不同环境温度下增压压力对柴油机性能的影响

刘 瑞，黄 立，吕兴才，冯明志，李红梅

(1. 上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240；
2. 船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 201108；
3. 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108)

船舶航行于世界各海域，不同地理位置及气候条件下，环境温度差异极大，对航行于无限航区的船舶而言，其环境温度的波动范围达40 ℃以上[1].受环境温度变化的影响，柴油机运行状态也会发生较大的变化，一般环境温度每升高10 ℃，增压压力降低2%～4%，进气流量降低4.1% ，排气温度升高16 ℃[2].不同环境温度下，增压压力的随动变化会导致高环境温度时，柴油机排气温度大幅升高，低环境温度时，最高燃烧压力又面临超限风险.为确保柴油机在不同环境温度下安全、稳定地运行，柴油机需具有优良的环境温度适应性.尤其是随着柴油机技术水平的不断提升，先进的船舶柴油机缸内最大平均有效压力已达3 MPa 以上[3-4]，高平均有效压力下，柴油机缸内机械负荷、热负荷裕度进一步降低，需提高其环境温度适应性.

为提高船舶柴油机环境温度适应性，首先需明确不同环境温度下增压压力的随动变化对柴油机燃烧特性及各主要性能参数的影响.Krishnan 等[5]研究发现，增压压力由10 kPa(相对压力)增加为80 kPa 时，发动机热效率由43.7%增加为48.7%.Han 等[6]研究发现，增压压力由80 kPa 增加为150 kPa 时，滞燃期缩短3°CA.黄开胜等[7]研究了增压压力对柴油机主要性能参数的影响，结果表明：在排气压力不变的条件下，增压压力每增加100 kPa，最高燃烧压力增加约4.8～7.0 MPa.张全长等[8]在某增压中冷柴油机上研究了增压压力对柴油机低温燃烧特性的影响，发现随着增压压力的增加，缸内平均温度降低，传热损失减少，指示热效率升高，增压压力由50 kPa 增加至140 kPa 时，燃油消耗率(BSFC)降低12 g/(kW·h).

目前，针对不同环境温度下增压压力的随动变化对柴油机工作特性影响的研究较少，有关增压压力对柴油机工作特性影响的研究也主要集中在车用领域，对船舶柴油机的研究则鲜见报道.车用柴油机与船舶柴油机所采用的材料及结构形式相似，二者所能承受的缸内最高燃烧压力限值基本相当，但车用柴油机最大平均有效压力一般不超过2 MPa[9]，而先进的船舶柴油机最大平均有效压力达3 MPa.高平均有效压力下，柴油机增压压力较高，燃油喷射量较大，提升其机械负荷裕度是改善高强化船舶柴油机环境温度适应性的关键[2,10].

笔者以某最大平均有效压力为3 MPa 的高强化自主品牌船用柴油机为研究对象，分析了环境温度为10～50 ℃时，增压压力的随动变化对柴油机燃烧特性及各主要参数的影响，并对降低压缩比后柴油机的工作特性变化进行分析，以期为提升高强化船舶柴油机环境温度适应性提供参考.

1.1 研究对象

研究对象为某自主品牌单缸柴油机，表1 为柴油机主要技术参数.

表1 柴油机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of diesel engine

1.2 试验方案

为研究不同环境温度下增压压力的随动变化对柴油机各主要性能参数的影响，笔者按各环境温度下目标柴油机标定工况的进/排气条件确定试验工况，环境温度与增压压力的对应关系如表2 所示，工况2～工况6 由整机在不同环境温度下的试验测试结果确定，工况1 为标定后一维仿真模型的数值计算结果.各工况下柴油机增压空气温度恒为48 ℃.

表2 试验工况测试方案Tab.2 Scheme of test conditions

为探究降低压缩比对改善高强化船舶柴油机环境温度适应性的有效性，笔者改变燃烧室型线，将原柴油机压缩比由16(高压缩比方案)降低为15(低压缩比方案)，如图1 所示.

图1 不同压缩比配置下燃烧室型线对比Fig.1 Comparison of combustion chamber shapes with different compression ratios

试验中，通过调整喷油正时，各进/排气压力条件下，柴油机最高燃烧压力维持在相当水平.相同进/排气压力条件下，重复试验3 次，每次试验记录100 个循环的平均结果，文中各试验数值为3 次试验结果的平均值.定义CA 5 为5%累积放热量对应的曲轴转角；
CA 50 为 50% 累积放热量对应的曲轴转角；
CA 90 为90%累积放热量对应的曲轴转角；
从CA 5到CA 90 的持续时间为燃烧持续期.

