研究火焰进气预热对电磁流量计起动的影响

    摘 要：通过电磁流量计起动性能模拟试验，分析了无辅助和火焰进气预热两种方式的起动过程。结果表明：在无辅助起动条件下，随着海拔的升高，起动时间、起动循环数和失火循环数急剧增加，怠速阶段的 IMEP 变化幅值和范围随着海拔升高而增大；采用火焰进气预热条件下，起动时间、起动循环数和失火循环数随着海拔的升高虽然也增大，但与无辅助方式起动相比，其数值要小得多，而且怠速阶段的 IMEP 变化幅值和范围随着海拔升高却减小，且在4,500m 海拔的起动过程中，只出现 2 次短暂的以曲轴计的滞燃期与以时间计的滞燃期不匹配现象，在转速上升过程没有表现明显出颤抖现象，起动性能得到明显改善。

   高海拔地区特殊的地理环境和气候特点如大气压力低，空气密度小，空气含氧量低等，导致在平原能顺利起动的车辆装备进入地区后出现起动困难。为改善起动性能，普遍都是将一些平原地区使用的起动辅助装置，通过参数调整以适应起动。常用的有冷却液加温装置、火焰进气预热装置、电热栅格或PTC 进气预热装置、向进气管喷乙醚的起动装置等等，其中以冷却液加温与进气预热方式应用最为广泛[1]。也有研究认为由于环境氧含量低不适合采用进气预热方式起动[2-3]。本文采用无辅助和火焰进气预热两种起动方案，通过常温环境下的起动性能试验，研究不同海拔下起动时间、失火循环、起动循环数、IMEP 值以及燃烧特性的变化规律。 

    一、起动试验装置
    在环境试验室，进行了不同海拔下的无辅助和采用火焰进气预热的两种方案的起动模拟对比试验。试验台主要由（低气压）模拟系统、环境温度控制系统、进排气压力传感器、温度传感器、空气和冷却水流量计等仪器设备组成。试验用发动机采用某 V 型 6 缸水冷增压直喷式电磁流量计，其压缩比为14.25，排量为 16.9L。采用的火焰进气预热起动装置由单个供油量为 7.3ml/min 的火焰塞、油泵和控制器组成，火焰塞布置在中冷器出口的进气管中，左右排进气管上各布置一个。起动前先打开进气预热开关，预热 30s 后，起动发动机。同时打开燃油泵开关，燃油喷射到电热塞的高温表面后燃烧，燃气与进气混合，实现对进气加热。图 1 为电磁流量计起动模拟试验台示意图。
    试验台利用进气节流和排气抽真空的方法模拟电磁流量计在低气压下的工作状态，模拟海拔范围为 0~4500m。 

    二、试验结果与分析
    1．无辅助措施下对电磁流量计起动影响
在 20℃环境温度下，分别进行海拔 0、1,000、2,000、 3,000 和 4,500m 的无辅助起动措施的起动试验。试验中不同海拔的起动转速和循环数随时间的变化为：在海拔 0m 时起动时间的 2s，经历循环 9 个循环；在海拔 1,000m 时的起动时间的 2.5s，经历循环 11.5 个循环；在海拔 2,000m 时的起动时间的 4.9s；经历循环 22 个循环；在海拔 3,000m时的起动时间的 21s，经历循环 94 个循环；海拔 4,500m 发动机无法起动。图2为海拔0~4,500m前100个循环的IMEP变化，当 IMEP 值小于 0 时发动机为失火循环，可以看出，随着海拔的升高，失火循环越来越多，从海拔 0~3,000m，起动过程的失火循环分别为 1、2、4、29 个。同时进入怠速后，IMEP 的变化幅度和范围也随海拔升高逐渐加大，海拔0m 的 IMEP 值在 1.6~2.2bar 之间；海拔 1,000m 的 IMEP值在 1.5~2.4bar 之间；海拔 2,000m 的 IMEP 值在0.7~2.7bar之间；海拔3,000m的IMEP 值在0.18~5.1bar之间。可见，海拔 0m 与 1,000m 起动时间与循环数基本相当。从海拔 1,000m 升高到海拔 2,000m 起动时间增加了 1 倍，起动循环数增加了 2.4 倍，失火循环数增加了 2 倍。从 2,000m 升高到 3,000m 起动时间增加了 8.4 倍，起动循环数增加了 4.3 倍，失火循环数增加了 7.2 倍。

