柴油机回水温度对燃烧过程影响试验研究

强永平， 李海鹰， 张晓琴， 蔡忠周， 朱伟青， 李玉峰， 龚永星

(中国北方发动机研究所， 天津 300400)

0 引言

发动机在低温环境运行时，由于进气和缸壁温度较低、喷油雾化不良、缸内散热损失大等原因，容易产生不正常燃烧，严重时将导致活塞烧蚀故障。

关于发动机活塞烧蚀的原因，大多数学者认为是由于不正常燃烧导致了活塞失效和损坏[1-8]。何学良等[7]认为柴油机活塞烧蚀与燃烧压力振荡密切相关，所谓燃烧压力振荡就是参与预混燃烧的燃料量过多形成的爆炸式燃烧产生的压力冲击波。姚安仁等[4]认为汽油机爆震燃烧形成的压力冲击波造成活塞熔化、损坏。同时，部分学者针对均质压燃(HCCI)发动机开展了敲缸特性研究，在最大压升率为5～10 MPa/ms时产生了敲缸现象[9-16]。中国北方发动机研究所针对某柴油机在高原上燃用轻质柴油时出现的活塞烧蚀现象开展了试验研究[1，6]，结果发现由于预混合阶段燃烧放热量过多，造成燃烧过程粗暴，最大压升率显著增大，是活塞烧蚀的重要原因[6]。目前，该型柴油机在北方地区冬季低温环境下运行时也频繁出现活塞烧蚀故障，因此需要进一步研究冷却水温度对活塞烧蚀和燃烧过程的影响，初步建立低温条件下活塞烧蚀与燃烧过程的对应规律。

为在发动机台架试验中复现活塞烧蚀现象，并确定低温运行情况下活塞烧蚀时燃烧过程的典型特征，本文在一个柴油机台架上开展了回水温度对燃烧过程影响的研究：通过设置较低的回水温度模拟低温环境；通过不同转速和负荷试验确定产生活塞烧蚀的工况，并观察活塞烧蚀的程度；通过采集气缸压力分析燃烧过程特征，最后分析活塞烧蚀与燃烧过程变化特征之间的内在关系。

1 发动机参数和试验方案

1.1 主要技术参数

本文研究采用一台高比功率柴油机，主要参数为缸径150 mm，冲程160 mm，压缩比13.5. 供油系统采用直列泵，喷孔方案为10×φ0.32 mm×150°. 发动机主要技术参数如表1所示。

1.2 试验方案

试验方案如表2所示。为模拟发动机低温烧蚀故障的运行环境，在发动机台架试验中将循环冷却水的回水温度分别控制为15 ℃、25 ℃、40 ℃，控制精度为±3 ℃. 在每种回水温条件下按照表2所示的试验方案进行不同转速和负荷试验。所用缸压传感器测量范围为0～25 MPa，测量精度为0.05%. 燃烧分析仪型号为DEWE-5000-CA2，每次试验采集120个循环。为研究压力振荡，采用0.25 °CA的曲轴转角分辨率。冷却水温度传感器测量范围为0～100 ℃，精度为±0.5 ℃. 由于该机型采用水空增压中冷，发动机的循环冷却水流经中冷器，低负荷条件下中冷后进气温度往往接近冷却液温度。试验时的环境温度为13 ℃，低于所设置的回水温度，因此中冷后的进气温度可近似认为等于回水温度。试验采用燃油为-50柴油，10%馏出温度为212.1 ℃，50%馏出温度为246.2 ℃，90%馏出温度为272.4 ℃，95%馏出温度为279.5 ℃，十六烷值为37.7.