2.1 不同环境温度下增压压力对燃烧特性的影响

图2 为不同环境温度下增压压力的随动变化对喷油正时、CA 5 和滞燃期的影响.可知，等最高燃烧压力条件下，环境温度降低后，随着增压压力升高，柴油机各压缩比配置下喷油正时的推迟量基本相当，增压压力每增加10 kPa，喷油正时推迟约0.5°CA.不同压缩比配置下，增压压力升高后，随着喷油正时的推迟，CA 5 呈推迟趋势，但由于低压缩比配置下滞燃期较高压缩比配置延长约0.5°CA，其推迟量有一定差异.

图2 增压压力对喷油正时、CA 5和滞燃期的影响Fig.2 Effects of intake pressure on injection timing，CA 5 and ignition delay

不同环境温度下，随着增压压力的增加，滞燃期呈先缩短后延长的趋势，这主要是因为燃料的滞燃期随压缩温度和压力的升高而缩短，将压缩过程近似为多变过程，柴油机压缩温度、压缩压力分别为

式中：TTDC为压缩温度；
TBDC为下止点处缸内气体温度；
ε为有效压缩比；
γ为多变指数；
pTDC为压缩压力；
pBDC为下止点处的缸内气体压力.

试验过程中，柴油机增压空气温度相同，且相同工况下，柴油机缸内残余废气系数基本相当，因而可认为各增压压力下，柴油机下止点处缸内气体温度相当、压缩过程多变指数相当，由式(1)、式(2)可知，相同压缩比配置及增压压力下，柴油机压缩温度基本相当，但增压压力升高后，柴油机压缩压力呈γε倍显著升高，滞燃期缩短；
同时，等最高燃烧压力条件下，增压压力升高后，喷油正时推迟，燃料喷射时刻柴油机缸内压力、温度升高，所以初期随着增压压力的升高，柴油滞燃期缩短.增压压力进一步升高后，虽然燃料喷入缸内的初始压力、温度升高，但由于喷油正时逐渐靠近着火上止点，燃料着火前活塞已经开始下行，缸内气体温度、压力迅速降低，燃料受高温、高压空气影响的作用时间缩短，因而增压压力增加至390 kPa 后，滞燃期反而进一步增加.

低压缩比配置下，柴油机滞燃期更长，这是由于压缩温度、压缩压力与压缩比呈指数关系，低压缩比配置下柴油机缸内压缩压力、压缩温度更低.

图3 为不同环境温度下最大压力升高率随增压压力的变化.可以看出，与滞燃期对应，低压缩比配置时，柴油机最大压力升高率更大，但随着增压压力的升高，柴油机缸内压力升高率逐渐降低，其变化趋势与滞燃期的变化不完全对应.这是因为环境温度小于30 ℃时，目标柴油机增压压力达370 kPa 以上，柴油机CA 5 位置已位于着火上止点后，此时如果进一步降低环境温度，柴油机滞燃期虽然变长，但由于着火过程中活塞快速下行，柴油机缸内容积急剧增加，最大压力升高率呈下降趋势.高压缩比配置下，当环境温度大于30 ℃时，增压压力小于370 kPa，最大压力升高率随增压压力的变化趋势与采用低压缩比配置时基本相当，但当环境温度小于30 ℃后，随着增压压力的升高，最大压力升高率呈微上升趋势，这是因为高压缩比配置下，柴油机喷油正时进一步推迟，增压压力大于370 kPa 后，柴油机最大压力升高率位于压缩过程后期，而非燃烧过程，因而随着增压压力的增加，其最大压力升高率呈增加趋势.

