機的合理使用、維護保養(yǎng)提供指導(dǎo)。

1 試驗裝置及方案

1.1 柴油機臺架試驗

以某型裝備的12V150ZLD型柴油機為試驗對象，主要參數(shù)如表1所示。其中，主要對左2缸的參數(shù)進行測試。試驗臺架主要包含柴油機試驗測試與控制系統(tǒng)、外界環(huán)境模擬系統(tǒng)、測功機等，試驗臺架原理圖如圖1所示。試驗設(shè)備主要包括DEWETRON燃燒分析儀、測功機、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等。

1.2 試驗工況

針對不同工況下柴油機燃燒特性的研究，試驗選取2個不同海拔、5種不同轉(zhuǎn)速以及5個不同負荷，共10個工況點進行了模擬臺架試驗，試驗工況如表2所示。試驗過程中，待工況穩(wěn)定后對氣缸壓力、缸內(nèi)溫度等參數(shù)進行測量，采樣間隔為0.4 °CA，每個工況點采集117個工作循環(huán)。

表1 12V150ZLD型柴油機主要參數(shù)

圖1 試驗臺架原理Fig.1 Test bench schematic

表2 柴油機燃燒特性試驗工況

2 評價指標(biāo)及方法

表征柴油機燃燒過程的參數(shù)眾多，在現(xiàn)有條件下，選取最大缸內(nèi)壓力、最大壓力升高率、最高缸內(nèi)溫度、最大瞬時放熱率以及4個參數(shù)的循環(huán)波動率作為燃燒特性參數(shù)[8]。最大缸內(nèi)壓力、最大壓力升高率能夠反映燃燒過程中的機械負荷的大小，最高缸內(nèi)溫度、最大瞬時放熱率能夠反映燃燒過程中熱負荷的大小，而各參數(shù)波動循環(huán)率能夠反映整個燃燒過程的穩(wěn)定性[9]。其中，4個熱力參數(shù)可以從試驗數(shù)據(jù)中直接獲得，循環(huán)波動率計算方法[10]為

(1)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)速對燃燒特性的影響

海拔高度1 000 m，柴油機全負荷條件下，平均轉(zhuǎn)速對燃燒特性的影響如圖2所示。由圖2(a)可見，隨著平均轉(zhuǎn)速的升高，最大缸內(nèi)壓力呈顯先增后減最終趨于穩(wěn)定的趨勢，與最大負荷隨平均轉(zhuǎn)速變化大致相同，其中最大缸內(nèi)壓力平均值峰值發(fā)生在最大扭矩轉(zhuǎn)速1 400 r/min處，約為11 MPa，而壓力峰值相位隨著平均轉(zhuǎn)速升高而延后。由圖2(b)可見，隨著平均轉(zhuǎn)速的升高，最大缸內(nèi)壓力升高率呈現(xiàn)下降趨勢，而其對應(yīng)的相位也隨之延后，壓力升高率也呈現(xiàn)緩和趨勢。由圖2(c)、圖2(d)可知，最高缸內(nèi)溫度和最大瞬時放熱率隨平均轉(zhuǎn)速的升高而降低，其對應(yīng)相位也隨之延后，低轉(zhuǎn)速時的最高缸內(nèi)溫度及瞬時放熱率變化更為劇烈。

圖2 平均轉(zhuǎn)速對燃燒特性的影響(1 000 m、全負荷)Fig.2 Effect of average speed on combustion characteristics

平均轉(zhuǎn)速對柴油機各參數(shù)循環(huán)波動影響如圖3所示。由圖3可見，隨著平均轉(zhuǎn)速的升高，各參數(shù)循環(huán)波動率整體呈下降趨勢。柴油機由800 r/min逐漸增加至2 000 r/min過程中，最大缸內(nèi)壓力波動率由10.11%下降到1.14%，最大壓力升高率波動率由22.31%下降到7.44%，最高缸內(nèi)溫度波動率由18.63%下降到5.96%，最大瞬時放熱率波動率由13.64%下降到8.1%。低轉(zhuǎn)速時參數(shù)分布波動較大，異常值較多；高轉(zhuǎn)速時參數(shù)分布比較集中，異常值相對較少。

