強(qiáng)永平， 李海鷹， 張曉琴， 蔡忠周， 朱偉青， 李玉峰， 龔永星

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所， 天津 300400)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)，由于進(jìn)氣和缸壁溫度較低、噴油霧化不良、缸內(nèi)散熱損失大等原因，容易產(chǎn)生不正常燃燒，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致活塞燒蝕故障。

關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞燒蝕的原因，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是由于不正常燃燒導(dǎo)致了活塞失效和損壞[1-8]。何學(xué)良等[7]認(rèn)為柴油機(jī)活塞燒蝕與燃燒壓力振蕩密切相關(guān)，所謂燃燒壓力振蕩就是參與預(yù)混燃燒的燃料量過(guò)多形成的爆炸式燃燒產(chǎn)生的壓力沖擊波。姚安仁等[4]認(rèn)為汽油機(jī)爆震燃燒形成的壓力沖擊波造成活塞熔化、損壞。同時(shí)，部分學(xué)者針對(duì)均質(zhì)壓燃(HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了敲缸特性研究，在最大壓升率為5～10 MPa/ms時(shí)產(chǎn)生了敲缸現(xiàn)象[9-16]。中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所針對(duì)某柴油機(jī)在高原上燃用輕質(zhì)柴油時(shí)出現(xiàn)的活塞燒蝕現(xiàn)象開(kāi)展了試驗(yàn)研究[1，6]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于預(yù)混合階段燃燒放熱量過(guò)多，造成燃燒過(guò)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(jī)在北方地區(qū)冬季低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)也頻繁出現(xiàn)活塞燒蝕故障，因此需要進(jìn)一步研究冷卻水溫度對(duì)活塞燒蝕和燃燒過(guò)程的影響，初步建立低溫條件下活塞燒蝕與燃燒過(guò)程的對(duì)應(yīng)規(guī)律。

為在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)活塞燒蝕現(xiàn)象，并確定低溫運(yùn)行情況下活塞燒蝕時(shí)燃燒過(guò)程的典型特征，本文在一個(gè)柴油機(jī)臺(tái)架上開(kāi)展了回水溫度對(duì)燃燒過(guò)程影響的研究：通過(guò)設(shè)置較低的回水溫度模擬低溫環(huán)境；通過(guò)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷試驗(yàn)確定產(chǎn)生活塞燒蝕的工況，并觀察活塞燒蝕的程度；通過(guò)采集氣缸壓力分析燃燒過(guò)程特征，最后分析活塞燒蝕與燃燒過(guò)程變化特征之間的內(nèi)在關(guān)系。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和試驗(yàn)方案

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

本文研究采用一臺(tái)高比功率柴油機(jī)，主要參數(shù)為缸徑150 mm，沖程160 mm，壓縮比13.5. 供油系統(tǒng)采用直列泵，噴孔方案為10×φ0.32 mm×150°. 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2所示。為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)低溫?zé)g故障的運(yùn)行環(huán)境，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中將循環(huán)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(yàn)方案進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷試驗(yàn)。所用缸壓傳感器測(cè)量范圍為0～25 MPa，測(cè)量精度為0.05%. 燃燒分析儀型號(hào)為DEWE-5000-CA2，每次試驗(yàn)采集120個(gè)循環(huán)。為研究壓力振蕩，采用0.25 °CA的曲軸轉(zhuǎn)角分辨率。冷卻水溫度傳感器測(cè)量范圍為0～100 ℃，精度為±0.5 ℃. 由于該機(jī)型采用水空增壓中冷，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)冷卻水流經(jīng)中冷器，低負(fù)荷條件下中冷后進(jìn)氣溫度往往接近冷卻液溫度。試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為13 ℃，低于所設(shè)置的回水溫度，因此中冷后的進(jìn)氣溫度可近似認(rèn)為等于回水溫度。試驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions

試驗(yàn)過(guò)程為：在每個(gè)回水溫度下，按照表2中序號(hào)依次開(kāi)展各個(gè)工況試驗(yàn)，每個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定3～5 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試和采集。在每個(gè)回水溫度控制試驗(yàn)完成后，觀察活塞是否燒蝕。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，由于15 ℃回水溫度在轉(zhuǎn)速1 800 r/min以后發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量增加而設(shè)備散熱能力不足，無(wú)法控制回水溫度在限定值，因此沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)工況試驗(yàn)。