图3 增压压力对最大压力升高率的影响Fig.3 Effects of intake pressure on maximum pressure rise rate

图4、图5 为不同环境温度下增压压力的随动变化对CA 50、CA 90、燃烧持续期及柴油机放热率的影响.图4 中，相同压缩比下，增压压力升高后，CA 50位置随喷油正时的推迟而推迟，但CA 90 呈现出与CA 5、CA50 不同的变化趋势，柴油机燃烧持续期随着增压压力的升高先明显下降后总体平稳，环境温度为30～50 ℃时，增压压力小于370 kPa，此时增压压力每增加10 kPa，柴油机燃烧持续期缩短约3°CA，但随着环境温度的进一步降低，增压压力大于370 kPa 后，燃烧持续期略有降低，同时图5 中，增压压力随动升高后，柴油机着火时刻的缸内压力显著上升，放热率形状、放热率峰值未见明显变化，但增压压力为350 kPa 时，柴油机累积放热量在达到0.7后，其燃烧速率明显低于高增压压力各工况.扩散燃烧的燃烧速率主要取决于燃料与O2相互混合的速率[11]，虽然高环境温度下增压压力较低，柴油机缸内充量较小，但燃烧初期、中期缸内空气仍较充分，油、气混合速率未受明显影响，因而燃烧初期放热率、放热率峰值未见明显变化，而燃烧后期，随着缸内新鲜空气量的不断消耗，燃油与新鲜空气的有效碰撞频率降低[12]，放热率降低，持续期延长；
提高增压压力后，柴油机燃烧后期缸内新鲜空气量得到有效补偿，缸内油、气混合速率加快，燃烧持续期缩短.增压压力大于370 kPa 后，进一步降低环境温度，柴油机燃烧持续期降低量显著减小，这是因为高增压压力下，柴油机缸内过量空气系数φa已达到较高水平，燃烧后期缸内新鲜空气量已非限制油、气混合的主要因素，环境温度降低后，增压压力的提升并不能显著改善燃烧后期柴油机缸内油、气的混合速率，增压压力的进一步升高，反而会缩短柴油喷雾贯穿距离，燃烧室空间利用率降低，燃烧速率也略有降低.

图4 增压压力对CA 50、CA 90和燃烧持续期的影响Fig.4 Effects of intake pressure on CA 50，CA 90 and combustion duration

图5 高压缩比配置下增压压力的随动变化对缸内压力、放热率和累积放热量的影响Fig.5 Effects of intake pressure on cylinder pressure ，heat release rate and cumulative heat release with high compression ratios

2.2 不同环境温度下增压压力对性能参数的影响

图6 为不同环境温度下增压压力的随动变化对柴油机过量空气系数、燃油消耗率的影响.可以看出，低压缩比配置下，柴油机燃油消耗率较高压缩比低，这是因为目标柴油机采用低压缩比配置时，压缩负功更小，且如图4 所示，等最高燃烧压力、低压缩比配置下，柴油机喷油正时更靠前，相同环境温度下，CA 50、CA 90 分别较高压缩比配置提前约3°CA、5°CA，其燃烧过程更接近上止点，相同放热量下，柴油机缸内气体压力升高量更明显，膨胀功更大.因而柴油机燃烧位置较靠后时，降低压缩比反而有利于降低柴油机燃油消耗率.

图6 增压压力的随动变化对燃油消耗率和过量空气系数的影响Fig.6 Effects of intake pressure on BSFC and excess air coefficient

各压缩比配置下，柴油机缸内φa变化趋势相同，即环境温度降低后，随着增压压力的升高，缸内充量增加，φa增加.低压缩比配置下，由于柴油机燃烧位置更靠近上止点，热效率更高，因而其φa较高压缩比配置高.

环境温度降低后，随着增压压力的升高，不同压缩比配置下，燃油消耗率呈相反的变化趋势，高压缩比配置下，随着增压压力的升高，燃油消耗率升高，但低压缩比配置下，随着增压压力的升高，燃油消耗率呈下降趋势.增压压力升高后，燃烧持续期缩短，热效率增加，且缸内充量增加后，相同放热量下，缸内工质温升降低，散热量减小，因而低压缩比配置下，环境温度降低后，随着增压压力的升高，燃油消耗率降低.高压缩比配置下，燃油消耗率随增压压力的升高而升高，这是因为高压缩比配置下，柴油机喷油正时整体更靠后，增压压力为350 kPa 时，CA 5 已位于着火上止点之后，环境温度降低后，随着增压压力的升高，柴油机燃烧重心进一步推迟，由于活塞下行初期，其运动速率随曲轴转角的增加而迅速加快，相同放热量下，柴油机缸内压力升高量降低，膨胀功降低，同时增压压力升高后柴油机压缩负功增加，增压压力升高对燃烧速率、传热的影响难以弥补膨胀功的降低及压缩负功的增加，因而高压缩配置下，柴油机燃油消耗率呈升高趋势.