圖3 平均轉(zhuǎn)速對燃燒特性的影響(1 000 m、全負荷)Fig.3 Effect of average speed on cyclic volatility (1 000 m, full load)

圖4 負荷對燃燒特性的影響(1 000 m、1 400 r/min)Fig.4 Effect of load on combustion characteristics (1 000 m, 1 400 r/min)

低轉(zhuǎn)速工況下，柴油機的壓縮過程較平緩，經(jīng)壓縮后缸內(nèi)的熱力參數(shù)較低，缸內(nèi)空氣渦流較弱，油氣混合較差，著火延遲期增長，可能導(dǎo)致混合氣形成期間累積未燃油氣過多，一旦缸內(nèi)局部著火，未燃油氣迅速燃燒，釋放大量熱量，缸內(nèi)壓力迅速升高，燃燒過程粗暴，造成最大缸內(nèi)壓力異常過高。隨著轉(zhuǎn)速的升高，柴油機的漏氣量和散熱損失減小，壓縮后的缸內(nèi)溫度和壓力都有所升高，同時轉(zhuǎn)速升高使得進氣速度增大，缸內(nèi)空氣渦流強度增加，燃油的蒸發(fā)、霧化得以改善，油氣混合均質(zhì)化程度得到提高，燃燒相對平緩充分，穩(wěn)定性上升，各參數(shù)循環(huán)波動率降低。

3.2 負荷對燃燒特性的影響

海拔高度1 000 m，柴油機在最大扭矩轉(zhuǎn)速工況條件下，負荷對燃燒特性的影響如圖4所示。由圖4(a)可知，隨著負荷的增加，最大缸內(nèi)壓力也相應(yīng)增加，由最小負荷的4.14 MPa增加到全負荷的11.11 MPa，壓力峰值相位也稍有延后，在中小負荷時壓力振蕩現(xiàn)象比較明顯。由圖4(b)可見，隨著負荷的增加，最大缸內(nèi)壓力升高率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，最小負荷時僅有0.44 MPa/°CA，在60%負荷時達到最高為2.54 MPa/°CA，而全負荷運行時又下降到1.66 MPa/°CA，最大缸內(nèi)壓力升高率對應(yīng)的相位隨著負荷的增加而提前，由最小負荷的-1.6 °CA提前到全負荷的-13.2 °CA。由圖4(c)可知，最高缸內(nèi)溫度隨負荷的增加而升高，在中小負荷時增加比較明顯，60%負荷后增幅不大。由圖4(d)可知，最大瞬時放熱率隨負荷的變化與最大缸內(nèi)壓力升高率較為類似。

負荷對柴油機各參數(shù)循環(huán)波動率的影響如圖5所示。由圖5可見，隨著負荷的增加，各參數(shù)循環(huán)波動率有下降的趨勢，全負荷時的波動率均小于最小負荷時的波動率。柴油機由最小負荷逐漸增加至全負荷過程中，最大缸內(nèi)壓力波動率變化范圍不大，由3.44%下降到1.89%，最大壓力升高率波動率則由19.05%下降到13.65%，最高缸內(nèi)溫度波動率先有小幅上升后持續(xù)下降，最大瞬時放熱率波動率在下降后有小幅提升。

圖5 負荷對循環(huán)波動率的影響(1 000 m、1 400 r/min)Fig.5 Effect of load on cyclic volatility (1 000 m, 1 400 r/min)

負荷的增大導(dǎo)致循環(huán)供油量的增加，而轉(zhuǎn)速固定的條件下進氣量也不變，從而缸內(nèi)混合氣濃度增大，同時缸內(nèi)溫度升高加快了燃油蒸發(fā)速率，油氣混合均勻性變好，燃燒情況得到改善，提高了燃燒的穩(wěn)定性。