表1 发动机技术参数Tab.1 Engine specifications

表2 试验工况Tab.2 Test conditions

试验过程为：在每个回水温度下，按照表2中序号依次开展各个工况试验，每个工况点稳定3～5 min后进行数据测试和采集。在每个回水温度控制试验完成后，观察活塞是否烧蚀。实际试验过程中，由于15 ℃回水温度在转速1 800 r/min以后发动机散热量增加而设备散热能力不足，无法控制回水温度在限定值，因此没有进行相关工况试验。

2 活塞烧蚀试验结果

根据发动机每轮试验结束后几次拆检结果可知：回水温度控制在40 ℃以上时，活塞未出现烧蚀现象；当回水温度控制在25 ℃左右时，活塞出现轻微或部分烧蚀现象；当回水温度控制在15 ℃左右时，活塞出现诸如活塞掉块、严重拉缸的严重烧蚀故障。回水温度与活塞烧蚀的关系如表3所示，其中回水温度75 ℃的试验，是该型发动机在另一次正常水温条件下运行相同工况的台架试验结果。图1显示了一种轻微或部分活塞烧蚀的情况。

图1 活塞烧蚀现象(回水温度25 ℃)Fig.1 Ablated piston after experiment (return water temperature: 25 ℃)

3 燃烧过程分析

先分析各个工况点120个循环平均的压力参数随回水温度的变化规律，然后对具有粗暴燃烧特点的典型工况进一步分析放热规律和多循环燃烧变动规律。

3.1 不同工况循环平均燃烧参数分析

3.1.1 循环平均最高燃烧压力

图2表示不同工况下循环平均的最高燃烧压力随转速和回水温度的变化。需要说明的是，回水温度75 ℃是采用以往正常试验时相同工况结果数据。由图2可见：当发动机转速为1 300～2 200 r/min、负荷率为70%时，循环平均的最高燃烧压力随转速变化趋势较平稳，但是随回水温度变化显著，较低的回水温度造成较大的最高燃烧压力；回水温度25 ℃时的最高燃烧压力达13 MPa，比回水温度75 ℃时高出约20%. 但是当发动机转速为800～1 100 r/min、负荷率为50%时，循环平均的最高燃烧压力随发动机转速增加几乎呈直线上升，回水温度从25 ℃增加到75 ℃时对最高燃烧压力的影响不大；但是当回水温度降低到15 ℃时，循环平均的最高燃烧压力显著高于其他回水温度时的数值，特别是在转速1 100 r/min时的最高燃烧压力高达12 MPa，比该工况其他回水温度时的最高燃烧压力高约50%.

图2 表2中各工况循环平均最高燃烧压力变化Fig.2 Comparison of maximum combustion pressures under the operation conditions in Tab.2

3.1.2 循环平均最大压升率

通常采用循环平均最大压升率分析粗暴燃烧程度，循环平均最大压升率如(1)式所示。

(1)

图3 表2中各工况循环平均最大压升率变化Fig.3 Comparison of maximum pressure rise rates per crank angle under the operation conditions in Tab.2

为了消除发动机转速差异对最大压升率计算数值的影响，采用时间尺度取代曲轴转角重新整理最大压升率数据，结果如图4所示。图4更加清楚地显示转速和回水温度对最大压升率的影响规律。当回水温度为75 ℃时，其循环平均的最大压升率随转速在10～20 MPa/ms之间比较平稳的变化；在所有回水温度试验方案中，回水温度15 ℃时出现了最高的最大压升率数值，此时最大压升率随发动机转速增加而快速增加，于1 300 r/min时(70%负荷)达到最大值，即40 MPa/ms，此后随转速进一步增加而下降，在1 500 r/min时下降到30 MPa/ms；回水温度为25 ℃时，最大压升率在1 300 r/min时(70%负荷)达到最大值，即35 MPa/ms，同时1 800 r/min和2 200 r/min的70%负荷也接近此值。反而在1 500 r/min和1 600 r/min的70%负荷下降到30 MPa/ms左右。回水温度为40 ℃时，从1 300 r/min到2 200 r/min的70%负荷的最大压升率除1 600 r/min达到30 MPa/ms最高外，其余基本在28 MPa/ms左右。

图4 不同回水温度下单位时间最大压升率变化Fig.4 Comparison of maximum pressure rise rates per million second at different return water temperatures

最大压升率是衡量燃烧粗暴的重要指标。一般为了控制柴油机燃烧噪声，对于最大压升率设有0.5～0.6 MPa/°CA的限值(依机型和企业而变化)，何学良[7]认为柴油机燃烧过程中产生压力振荡的限制值为0.88 MPa/°CA. 本文研究所得到的最大压升率均超出了柴油机燃烧组织的合理范围，尤其在较低回水温度下出现了严重的粗暴燃烧现象。

