高海拔与平原柴油发电机燃烧区别分析及起动性能对比

　　摘要：以康明斯重型电喷高压共轨柴油发电机为研究对象，利用高海拔环境模拟试验台，开展在不一样海拔高度环境下柴油发电机低温起动性能试验，对比不同海拔高度下柴油发电机启动性能及燃烧差别，讨论高原低温环境对柴油发电机启动性能的危害。试验结果表明：相同低温环境下，随海拔高度升高，柴油发电机起动需要的循环数增加，起动时间变长；高海拔环境下，柴油发电机启动第一个循环，缸内未有明显燃烧迹象，低温启动前期缸内双峰燃烧比例增加；随着海拔高度升高，缸内燃烧始点逐步靠近压缩上止点位置。本文中利用高海拔环境模拟仓，开展柴油发电机在不同海拔高度下低温起动性能试验，结合燃烧放热规律分析柴油发电机启动程序缸内燃烧变化规律。

　　      我国地域辽阔，高原山地面积占全国总面积的60%以上，高海拔地区寒冬最冷时的温度可达-41℃。高原地区具有空气稀薄、氧气含量少、环境温度低等特性，且随着海拔高度升高，大气压力和温度呈现逐步减轻趋势。据气象资料显示：海拔高度每升高1000 m，大气压力减轻10 kPa，气温下降0.65℃。因为挥发性差，柴油燃烧为缸内自行压燃，因此柴油发电机启动阶段燃烧受外部环境要素危害较大。当柴油发电机在高原环境下起动时，受大气压力及环境温度危害，压缩上止点附近缸内温度及混合气形成要素均较差，致使混合气形成状况不及平原地区，柴油发电机在起动程序中会发生着火不稳甚至失火等现状。

　　      冷起动性能是柴油发电机必要性能指标之一，冷起动性能不仅影响柴油发电机工作效率，还危害其使用年限。受高原地区大气环境影响，柴油发电机在高海拔、低温环境下常存在很难启动状况。在低海拔地区，柴油发电机不选取冷起动辅助措施时，通常极限低温启动温度为-10℃；但在海拔高度为4800 m地区、温度为-5℃时，如果不带辅助举措就不能顺利起动。因此，研究柴油发电机高原低温启动性能具有重要目的。

　　      高原低温起动试验装置由高海拔环境仓装置、柴油发电机试验台架机构组成，其中高海拔环境仓装置由罗茨风机控制发电机进气压力、排气背压，可用于模拟海拔高度为0~5000 m时的大气压力，并能进行环境温度调节控制，控制温度为-35~20℃，精度≤±1℃。高海拔环境仓见图1。

　　      试验样机为某重型直列六缸、直喷、四冲程、增压中冷、电控高压共轨柴油发电机。

　　      进行0、2000、3500m 3个海拔高度下低温启动性能试验，环境温度均设为-15℃。启动过程中选取奇石乐燃烧解析仪记录缸内燃烧压力，缸压信号反映柴油发电机燃烧情形，可以充分反映缸内压缩、点火及燃烧放热过程；在柴油发电机第6缸的缸盖上装配缸压探头，将缸压传感器电信号传输到燃烧剖析仪放大并转化为缸内压力参数，主轴速度感应器将主轴信号传给曲轴转角适配器，燃烧剖析仪连接如图2所示。水温、机油温度及柴油发电机转速信号通过电子控制单元(electronic control unit，ECM)采集，采样频率为10 Hz。

　　      为便于对比不同海拔高度下柴油发电机启动初期缸内燃烧情况，试验时其他边界因素不变，将环境仓温度设定为-15℃，选用强制循环装置冷却液发电机价格，控制每次起动时柴油发电机的水温、机油温度保持一致。通过调节环境仓进气压力和排气背压模拟不同海拔高度。一次起动性能试验结束后，将环境仓升至常温、常压环境，并将发电机速度设置为1500 转/分钟，热车20 min，保证启动试验过程中缸内未完全燃烧的柴油充分燃烧。相邻起动试验相隔8 h，保证柴油发电机充分冷却至相同温度。

　　      起动试验时控制起动电压一致，以保证每次倒拖转矩相同，采取电流钳记录起动瞬态最大电流。起动时同步记录ECM启动参数及燃烧解析仪参数，保证ECM记录参数与燃烧解析仪参数的同步对齐集装箱发电机组。试验用燃油为-35国六低温柴油、机油牌号为Mobil5W-40，试验程序中采集气缸压力、柴油发电机速度、进气温度、水温、机油温度等参数。定义曲轴转角为-360°~+360°为一个燃烧循环，包含进气、压缩、做功、排气流程。通过ECM控制逻辑中自行判定的启动结束标志(当ECM监控到发电机转速达到该温度下对应的发电机速度，则判定启动结束)预判柴油发电机是否启动成功，即当柴油发电机启动成功后，怠速运转相同时间。

