某型內(nèi)燃機低溫啟動性能初步研究

吳瑞斌，王盤龍，曲其磊，韓云龍，代 偉，張佳琪，齊 鳳

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東濟南 250306）

0 引言

中國石油集團濟柴動力有限公司研制的某型內(nèi)燃機，作為鉆井動力廣泛應(yīng)用于各大油田。以塔里木油田為例，其冬季最低環(huán)境溫度可達-40，該型內(nèi)燃機存在低溫、超低溫啟動的工況。由于低溫啟動時，存在氣缸漏氣量大、滑油黏度高、發(fā)散熱量多等問題，往往無法達到維持缸內(nèi)點火的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。因此，對該型內(nèi)燃機的低溫啟動性能進行分析研究，有利于解決首次啟動困難的問題[1]。

1 低溫啟動過程分析與優(yōu)化設(shè)想

1.1 低溫正常啟動過程

該型內(nèi)燃機在低溫啟動正常時，首先進行預(yù)供油，然后啟動馬達拖動內(nèi)燃機轉(zhuǎn)動，在吸氣沖程吸入新鮮空氣，壓縮沖程使缸內(nèi)溫度初步提高。當出現(xiàn)首個做功沖程后，此時的高溫廢氣對氣缸內(nèi)外進行加熱，并推動曲軸轉(zhuǎn)動。排氣沖程的高溫廢氣進入渦輪增壓器，增壓空氣被壓縮時溫度升高。當進入到下一個吸氣沖程時，部分高溫廢氣混合空氣，使混合氣溫度進一步提高。如此往復(fù)循環(huán)，使內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速逐步提高，缸內(nèi)壓力和壓縮終點溫度逐步增高，當各缸可穩(wěn)定點火時，啟動馬達在預(yù)設(shè)時間退出，此時內(nèi)燃機逐步達到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速[2-3]。

1.2 低溫啟動失敗的影響因素

一般來講，低溫啟動時存在氣缸漏氣量大、滑油黏度高、摩擦系數(shù)高、發(fā)散熱量多和燃油密度高等問題。但是，內(nèi)燃機各缸能否穩(wěn)定點火與缸內(nèi)溫度、缸內(nèi)壓力和混合氣濃度密切相關(guān)。

如果缸內(nèi)溫度過低，往往使燃油霧化不充分、混合氣的化學(xué)反應(yīng)和熱運動變緩，不能達到燃油的燃點，如此時啟動馬達在預(yù)定時間退出，則啟動失敗。

如果缸內(nèi)壓力過低，氣缸內(nèi)的混合氣密度降低，點火對缸內(nèi)溫度提出更高的需求，也是造成低溫啟動失敗的原因之一。

在一定的壓力和燃料特性下，混合氣的可燃濃度范圍隨溫度的降低而變窄。如果缸內(nèi)溫度過低，混合氣濃度在超出可燃濃度的上下限時，亦不能正常點火，造成低溫啟動失敗。

1.3 針對低溫啟動失敗的優(yōu)化設(shè)想

（1）對內(nèi)燃機加裝油、水加熱裝置，強制循環(huán)預(yù)熱，使機組啟動前的整機溫度達到理想狀態(tài)。

（2）對啟動馬達進行優(yōu)化，通過改變啟動轉(zhuǎn)速，改善缸內(nèi)壓力狀態(tài)，提升內(nèi)燃機的低溫啟動性能。

（3）通過改變缸內(nèi)壓縮比，提高缸內(nèi)壓力、混合氣濃度和溫度，提升低溫啟動性能。

（4）對配氣正時進行優(yōu)化，控制充氣效率、廢氣系數(shù)和氣缸內(nèi)壓縮溫度，改善低溫啟動性能。

（5）通過優(yōu)化噴油參數(shù)，如缸內(nèi)噴油量、噴射角度、噴射壓力和噴油正時設(shè)定等，使燃油霧化更加充分，進而影響點火時間和火焰?zhèn)鞑顟B(tài)，改善缸內(nèi)燃燒，從而優(yōu)化內(nèi)燃機低溫啟動性能。

2 低溫啟動優(yōu)化試驗驗證

2.1 加裝油、水預(yù)熱裝置

表1 預(yù)熱后進氣溫度對內(nèi)燃機低溫啟動影響

表1 為預(yù)熱后進氣溫度對內(nèi)燃機低溫啟動的影響，其中，t進為進氣溫度，Tmax為缸內(nèi)最高溫度，充為充氣效率，r殘為殘余廢氣系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗，在缸內(nèi)最高溫度達到約700 K 時可認為點火成功，此時進氣溫度約10。通過逐步提高進氣溫度，缸內(nèi)最高溫度顯著提高，但啟動初期的充和r殘變化不大。由于強制油、水加熱循環(huán)，潤滑充分，啟動摩擦因數(shù)得到降低。加裝油、水預(yù)熱裝置可有效改善該型內(nèi)燃機的低溫啟動性能[2]。

2.2 提高啟動轉(zhuǎn)速

該型內(nèi)燃機低溫啟動時，由于活塞的運動速度較低、活塞環(huán)與氣缸壁的氣隙較大，導(dǎo)致缸內(nèi)漏氣量較高，當缸內(nèi)溫度和壓力降低到一定數(shù)值會導(dǎo)致點火失敗。但缸內(nèi)漏氣隨轉(zhuǎn)速的增加和缸內(nèi)溫度的升高而降低。有必要研究啟動轉(zhuǎn)速對低溫啟動性能的影響。

圖1 啟動轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)漏氣率的影響曲線

圖2 未預(yù)熱啟動轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)最高溫度影響曲線

2.3 提高缸內(nèi)壓縮比

內(nèi)燃機壓縮比是影響機組綜合性能的重要指標之一，因此設(shè)想通過提高內(nèi)燃機壓縮比來提高缸內(nèi)壓力、混合氣濃度和溫度，改善低溫啟動性能[1-2]。在進氣溫度為0時，內(nèi)燃機壓縮比對缸內(nèi)最高溫度的影響如圖3 所示。在進氣溫度為0時，內(nèi)燃機壓縮比對缸內(nèi)最高壓力的影響如圖4 所示。

圖3 壓縮比對缸內(nèi)最高溫度影響曲線

圖4 壓縮比對缸內(nèi)最高壓力影響曲線

試驗數(shù)據(jù)顯示，壓縮比增加使缸內(nèi)最高溫度和壓力上升。在壓縮比提高到15 時，缸內(nèi)最高溫度達到700 K。由此可知提高壓縮比，有利于提高低溫啟動性能。

限于試驗條件，未對優(yōu)化配氣正時和噴油參數(shù)的設(shè)想進行試驗驗證。

3 結(jié)語

通過試驗驗證得出，增加油水預(yù)熱裝置、提高啟動轉(zhuǎn)速、增加壓縮比均有利于該型內(nèi)燃機的低溫啟動能力，達到了初步掌握了該型內(nèi)燃機低溫啟動影響規(guī)律的目的。下一步計劃改善試驗條件和方法，對優(yōu)化配氣正時和噴油參數(shù)進行試驗驗證。