图7 为增压压力的随动变化对柴油机支管排气温度、缸套平均温度的影响，其中缸套平均温度为活塞在上止点位置时，其第一道活塞环所对应缸套位置均匀布置的4 个热电偶温度传感器测量值的平均值.可以看出，各压缩比配置下，在15～50 ℃范围内，环境温度降低后，柴油机支管排气温度随增压压力的升高而降低，这是由增压压力升高后，柴油机缸内空气量增加，相同放热量下柴油机缸内气体温度升高量降低造成的.环境温度由15 ℃进一步降低为10℃时，增压压力由405 kPa 提升为420 kPa，柴油机支管排气温度升高，这主要是由于等最高燃烧压力条件下，增压压力升高为420 kPa 时，柴油机燃烧位置进一步推迟，热效率显著降低，相同增压压力升高量下，柴油机缸内φa升高量降低，此时φa的增加量已难以弥补燃烧位置后移造成的影响，因而柴油机支管排气温度呈升高趋势.

图7 增压压力的随动变化对支管排气温度和缸套平均温度的影响Fig.7 Effects of intake pressure on the temperature of exhaust manifold and the average temperature of cylinder liner

不同环境温度、各压缩比配置下，柴油机缸套平均温度随增压压力的升高呈不同的变化趋势，高压缩比配置下，柴油机缸套平均温度随增压压力的升高而增加，这是因为环境温度降低后，随着增压压力的升高，喷油正时推迟，活塞下行过程中，活塞碗壁对油束发展的阻碍作用降低，大量燃油沿喷射方向向缸套壁面附近集结、燃烧，缸套近壁面处气体温度升高，吸热量增加，温度升高.低压缩比配置下，柴油机缸套平均温度较高压缩比配置低，且随增压压力的升高，缸套温度降低，这是因为降低压缩比后，柴油机喷油正时总体较高压缩比配置提前，油束与活塞碗壁的相互作用增强，缸套近壁面燃油量减小，近壁燃烧不明显，缸套吸热量降低，温度降低.另外，环境温度降低后，随着增压压力的升高，φa升高，热效率升高，相同工况下，柴油机缸内总放热量降低，同时随着缸内进气量的增加，一定放热量下，柴油机缸内气体平均温度升高量降低，因而随着环境温度的降低，缸内气体平均温度降低，高温燃气向缸套壁面的传热量降低，缸套平均温度降低.

图8 增压压力的随动变化对柴油机NOx排放的影响.可知，各压缩比配置下，随着增压压力的升高，NOx排放均呈降低趋势，增压压力每升高10 kPa，NOx排放降低约30×10-6.这是由于增压压力升高后，φa增加，柴油机缸内燃烧温度降低，NOx排放降低.降低压缩比后，柴油机NOx排放较高压缩比配置高，这是因为等最高燃烧压力条件下，降低压缩比后，柴油机喷油正时靠前，滞燃期较长，滞燃期内喷入缸内的柴油较多，预混燃烧量更大，缸内气体温度更高；
同时，低压缩比配置下柴油机燃烧位置靠近上止点，缸内容积变化较小，相同放热量下，柴油机缸内温度更高，NOx排放同样呈升高趋势.

图8 增压压力对NOx 排放的影响Fig.8 Effects of intake pressure on NOx emissions

(1) 等最高燃烧压力条件下，环境温度降低后，CA 5 均随增压压力的升高而推迟，滞燃期随增压压力的增加呈先缩短后延长的趋势；
相同增压压力下，低压缩比配置柴油机的滞燃期较高压缩比延长约0.5°CA.

(2) 环境温度由50 ℃降为30 ℃时，增压压力的升高可有效加快柴油机燃烧后期的燃烧速率，该区间内增压压力每升高 10 kPa，燃烧持续期缩短约3°CA，但环境温度低于30 ℃后，增压压力的升高对柴油机燃烧持续期的影响程度迅速降低.

(3) 等最高燃烧压力条件下，低压缩比配置柴油机的燃油消耗率更低，且环境温度降低后，随着增压压力的升高，燃油消耗率进一步降低，但高压缩比配置下，由于其燃烧位置推迟，环境温度降低后，柴油机燃油消耗率反而呈升高趋势.

(4) 高压缩比配置下，受燃油喷射等因素的影响，缸套温度随增压压力的随动升高而升高，低压缩比配置下，缸套温度随增压压力的随动升高而降低，但相同环境温度下，采用低压缩比配置时，柴油机缸套平均温度更低.

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