2 活塞燒蝕試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)每輪試驗(yàn)結(jié)束后幾次拆檢結(jié)果可知：回水溫度控制在40 ℃以上時(shí)，活塞未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象；當(dāng)回水溫度控制在25 ℃左右時(shí)，活塞出現(xiàn)輕微或部分燒蝕現(xiàn)象；當(dāng)回水溫度控制在15 ℃左右時(shí)，活塞出現(xiàn)諸如活塞掉塊、嚴(yán)重拉缸的嚴(yán)重?zé)g故障。回水溫度與活塞燒蝕的關(guān)系如表3所示，其中回水溫度75 ℃的試驗(yàn)，是該型發(fā)動(dòng)機(jī)在另一次正常水溫條件下運(yùn)行相同工況的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)象(回水溫度25 ℃)Fig.1 Ablated piston after experiment (return water temperature: 25 ℃)

3 燃燒過(guò)程分析

先分析各個(gè)工況點(diǎn)120個(gè)循環(huán)平均的壓力參數(shù)隨回水溫度的變化規(guī)律，然后對(duì)具有粗暴燃燒特點(diǎn)的典型工況進(jìn)一步分析放熱規(guī)律和多循環(huán)燃燒變動(dòng)規(guī)律。

3.1 不同工況循環(huán)平均燃燒參數(shù)分析

3.1.1 循環(huán)平均最高燃燒壓力

圖2表示不同工況下循環(huán)平均的最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速和回水溫度的變化。需要說(shuō)明的是，回水溫度75 ℃是采用以往正常試驗(yàn)時(shí)相同工況結(jié)果數(shù)據(jù)。由圖2可見(jiàn)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300～2 200 r/min、負(fù)荷率為70%時(shí)，循環(huán)平均的最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，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(shí)的最高燃燒壓力達(dá)13 MPa，比回水溫度75 ℃時(shí)高出約20%. 但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800～1 100 r/min、負(fù)荷率為50%時(shí)，循環(huán)平均的最高燃燒壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加幾乎呈直線上升，回水溫度從25 ℃增加到75 ℃時(shí)對(duì)最高燃燒壓力的影響不大；但是當(dāng)回水溫度降低到15 ℃時(shí)，循環(huán)平均的最高燃燒壓力顯著高于其他回水溫度時(shí)的數(shù)值，特別是在轉(zhuǎn)速1 100 r/min時(shí)的最高燃燒壓力高達(dá)12 MPa，比該工況其他回水溫度時(shí)的最高燃燒壓力高約50%.

圖2 表2中各工況循環(huán)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(huán)平均最大壓升率

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

(1)

圖3 表2中各工況循環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差異對(duì)最大壓升率計(jì)算數(shù)值的影響，采用時(shí)間尺度取代曲軸轉(zhuǎn)角重新整理最大壓升率數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。圖4更加清楚地顯示轉(zhuǎn)速和回水溫度對(duì)最大壓升率的影響規(guī)律。當(dāng)回水溫度為75 ℃時(shí)，其循環(huán)平均的最大壓升率隨轉(zhuǎn)速在10～20 MPa/ms之間比較平穩(wěn)的變化；在所有回水溫度試驗(yàn)方案中，回水溫度15 ℃時(shí)出現(xiàn)了最高的最大壓升率數(shù)值，此時(shí)最大壓升率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而快速增加，于1 300 r/min時(shí)(70%負(fù)荷)達(dá)到最大值，即40 MPa/ms，此后隨轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加而下降，在1 500 r/min時(shí)下降到30 MPa/ms；回水溫度為25 ℃時(shí)，最大壓升率在1 300 r/min時(shí)(70%負(fù)荷)達(dá)到最大值，即35 MPa/ms，同時(shí)1 800 r/min和2 200 r/min的70%負(fù)荷也接近此值。反而在1 500 r/min和1 600 r/min的70%負(fù)荷下降到30 MPa/ms左右?；厮疁囟葹?0 ℃時(shí)，從1 300 r/min到2 200 r/min的70%負(fù)荷的最大壓升率除1 600 r/min達(dá)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(shí)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(biāo)。一般為了控制柴油機(jī)燃燒噪聲，對(duì)于最大壓升率設(shè)有0.5～0.6 MPa/°CA的限值(依機(jī)型和企業(yè)而變化)，何學(xué)良[7]認(rèn)為柴油機(jī)燃燒過(guò)程中產(chǎn)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(jī)燃燒組織的合理范圍，尤其在較低回水溫度下出現(xiàn)了嚴(yán)重的粗暴燃燒現(xiàn)象。