　　      环境温度为-15℃时，3个海拔高度下发电机速度变化曲线个海拔高度均可以启动成功，但不同海拔高度下的柴油发电机启动性能存在差异；随着海拔高度升高，起动结束标志的循环数逐步增加，3个海拔高度下起动结束时对应的循环数依次为67、73、78，循环数增大表明启动时间增加。这是由于在低气压和低温双重因素共同影响下，柴油发电机起动阶段受进气质量少、进气温度低、燃油蒸发雾化品质差、机油黏度增大等要素影响，启动步骤中柴油发电机拖动转速减轻、汽缸壁与外界传热损失增大，启动过程中压缩终了温度及缸内压力下降，燃烧滞燃期增长，危害发电机启动性能。

　　      环境温度为-15℃时，不一样海拔高度下缸压变化曲线时康明斯发电方舱，柴油发电机第一个燃烧循环最大缸压为12.8 MPa；海拔高度为2000、3500 m时，最大缸压仅约为3.0 MPa，启动开始的前3个循环，缸内未有明显燃烧迹象，且随着海拔高度的升高，起动结束标志前缸内最大缸压呈现降低趋势。这是由于高原地区空气稀薄，启动程序中进气质量少，引起缸内可燃混合气质量少，燃油与氧分子碰撞机会少，使柴油发电机不能顺利着火或出现间歇性失火，并且因为高海拔下含氧量相对偏低，在相同喷油量基础上也无法完全燃烧，造成启动过程中缸内平均高效压力降低；随着起动阶段循环数增加，平原及高原启动流程中最大缸压均超过20.0MPa，平原启动程序中最大爆压甚至达到25.0 MPa。这是因为起动电控逻辑中有斜坡转矩，即当柴油发电机起动时间超过标定时间且启动结束标志仍未变化时，为提升启动效果，需要增加启动转矩，即向汽缸内多喷油，随着循环数的增加，缸内形成了较易燃烧的环境，多喷的柴油会在缸内突然燃烧，使起动时的最高爆发压力比全负荷时高。当启动结束标志出现跳变后，柴油发电机运行在怠速工况，缸压逐渐恢复到正常水平。

　　图3  不一样海拔高度下柴油发电机转速变化曲线  不同海拔高度下柴油发电机最大缸压变化曲线

　　      3个海拔高度下起动第一个循环缸压的变化曲线可知：低温环境下，在平原地区，柴油发电机起动第一个循环燃烧迅速，着火发生后缸内做作用力良好，最大缸压瞬间可达到12.8 MPa；而海拔高度为2000、3500m时，启动第一个循环缸内均未产生较为明显的燃烧迹象，最大缸压约为3.0 MPa。这是由于平原地区进气量充足，且低温下空气密度较大，气缸充量系数大，缸内具备快速着火条件；在高海拔地区，在起动初期由于缸内气量少导致压缩上止点温度偏低，增长了燃烧滞燃期，不能快速形成着火氛围，因此第一循环基础为纯压缩程序。

　　      为研究某海拔高度下的燃烧循环规律，选择海拔高度为3500m的柴油发电机启动步骤进行燃烧分析，起动前3个循环的缸压变化曲线个循环缸内未有明显燃烧迹象，在该海拔高度下，缸内双峰燃烧放热规律较为明显，第一个峰值为缸内气体压缩峰值，第二个峰值为燃烧着火峰值；当第二个峰值发生时，对应的曲轴转角为着火上止点后20°，此时活塞已处于下行状态，由于双峰燃烧属于不完全燃烧，缸内最高爆发压力不高，燃烧速率降低，且缸内燃烧环境不佳，因此加载到相同的转速需要更多的循环，即起动时间更长；起动流程中随循环数增加，缸内压力逐渐增大，经多个燃烧循环后，最终缸内着火。

　　      3个海拔高度下燃烧始点主轴转角变化曲线可知：随海拔高度升高，燃烧始点对应曲轴转角逐步靠近压缩上止点位置，平原地区燃烧始点对应曲轴转角在压缩上止点前4°；海拔高度为3500 m时，燃烧始点对应主轴转角在压缩上止点前2°。这是由于海拔高度升高，大气压力下降，引起每循环进入汽缸的空气较平原相对较少，压缩终点压力减少，滞燃期增大，且因为缸内混合气密度降低，导致反应物分子之间碰撞的机率减小，着火之前混合气预反应程序相应增长，造成着火时间延迟，燃烧始点角随海拔高度升高逐步向压缩上止点靠近。

　　（2）高海拔高度环境下，柴油发电机在启动前期，缸内着火因素普遍较差，双峰不完全燃烧状况较为明显，不利于迅速启动。