CN112594075B - 一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，步骤如下：步骤一，以临界着火条件作为柴油机缸内压缩终了临界状态，计算柴油机最低压缩始点温度；步骤二，确定在柴油机的启喷转速下和Ramp转速下的最低预热后进气温度；步骤三，根据柴油机的缸数、单缸排量、充气效率及当前高原的气压、最低预热后进气温度及柴油机转速，计算进入进气预热装置内空气的初始流量；步骤四，根据初始流量、初始温度、最低预热后进气温度及定压比热，计算进气预热装置的最小预热功率；本发明能够实现柴油机起动过程中随柴油机转速、海拔高度自适应调整的最小进气预热功率，改善了现有设计方法的不足，有利于柴油机环境适应性的提高。

Description

一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法

技术领域

本发明属于柴油机技术领域，具体涉及一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法。

背景技术

柴油机起动过程中转速低、漏气量大、散热量高，造成缸内压缩终了温度及密度降低，柴油喷雾着火滞燃期增加，甚至出现部分自燃或失火等临界现象。柴油喷雾失火是柴油机冷起动性能差的根本原因。我国幅员辽阔，“南北温差大，东西海拔差异大”是我国气候地形的基本特征。我国海拔高度高于3000m的国土面积占总面积的27％。柴油机在高原环境中冷起动时，缸内压缩终了密度会进一步降低，柴油喷雾自燃也会更加困难，导致柴油机高原冷起动性能较差。

对柴油机进气进行预热，将大气温度提升后再进入发动机，可以有效提高缸内压缩终了温度，是解决柴油机高原环境下冷起动性能差的重要手段。由于冷起动阶段废气涡轮增压器不起作用，仅进气预热装置加热后的新鲜空气直接进入柴油机气缸。以往的柴油机电加热进气预热装置(或火焰预热)，其预热功率(或供油速率)是恒定不变的，进气预热功率不随转速、海拔高度的变化而变化。在平原工况下，进气流量大，进气预热功率需求最大。在平原工况下确定的进气预热功率(或供油速率)应用在高原工况时将导致预热功率富余、进气量降低。使用现有进气预热设计方法的柴油机，其进气预热功率不随转速变化而变化，且不具有随海拔高度变化而变化的高原适应性。

综上所述，目前进气预热设计方法不能确定柴油机起动工程中具有高原环境适应性的进气预热功率。为了提高柴油机高原环境下的冷起动性能，亟需一种新的具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，能够实现柴油机起动过程中随柴油机转速、海拔高度自适应调整的最小进气预热功率，改善了现有设计方法的不足，有利于柴油机环境适应性的提高。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一，以临界着火条件作为柴油机缸内压缩终了临界状态，计算柴油机最低压缩始点温度T_1-min，所述计算公式如下；

其中，ε为压缩比，k为绝热指数，P_in为当前高原的气压，f＝1-3.68*n^-0.5，n为柴油机转速；

步骤二，确定在柴油机的启喷转速下和Ramp转速下的最低预热后进气温度T_in-min；

其中，T_in-min-start为柴油机启喷转速下的进气预热后最低温度；T_in-min-ramp为柴油机的Ramp转速下的进气预热后最低温度，LHV为燃料低热值，c_v为空气定容比热；

步骤三，根据柴油机的缸数τ、单缸排量V_h、充气效率η及当前高原的气压P_in、最低预热后进气温度T_in-min及柴油机转速n，计算进入进气预热装置内空气的初始流量为m_air，所述计算公式如下：

步骤四，根据初始流量m_air、初始温度T_air、最低预热后进气温度T_in-min及定压比热c_p，计算进气预热装置的最小预热功率P_heat-min，所述计算公式如下：

P_heat-min＝m_airc_p(T_in-min-T_air) 公式(12)

将公式(10)、公式(11)代入公式(12)中，可得，

步骤五，通过改变海拔高度，进而改变当前高原的气压P_in，令初始温度T_air保持不变，根据公式(13)，可获得不同海拔高度下柴油机的进气预热装置的最小预热功率。

