王 龍, 王憲成*, 張永峰
(1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系,北京 100072;2. 陸軍裝甲兵學(xué)院蚌埠校區(qū),蚌埠 233000)
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛的核心,其起動(dòng)過(guò)程是衡量車輛動(dòng)力性能的重要指標(biāo)之一[1]。隨著使用摩托小時(shí)的增加,特別是長(zhǎng)期在高原等惡劣的工作條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)零部件的技術(shù)狀況逐漸劣化,從而起動(dòng)性能降低[2-4],導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性大幅下降,甚至出現(xiàn)起動(dòng)失敗無(wú)法使用。
許多學(xué)者都對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響進(jìn)行了研究。Liu等[5]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和暖機(jī)條件的缸內(nèi)燃燒差異在新歐洲行駛工況(new european driving cycle,NUDC)早期階段非常明顯,冷起動(dòng)時(shí)的進(jìn)氣壓力更高,缸內(nèi)廢氣占循環(huán)氣體總和的比例降低,燃燒溫度降低,燃燒階段推遲并延長(zhǎng)。Zare等[6]研究了含氧生物燃料在起動(dòng)過(guò)程中的廢氣排放,與柴油相比,冷起動(dòng)時(shí)的NOx排放高達(dá)125%,而熱起動(dòng)時(shí)僅為13.9%,除冷起動(dòng)的某些工作模式下,顆粒排放物均有所降低。紀(jì)常偉等[7]研究了某型氫內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)隨著過(guò)量空氣系數(shù)減小,冷起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速峰值升高,起動(dòng)時(shí)間減少。劉來(lái)等[8]研究了液助燃對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能的影響,在進(jìn)氣道預(yù)噴助燃燃料可減小低溫起動(dòng)過(guò)程的粗暴性,縮短起動(dòng)時(shí)間。馬寧等[9]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比平原環(huán)境下的柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)高原環(huán)境下起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng),轉(zhuǎn)速波動(dòng)增大,滯燃期延長(zhǎng),燃燒滯后。
現(xiàn)通過(guò)對(duì)6臺(tái)不同工作條件下的某型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試,提取發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速特征,分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響因素。
對(duì)不同工作環(huán)境、不同摩托小時(shí)的相同型號(hào)的6臺(tái)某型車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律,檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。試驗(yàn)條件如表1所示。
表1中,平原海拔高度為42 m,測(cè)得大氣壓力為103 kPa,溫度8 ℃;高原海拔3 650 m,測(cè)得大氣壓力為67 kPa,溫度20 ℃。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)如表2所示。
表1 試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions
表2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of diesel engine
試驗(yàn)過(guò)程中,油門位置固定在20%,水溫、油溫控制在30 ℃左右,測(cè)量對(duì)象為某一氣缸的起動(dòng)性能參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為80 kHz;缸壓的測(cè)量采用H82294-Q光纖壓力傳感器,精度為0.5%FS(full scale),安裝在空氣氣動(dòng)閥位置;曲軸轉(zhuǎn)角的測(cè)量采用JX71Z-N16磁阻轉(zhuǎn)速傳感器,安裝在曲軸齒圈處;上止點(diǎn)的標(biāo)定采用DEFURO霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,磁片安裝在曲軸上,傳感器安裝在距離磁片約 3 mm處。具體安裝位置如圖1所示。