    综上分析，在无辅助起动条件下，海拔 0m 和 1,000m环境下电磁流量计能快速起动，且起动性能基本相当。随着海拔的升高，起动时间、起动循环数和失火循环数快速增加，起动性能剧烈恶化，进入怠速后，IMEP 变化幅值和范围随着海拔升高增大，导致怠速的稳定性随海拔升高而变差。在海拔 4,500m 无法起动。
    2．火焰进气预热对起动的影响
    在海拔 3,000、3,750、4,500m，20℃环境温度条件下，采用火焰进气预热措施的起动试验。试验中不同海拔的起动转速和循环数随时间的变化为：在 3,000m 海拔，起动时间为 6.1s，起动过程经历 27 个循环，其中 1 个失火循环，进气温度升高到 24℃；在 3,750 海拔，起动时间为 6.7s，起动过程经历 30 个循环，其中 1 个失火循环，进气温度升高到 25℃；在 4,500 海拔，起动时间为 10.4s，起动过程经历 44 个循环，其中 2 个失火循环，进气温度升高到 38℃； 图 3 为前 60 个循环的 IMEP 变化情况。从图中可以看出，在怠速阶段，海拔 3,000m 的 IMEP 在 2~3.6bar 变动；在海拔 3,750m，IMEP 在 2.4~3.5bar 变动；海拔 4,500m的 IMEP 在 2.5~3.2bar 变动。

    与无辅助相比，在海拔3,000m，起动时间缩短了13.9s，起动循环减少了 67 个，失火循环减少了 28 个，起动性能得到很大提升。且随着海拔的升高，起动时间、起动循环数和失火循环数虽然有所提高，但变化值明显要小。从在怠速阶段的 IMEP 变化来看，IMEP 变动幅值和范围随海拔升高而缩小，各循环做功一致性更好，转速更加稳定。
    3．起动过程的燃烧特性分析
    在起动过程中，发动机的转速由若干个加速和颤抖阶段构成。在加速阶段，燃烧产生的扭矩使转速上升，在随后的循环中，以曲轴计的滞燃期延长，导致燃烧压力上升速率降低乃至燃烧压力不再上升；在颤抖阶段，转速上升使曲轴计的滞燃期延长，并出现失火循环，抑制转速上升[4-5]。图 4 为采用火焰进气预热，海拔 4,500m 起动过程中前 44 个循环的供油提前角、着火提前角、着火滞燃期、转速和进气温度随循环数的变化关系。经过第 1 和第 2 个失火循环后，第 3 个循环在ATDC15°CA 开始着火，以曲轴计的滞燃期为 43.8°CA，以时间计的滞燃期为 30ms。随着转速开始上升，着火点后移，以曲轴计的滞燃期变长，同时由于进气温度提高和燃烧环境的改善，以时间计的滞燃期变短。至第 5 个循环，着火点推迟到了 ATDC19°CA，以曲轴计的滞燃期延长到了 48.3°CA，以时间计的滞燃期变短为 25.2ms。分析前 9 个循环的气缸压力变化曲线发现，第 3 个循环为双峰、第 4 和 5 个循环为子孕峰，由于这 3 个循环的不完全燃烧的影响，可燃混合气和的积累、进气温度提升和燃烧环境温度提高，导致第 6 个循环出现良好燃烧的单母蜂，最高压力达到 45bar。此时，着火点降低到了 ATDC3.2°CA，以曲轴计的滞燃期降低到了 29.5°CA，而以时间计的滞燃期缩短为 14.6ms，剧烈的燃烧导致转速从上循环的 330r/min 上升的到了 405r/min。过快的上升转速导致下一个循环的着火点向后延，燃烧压力降低，时间计滞燃期和时间计滞燃期均变长。因此，在第 7 个循环着火点推后到了 ATDC10.7°CA，以曲轴计的滞燃期升高到 37°CA，而以时间计的滞燃期延长到 16ms。之后，由于进气温度和燃烧环境温度升高，着火点、时间计滞燃期和曲轴计滞燃期随着循环增大逐渐降低，在第 12 个循环后，着火点在BTDC3.3~-0.9°CA，均为良好燃烧的单母蜂循环，曲轴转角计的滞燃期稳定在 20.6°CA~22.7°CA，时间计的滞燃期稳定在 6.8~4.8ms，表现为整个起动过程转速稳定上升。
    三、结论
    （1）在无起动辅助条件下，海拔 2,000m 以下，可以顺利起动，海拔大于 2,000m，起动时间、起动循环数和失火循环数随着海拔的升高急剧增加。在海拔 4,500m 无法起动。 

    （2）采用火焰进气预热，海拔 4,500m，10.4s 完成起动。从怠速阶段的 IMEP 变化来看，起动后，IMEP 幅值稳定。 

    （3）在 4,500m 海拔下的火焰进气预热的起动过程中，出现 2 个以曲轴计的滞燃期和以时间计的滞燃期变化不一致现象的循环，在转速上没有表现出明显颤抖现象，整个起动过程转速稳定。