众所周知，汽油机爆震是造成发动机破坏(包括活塞烧蚀)的重要因素，直喷增压汽油机中产生的超级爆震(也叫低速早燃)对发动机造成了更大的破坏，因此在汽油机研究和开发中依照压升率的大小或压力振荡的幅值给出了爆震的控制限值； HCCI发动机由于过多的预混合气自燃也造成了燃烧压力振荡，压升率显著增加。表4中列出了一些关于直喷汽油机或HCCI发动机燃烧过程研究中采用的爆震控制限值，这些限值依所研究的内容、机型、工况、目标等而发生较大变化，但很少超过10 MPa/ms. 但是有关柴油机燃烧粗暴的研究较少，也没有制定出抑制柴油机破坏(包括活塞烧蚀)的最大压升率限值标准；韩国某学者在柴油爆燃可视化研究中发现，粗暴燃烧的最大压升率高达5 MPa/°CA，相当于36 MPa/ms[17]，该数值与本文研究中得到的最大压升率结果相近(如图4所示)，说明本文研究在较低的回水温度下已经出现了严重的粗暴燃烧现象，形成了活塞烧蚀的重要热力环境。

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

3.1.3 燃烧循环变动率

一般柴油机的燃烧循环变动率比汽油机低，工作比较稳定。但在本文研究中当回水温度降低时由于出现了燃烧粗暴现象，所以发动机燃烧稳定性也明显地恶化。

燃烧循环变动程度常用平均指示压力的循环变动率表征，可根据(2)式、(3)式以及(4)式获得：

(2)

(3)

(4)

图5 不同回水温度下平均指示压力的循环变动率Fig.5 Comparison of COVs of IMEP at different return water temperatures

表5 燃烧粗暴循环数统计Tab.5 Statistics of combustion roughness cycles

3.2 典型工况燃烧参数分析

为进一步研究回水温度对燃烧过程的影响规律，揭示活塞烧蚀时的燃烧过程典型特征，选取最高燃烧压力和最大压升率都较高的1 500 r/min、70%负荷工况作为一个典型工况，详细分析燃烧压力曲线及循环变动的变化规律。

3.2.1 缸内压力曲线分析

从图6不同回水温度的缸内压力曲线对比可知： 75 ℃水温时最高燃烧压力约为10 MPa，缸内压力曲线较为光顺；随着回水温度的降低，最高燃烧压力逐渐增加，特别回水温度为25 ℃和回水温度为15 ℃时，最高燃烧压力接近12 MPa，预混燃烧阶段缸内压力出现剧烈振荡且均出现燃烧振荡引起的压力波动现象。

图6 不同回水温度时的缸内压力曲线对比Fig.6 Comparison of pressure curves at different return water temperatures

3.2.2 循环变动分析

图7 回水温度75 ℃时的最高燃烧压力分布Fig.7 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 75 ℃

图8 回水温度40 ℃时的最高燃烧压力分布Fig.8 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 40 ℃

图9 回水温度25 ℃时的最高燃烧压力分布Fig.9 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 25 ℃

图10 回水温度15 ℃时的最高燃烧压力分布Fig.10 Distribution of maximum combustion pressure at return water temperature of 15 ℃

图7～图10为120个循环最高燃烧压力数值对比，短虚线为平均值(回水温度75 ℃时的循环最高燃烧压力平均值)，细实线为1.1倍平均值，点虚线为1.2倍平均值。从图7～图10可知：回水温度75 ℃时最高燃烧压力循环间变动值均低于1.1倍平均值；回水温度40 ℃时最高燃烧压力约有10%的循环低于1.1倍平均值，其余绝大部分在1.1～1.2倍平均值两线之间；回水温度分别为25 ℃和15 ℃时最高燃烧压力低于1.1倍平均值只有1个循环，大部分在1.1～1.2倍平均值线之间，超过1.2倍平均值线的循环约有1/3；部分循环甚至超过13 MPa(最高燃烧压力许用压力)；说明回水温度低于25 ℃时，出现可能导致机械负荷损坏的粗暴燃烧次数增加。