圖1 傳感器安裝位置Fig.1 Sensor installation places
發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程指起動(dòng)電機(jī)接通至加速到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程,可分為倒拖階段、加速階段(含滯速階段)、過(guò)渡階段和穩(wěn)定階段[10],具體劃分如圖2所示。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程階段劃分Fig.2 Stage division of engine starting process
發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能主要體現(xiàn)在加速階段,因此主要對(duì)該階段進(jìn)行分析,并提出以下轉(zhuǎn)速特征參數(shù):
最低著火轉(zhuǎn)速,指發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)時(shí)首次著火缸上止點(diǎn)前、后30°CA間的最小轉(zhuǎn)速,表征起動(dòng)過(guò)程中加速階段的起點(diǎn)。此時(shí)起動(dòng)電機(jī)脫離曲軸,氣缸開始燃燒做功,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升。
單缸升速度,指各缸上止點(diǎn)前、后30°CA的轉(zhuǎn)速差,表征起動(dòng)過(guò)程中的加速性能。循環(huán)中氣缸壓縮時(shí)負(fù)扭矩越小,膨脹時(shí)正扭矩越大,則加減速越快,綜合效果即單缸升速度,其值越大,加速性能越好。
選擇摩托小時(shí)相近、起動(dòng)環(huán)境不同的1號(hào)與4號(hào)、2號(hào)與5號(hào)兩組車輛發(fā)動(dòng)機(jī),分別分析起動(dòng)過(guò)程的缸壓和轉(zhuǎn)速,并在滯速處標(biāo)記,結(jié)果如圖3所示。
圖3 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程Fig.3 The starting process vehicle engine
由圖3可知,相比高原環(huán)境下的起動(dòng)過(guò)程,平原環(huán)境下的起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)電機(jī)脫離時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)速較小,加速階段較短,缸壓峰值較大,滯速期較短。
在第1組中,1號(hào)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)最低著火轉(zhuǎn)速為116 r/min,平均單缸升速度為24 r/min;4號(hào)車輛最低著火轉(zhuǎn)速為72 r/min,平均單缸升速度為 44 r/min。在第2組中,2號(hào)車輛最低著火轉(zhuǎn)速為127 r/min,平均單缸升速度為30 r/min;5號(hào)車輛最低著火轉(zhuǎn)速為87 r/min,平均單缸升速度為 45 r/min。
高原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)最低著火轉(zhuǎn)速比平原環(huán)境高,這是因?yàn)榇髿鈮毫﹄S著海拔的升高而降低,空氣密度逐漸減小,氣缸在進(jìn)氣過(guò)程中的過(guò)量空氣系數(shù)減小,導(dǎo)致壓縮過(guò)程缸內(nèi)的壓力和溫度峰值降低,因此需要提高轉(zhuǎn)速達(dá)到著火條件。
高原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)平均單缸升速度比平原環(huán)境低,這是因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)減少,導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣體的燃燒條件變差,滯燃期延長(zhǎng),燃燒始點(diǎn)和重心后移,燃燒速率降低,缸內(nèi)燃燒壓力降低,傳遞到曲軸上的扭矩減小,因此單缸升速度減小。
選擇相同起動(dòng)環(huán)境、不同摩托小時(shí)的3~6號(hào)車輛發(fā)動(dòng)機(jī),分別分析起動(dòng)過(guò)程的缸壓和轉(zhuǎn)速;根據(jù)氣缸著火順序和間隔,計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸升速度。結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知,3~6號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的最低著火轉(zhuǎn)速分別為63、72、87、103 r/min,隨著摩托小時(shí)的增加而升高。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況隨著摩托小時(shí)的升高而逐漸下降,主要體現(xiàn)在氣缸磨損導(dǎo)致氣密性變差,噴油器噴孔積碳和針閥開啟壓力減小等。氣缸氣密性變差后漏氣量增加,工質(zhì)質(zhì)量損失增加,壓縮行程中的壓力和溫度降低;噴油器噴孔積碳和噴油壓力減小,導(dǎo)致噴油量減少和霧化質(zhì)量變差。以上情況破壞了缸內(nèi)燃燒發(fā)生的準(zhǔn)備條件,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)著火困難,因此需要提高最低著火轉(zhuǎn)速。