眾所周知，汽油機(jī)爆震是造成發(fā)動(dòng)機(jī)破壞(包括活塞燒蝕)的重要因素，直噴增壓汽油機(jī)中產(chǎn)生的超級(jí)爆震(也叫低速早燃)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成了更大的破壞，因此在汽油機(jī)研究和開(kāi)發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)由于過(guò)多的預(yù)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(guān)于直噴汽油機(jī)或HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程研究中采用的爆震控制限值，這些限值依所研究的內(nèi)容、機(jī)型、工況、目標(biāo)等而發(fā)生較大變化，但很少超過(guò)10 MPa/ms. 但是有關(guān)柴油機(jī)燃燒粗暴的研究較少，也沒(méi)有制定出抑制柴油機(jī)破壞(包括活塞燒蝕)的最大壓升率限值標(biāo)準(zhǔn)；韓國(guó)某學(xué)者在柴油爆燃可視化研究中發(fā)現(xiàn)，粗暴燃燒的最大壓升率高達(dá)5 MPa/°CA，相當(dāng)于36 MPa/ms[17]，該數(shù)值與本文研究中得到的最大壓升率結(jié)果相近(如圖4所示)，說(shuō)明本文研究在較低的回水溫度下已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的粗暴燃燒現(xiàn)象，形成了活塞燒蝕的重要熱力環(huán)境。

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

3.1.3 燃燒循環(huán)變動(dòng)率

一般柴油機(jī)的燃燒循環(huán)變動(dòng)率比汽油機(jī)低，工作比較穩(wěn)定。但在本文研究中當(dāng)回水溫度降低時(shí)由于出現(xiàn)了燃燒粗暴現(xiàn)象，所以發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性也明顯地惡化。

燃燒循環(huán)變動(dòng)程度常用平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)率表征，可根據(jù)(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(huán)變動(dòng)率Fig.5 Comparison of COVs of IMEP at different return water temperatures

表5 燃燒粗暴循環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of combustion roughness cycles

3.2 典型工況燃燒參數(shù)分析

為進(jìn)一步研究回水溫度對(duì)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，揭示活塞燒蝕時(shí)的燃燒過(guò)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(fù)荷工況作為一個(gè)典型工況，詳細(xì)分析燃燒壓力曲線及循環(huán)變動(dòng)的變化規(guī)律。

3.2.1 缸內(nèi)壓力曲線分析

從圖6不同回水溫度的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比可知： 75 ℃水溫時(shí)最高燃燒壓力約為10 MPa，缸內(nèi)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(shí)，最高燃燒壓力接近12 MPa，預(yù)混燃燒階段缸內(nèi)壓力出現(xiàn)劇烈振蕩且均出現(xiàn)燃燒振蕩引起的壓力波動(dòng)現(xiàn)象。

圖6 不同回水溫度時(shí)的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of pressure curves at different return water temperatures

3.2.2 循環(huán)變動(dòng)分析

圖7 回水溫度75 ℃時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)循環(huán)最高燃燒壓力數(shù)值對(duì)比，短虛線為平均值(回水溫度75 ℃時(shí)的循環(huán)最高燃燒壓力平均值)，細(xì)實(shí)線為1.1倍平均值，點(diǎn)虛線為1.2倍平均值。從圖7～圖10可知：回水溫度75 ℃時(shí)最高燃燒壓力循環(huán)間變動(dòng)值均低于1.1倍平均值；回水溫度40 ℃時(shí)最高燃燒壓力約有10%的循環(huán)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(shí)最高燃燒壓力低于1.1倍平均值只有1個(gè)循環(huán)，大部分在1.1～1.2倍平均值線之間，超過(guò)1.2倍平均值線的循環(huán)約有1/3；部分循環(huán)甚至超過(guò)13 MPa(最高燃燒壓力許用壓力)；說(shuō)明回水溫度低于25 ℃時(shí)，出現(xiàn)可能導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷損壞的粗暴燃燒次數(shù)增加。

為了進(jìn)一步分析本文研究的壓升率與一般正常柴油機(jī)燃燒的壓升率的差別，在圖11～圖14各回水溫度下的單循環(huán)最大壓升率變化點(diǎn)圖中，以何學(xué)良[7]推薦的燃燒振蕩限制值0.88 MPa/°CA作為基準(zhǔn)參考點(diǎn)(粗實(shí)線)，再此基礎(chǔ)上以其5倍限值(短虛線)、10倍限值(細(xì)實(shí)線)以及15倍限值(點(diǎn)虛線)為區(qū)分線，研究回水溫度對(duì)單循環(huán)最大壓升率變化的影響規(guī)律。

圖11 回水溫度75 ℃時(shí)的最大壓升率循環(huán)變動(dòng)Fig.11 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 75 ℃

圖12 回水溫度40 ℃時(shí)的最大壓升率循環(huán)變動(dòng)Fig.12 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 40 ℃

圖13 回水溫度25 ℃時(shí)的最大壓升率分循環(huán)變動(dòng)Fig.13 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 25 ℃