为了进一步分析本文研究的压升率与一般正常柴油机燃烧的压升率的差别，在图11～图14各回水温度下的单循环最大压升率变化点图中，以何学良[7]推荐的燃烧振荡限制值0.88 MPa/°CA作为基准参考点(粗实线)，再此基础上以其5倍限值(短虚线)、10倍限值(细实线)以及15倍限值(点虚线)为区分线，研究回水温度对单循环最大压升率变化的影响规律。

图11 回水温度75 ℃时的最大压升率循环变动Fig.11 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 75 ℃

图12 回水温度40 ℃时的最大压升率循环变动Fig.12 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 40 ℃

图13 回水温度25 ℃时的最大压升率分循环变动Fig.13 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 25 ℃

图14 回水温度15 ℃时的最大压升率循环变动Fig.14 Distribution of maximum pressure rise rate at return water temperature of 15 ℃

从图11～图14可知：回水温度75 ℃时最大压升率主要集中在燃烧振荡限值线附近，没有超过5倍限值线的循环数；回水温度分别为40 ℃、25 ℃和15 ℃时最大压升率主要集中在5倍限值线附近，且全部超过燃烧振荡限值线，超过10倍限值线的循环数为几个。从超过5倍限值线的统计结果来看：回水温度75 ℃时5倍超限循环数为0个；回水温度40 ℃时5倍超限循环数为28个，占比23%，10倍超限循环数为1个；回水温度25 ℃时，5倍超限循环数为36个，占比30%，10倍超限循环数为3个；回水温度15 ℃时，5倍超限循环数为45个，占比37.5%，10倍超限循环数为1个。因此，回水温度低于25 ℃时，最大压力升率5倍超限的循环数相比于回水温度40 ℃时增加了约10%.

图15～图17为120个循环燃烧始点对比，虚线为0.9倍平均值，细实线为燃烧始点平均值，点虚线为1.1倍平均值。从图15～图17可知：回水温度40 ℃时燃烧始点平均值为-6.6°CA左右，超过±10%平均值范围的循环数为18个；回水温度25 ℃时燃烧始点平均值为-5.8°CA左右，超过±10%平均值范围的循环数为7个；回水温度15 ℃时燃烧始点平均值为-4.9°CA左右，超过±10%平均值范围的循环数为14个。说明回水温度的降低燃烧始点平均值推后，但超过±10%平均值范围的循环数变化规律不明显。

图15 回水温度40 ℃时的燃烧始点循环变动Fig.15 Distribution of starting points of combustion at return water temperature of 40 ℃

图16 回水温度25 ℃时的燃烧始点循环变动Fig.16 Distribution of starting poinst of combustion at return water temperature of 25 ℃

图17 回水温度15 ℃时的燃烧始点循环变动Fig.17 Distribution of starting points of combustion at return water temperature of 15 ℃

4 结论

本文针对某柴油机在不同回水温度条件下燃烧过程参数进行了分析。得到结论如下：

1) 回水温度试验活塞烧蚀情况：回水温度40 ℃以上时活塞未出现烧蚀现象；回水温度25 ℃时活塞出现烧蚀现象；回水温度15 ℃时活塞烧蚀较严重。

2) 在回水温度75 ℃时，没有发生烧蚀的正常燃烧状态的最高燃烧压力为10 MPa左右，最大压升率小于15 MPa/ms，且没有超过5倍燃烧振荡限制值的循环；在回水温度40 ℃时，最高燃烧压力为12 MPa左右,最大压升率为30 MPa/ms左右,且超过5倍燃烧振荡限制值的循环数占比为23%，此时燃烧状态已经燃烧粗暴，但还不足以在试验时间内发生烧蚀现象。

3) 在回水温度分别为25 ℃和15 ℃时，最高燃烧压力达到13 MPa，最大压升率达到40 MPa/ms，超过5倍燃烧振荡限制值的循环数占比为30%左右，此时在试验期限内发生了烧蚀现象。

4) 柴油机回水温度降低引起的燃烧粗暴是导致活塞烧蚀故障的重要因素。