由于6號(hào)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托小時(shí)最長(zhǎng),因此選擇該發(fā)動(dòng)機(jī)作為噴油器技術(shù)狀況的研究對(duì)象。取下該車發(fā)動(dòng)機(jī)的12個(gè)氣缸內(nèi)噴油器,觀察到其噴孔處存在積碳,其中2個(gè)氣缸內(nèi)的噴油器噴嘴表面如圖5所示。
對(duì)拆卸的噴油器進(jìn)行針閥開啟壓力檢測(cè),結(jié)果如表3所示。由表3可知,噴油器的針閥開啟壓力普遍降低,平均值為16.18 MPa,最小值為14 MPa,比新噴油器(21 MPa)降低7 MPa。
更換該發(fā)動(dòng)機(jī)12個(gè)氣缸的噴油器后,再次測(cè)量起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速,如圖6所示。
表3 各缸噴油器針閥開啟壓力Table 3 Needle valve opening pressure of each cylinder injector
圖4 車輛起動(dòng)過(guò)程Fig.4 The starting process of vehicle
圖5 6號(hào)車輛噴油器噴嘴形貌Fig.5 Nozzle appearance of No. 6 vehicle fuel injector
圖6 6號(hào)車輛更換噴油器后的起動(dòng)過(guò)程Fig.6 The starting process of No. 6 vehicle after replacing the fuel injector
對(duì)比圖4(d)、圖6可知,更換噴油器前,發(fā)動(dòng)機(jī)最低著火轉(zhuǎn)速為103 r/min;更換噴油器后為 89 r/min,比更換前降低了14 r/min。這是因?yàn)閲娪推骷夹g(shù)狀況劣化,針閥開啟壓力減小導(dǎo)致噴油壓力、速度以及流量的減小,噴孔積碳導(dǎo)致霧化質(zhì)量變差,燃油與缸內(nèi)空氣混合速度減慢,影響燃燒放熱效果。轉(zhuǎn)速升高后,缸內(nèi)混合氣體形成的速度加快,燃燒效果得到改善,因此更換噴油器前需要更高的最低著火轉(zhuǎn)速。
根據(jù)氣缸工作順序和間隔,計(jì)算出各缸著火的單缸升速度,如圖7所示。
圖7 更換噴油器前、后的各缸著火單缸升速度Fig.7 Lifting speed of each cylinder on ignition before and after replacing the injector
噴油器更換后,單缸升速度的平均值明顯提高。這是因?yàn)樾聡娪推魇拱l(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧和燃燒質(zhì)量提高,做功能力增強(qiáng),曲軸扭矩增大,加速能力增強(qiáng)。
圖8為該發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器更換前后,分別在轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)測(cè)得的燃燒放熱率。
由圖8可知,噴油器更換后,燃燒效果整體變好;燃燒放熱率峰值達(dá)到290 J/℃A,比噴油器更換前的97 J/℃A提高了198.97%。這是因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)摩托小時(shí)增加,噴油器技術(shù)狀況劣化導(dǎo)致供油量減少,噴霧質(zhì)量變差,與空氣形成混合氣的速度降低,滯燃期延長(zhǎng),因此燃燒速率降低。
圖8 更換噴油器前、后的燃燒放熱率Fig.8 Combustion heat release rate before and after replacing the injector
主要通過(guò)試驗(yàn)的方法,對(duì)6臺(tái)不同環(huán)境和技術(shù)狀況下的某型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)量,主要結(jié)論如下。
(1)相比平原和高原起動(dòng)環(huán)境,高原起動(dòng)環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中最低著火轉(zhuǎn)速較高,缸壓峰值較小,加速階段的平均單缸升速度較低。
(2)平原環(huán)境下,隨著摩托小時(shí)的增加,起動(dòng)過(guò)程中的最低著火轉(zhuǎn)速較高。
(3)噴油器技術(shù)狀況劣化后,噴孔出現(xiàn)積碳,針閥開啟壓力降低,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的最低著火轉(zhuǎn)速較高;更換噴油器后,單缸升速度平均值提高,燃燒效果變好,燃燒放熱率峰值提高。