圖14 回水溫度15 ℃時(shí)的最大壓升率循環(huán)變動(dòng)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(shí)最大壓升率主要集中在燃燒振蕩限值線附近，沒(méi)有超過(guò)5倍限值線的循環(huán)數(shù)；回水溫度分別為40 ℃、25 ℃和15 ℃時(shí)最大壓升率主要集中在5倍限值線附近，且全部超過(guò)燃燒振蕩限值線，超過(guò)10倍限值線的循環(huán)數(shù)為幾個(gè)。從超過(guò)5倍限值線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看：回水溫度75 ℃時(shí)5倍超限循環(huán)數(shù)為0個(gè)；回水溫度40 ℃時(shí)5倍超限循環(huán)數(shù)為28個(gè)，占比23%，10倍超限循環(huán)數(shù)為1個(gè)；回水溫度25 ℃時(shí)，5倍超限循環(huán)數(shù)為36個(gè)，占比30%，10倍超限循環(huán)數(shù)為3個(gè)；回水溫度15 ℃時(shí)，5倍超限循環(huán)數(shù)為45個(gè)，占比37.5%，10倍超限循環(huán)數(shù)為1個(gè)。因此，回水溫度低于25 ℃時(shí)，最大壓力升率5倍超限的循環(huán)數(shù)相比于回水溫度40 ℃時(shí)增加了約10%.

圖15～圖17為120個(gè)循環(huán)燃燒始點(diǎn)對(duì)比，虛線為0.9倍平均值，細(xì)實(shí)線為燃燒始點(diǎn)平均值，點(diǎn)虛線為1.1倍平均值。從圖15～圖17可知：回水溫度40 ℃時(shí)燃燒始點(diǎn)平均值為-6.6°CA左右，超過(guò)±10%平均值范圍的循環(huán)數(shù)為18個(gè)；回水溫度25 ℃時(shí)燃燒始點(diǎn)平均值為-5.8°CA左右，超過(guò)±10%平均值范圍的循環(huán)數(shù)為7個(gè)；回水溫度15 ℃時(shí)燃燒始點(diǎn)平均值為-4.9°CA左右，超過(guò)±10%平均值范圍的循環(huán)數(shù)為14個(gè)。說(shuō)明回水溫度的降低燃燒始點(diǎn)平均值推后，但超過(guò)±10%平均值范圍的循環(huán)數(shù)變化規(guī)律不明顯。

圖15 回水溫度40 ℃時(shí)的燃燒始點(diǎn)循環(huán)變動(dòng)Fig.15 Distribution of starting points of combustion at return water temperature of 40 ℃

圖16 回水溫度25 ℃時(shí)的燃燒始點(diǎn)循環(huán)變動(dòng)Fig.16 Distribution of starting poinst of combustion at return water temperature of 25 ℃

圖17 回水溫度15 ℃時(shí)的燃燒始點(diǎn)循環(huán)變動(dòng)Fig.17 Distribution of starting points of combustion at return water temperature of 15 ℃

4 結(jié)論

本文針對(duì)某柴油機(jī)在不同回水溫度條件下燃燒過(guò)程參數(shù)進(jìn)行了分析。得到結(jié)論如下：

1) 回水溫度試驗(yàn)活塞燒蝕情況：回水溫度40 ℃以上時(shí)活塞未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象；回水溫度25 ℃時(shí)活塞出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象；回水溫度15 ℃時(shí)活塞燒蝕較嚴(yán)重。

2) 在回水溫度75 ℃時(shí)，沒(méi)有發(fā)生燒蝕的正常燃燒狀態(tài)的最高燃燒壓力為10 MPa左右，最大壓升率小于15 MPa/ms，且沒(méi)有超過(guò)5倍燃燒振蕩限制值的循環(huán)；在回水溫度40 ℃時(shí)，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(guò)5倍燃燒振蕩限制值的循環(huán)數(shù)占比為23%，此時(shí)燃燒狀態(tài)已經(jīng)燃燒粗暴，但還不足以在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)發(fā)生燒蝕現(xiàn)象。

3) 在回水溫度分別為25 ℃和15 ℃時(shí)，最高燃燒壓力達(dá)到13 MPa，最大壓升率達(dá)到40 MPa/ms，超過(guò)5倍燃燒振蕩限制值的循環(huán)數(shù)占比為30%左右，此時(shí)在試驗(yàn)期限內(nèi)發(fā)生了燒蝕現(xiàn)象。

4) 柴油機(jī)回水溫度降低引起的燃燒粗暴是導(dǎo)致活塞燒蝕故障的重要因素。