3.3 海拔高度對燃燒特性的影響

柴油機全負荷、最大扭矩轉(zhuǎn)速工況條件下，海拔高度對燃燒特性的影響如圖6所示。由圖6(a)可見，隨著海拔高度的升高，最大缸內(nèi)壓力下降明顯，其對應(yīng)相位也有所提前，海拔高度由1 000 m上升到4 500 m時，最大缸內(nèi)壓力由11.11 MPa降至8.56 MPa，壓力峰值相位由4.8 °CA提前至4 °CA。由圖6(b)可見，隨著海拔高度的升高，最大缸內(nèi)壓力升高率在幅值上變化不大，而其對應(yīng)的相位延后明顯。由圖6(c)可知，最高缸內(nèi)溫度隨海拔高度的升高而增高，由1 000 m的1 845 K上升到4 500 m的1 866 K。由圖6(d)可知，最大瞬時放熱率隨海拔高度的變化與最大缸內(nèi)壓力升高率相似，僅對應(yīng)相位發(fā)生延后，幅值大致不變。

海拔高度對柴油機各參數(shù)循環(huán)波動影響如圖7所示。由圖7可見，隨著海拔高度的升高，各參數(shù)循環(huán)波動率均呈現(xiàn)上升的趨勢。海拔由1 000 m增加至4 500 m時，最大缸內(nèi)壓力波動率由1.89%上升至2.75%，最大壓力升高率波動率則由13.65%上升至15.93%，最高缸內(nèi)溫度波動率由6.13%上升至10.41%，最大瞬時放熱率波動率由8.54%上升至10.76%。

圖7 海拔高度對循環(huán)波動率的影響(全負荷、1 400 r/min)Fig.7 Effect of altitude on cyclic volatility (full load, 1 400 r/min)

海拔升高，空氣密度減小，進入缸內(nèi)的空氣質(zhì)量減少，過量空氣系數(shù)降低，缸內(nèi)燃燒不充分，最大缸內(nèi)壓力下降，同時由于進氣量的減少，油氣混合質(zhì)量變差，滯燃期增長，燃燒惡化，缸內(nèi)熱力參數(shù)波動增大。

3.4 高原地區(qū)燒蝕故障分析

活塞燒蝕、拉缸是高原地區(qū)柴油機常見的故障，圖8所示為活塞燒蝕狀況。由圖8可見，活塞頂部出現(xiàn)凹坑，部分已經(jīng)被燒蝕熔化。高原地區(qū)大氣壓力小、空氣密度低，柴油機常出現(xiàn)散熱不足、功率下降等現(xiàn)象，同時高原地區(qū)路況較差，柴油機長時間處在低速中小負荷工況下運行，導(dǎo)致其燃燒穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)爆震等現(xiàn)象，嚴重時造成活塞燒蝕。

圖8 柴油機活塞燒蝕狀況Fig.8 The situation of diesel piston ablation

針對高原地區(qū)柴油機功率下降、故障率高等問題，可從進氣、燃燒等方面著手考慮。利用二級增壓技術(shù)可以改善進氣量不足的缺陷，提高柴油機的高原動力性能；調(diào)整供油提前角、安裝高原起動輔助裝置、改善冷卻系統(tǒng)等方式，能夠改善柴油機缸內(nèi)燃燒狀況，從而降低機械負荷和熱負荷引起的沖擊，提升柴油機的高原適應(yīng)性。

4 結(jié)論

(1)高轉(zhuǎn)速時，雖然最大缸內(nèi)壓力較高，但最大壓力升高率不大，造成的機械負荷沖擊較小；低轉(zhuǎn)速時，最高缸內(nèi)溫度以及最大瞬時放熱率都較大，造成的熱負荷沖擊較大。

(2)中等負荷時，最大壓力升高率和最大瞬時放熱率均較高，造成的機械負荷沖擊和熱負荷沖擊較大。

(3)高轉(zhuǎn)速、大負荷、低海拔工況下，柴油機循環(huán)波動率更小，燃燒穩(wěn)定性更高；低轉(zhuǎn)速、中小負荷、高海拔工況下，循環(huán)波動率大，燃燒惡化。