进一步的，在步骤一中，计算柴油机最低压缩始点温度T_1-min的方法如下：

步骤1，确定柴油喷雾的临界着火温度T_c和临界着火密度ρ_c之间的关系，所述关系如下：

步骤2，根据柴油机的进气温度T₁和进气压强P₁、压缩比ε、气体常数R_g、绝热指数k及柴油机转速n，计算柴油机的实际压缩终了温度T₂及实际压缩终了密度ρ₂；

步骤3，以临界着火条件作为柴油机缸内压缩终了临界状态，即T₂＝T_c，ρ₂＝ρ_c，联立公式(1)和公式(2)可得，

因此，T_1-min＝T₁，即可得到公式(3)。

进一步的，在步骤二中，确定在柴油机的启喷转速下和Ramp转速下的最低预热后进气温度T_in-min的方法如下：

(1)柴油机启喷转速下进气预热后的最低温度T_in-min-start等于柴油机最低压缩始点温度T_1-min，即：

T_in-min-start＝T_1-min 公式(4)

(2)计算柴油机的Ramp转速下的进气预热后最低温度T_in-min-ramp：

步骤2-1，令残余废气和被预热后的空气混合后的压缩始点温度为T_mixed和压缩始点密度为ρ_mixed；根据燃料低热值LHV和空气定容比热c_v，计算柴油机的燃烧室内发生燃烧后产生的残余废气的残余废气温度T_res和残余废气密度ρ_res，计算公式如下：

其中，T₃为燃烧终了温度；ρ₃为燃烧终了密度；

λ为奥拓循环的定容增压比，

σ为奥拓循环的等效膨胀比，

步骤2-2，根据步骤2-1得到的T_res和ρ_res，计算柴油机的单缸排量V_h的空气质量m_air-cycle、燃烧室容积V_c的残余废气质量m_res及混合后的总质量m_air-cycle+m_res；

m_res＝V_cρ_res

m_air-cycle＝V_hρ_in

m_air-cycle+m_res＝(V_h+V_c)ρ_mixed 公式(6)

步骤2-3，令以最小进气预热功率被预热后的单缸排量V_h、最低预热后进气温度为T_in-min的空气和燃烧室容积V_c、温度为T_res的残余废气进行定压绝热混合，则：

m_resc_V-resT_res+m_air-_cycleC_V-airT_in-min＝(m_res+m_air-cycle)c_V-mixedT_mixed 公式(7)

其中，c_V-res为残余废气的定容比热，c_V-air为空气的定容比热，c_V-mixed为残余废气和空气混合后气体的定容比热，且c_V-res＝c_V-air＝c_V-mixed；

步骤2-4，联立公式(5)-公式(7)，可得残余废气和被预热后的空气混合后的压缩始点温度T_mixed为：

步骤2-5，由于T_mixed＝T_1-min相等，因此将公式(3)的T_1-min的表达式代入到公式(8)中，可计算得到最低预热后进气温度T_in-min，即柴油机的Ramp转速期间的最低预热后进气温度T_in-min-ramp，即：

进一步的，在步骤1中，确定柴油喷雾的临界着火温度T_c和临界着火密度ρ_c间的关系的试验方法如下：

步骤1-1，基于柴油喷雾试验，在背景空气密度为设定值A，且保持固定不变的前提下，逐渐降低背景空气的温度，获得柴油喷雾的临界着火温度T_c1及其对应的临界着火密度ρ_c1；

步骤1-2，改变背景空气密度，在背景空气密度为设定值B，且保持固定不变的前提下，逐渐降低背景空气的温度，获得柴油喷雾的临界着火温度T_c2及其对应的临界着火密度ρ_c2；

步骤1-3，重复步骤1-2，获得不同背景空气密发下，对应的临界着火温度T_c及临界着火密度ρ_c，即得到临界着火温度T_c关于临界着火密度ρ_c的三次多项式形式的拟合关系式，即公式(1)。

进一步的，在步骤五中，所述海拔高度与当前高原的气压P_in之间的关系如下：

海拔高度＝0m时，P_in＝1bar；海拔高度＝500m时，P_in＝0.94bar；

海拔高度＝1000m时，P_in＝0.88bar；海拔高度＝1500m时，P_in＝0.83bar；

海拔高度＝2000m时，P_in＝0.72bar；海拔高度＝2500m时，P_in＝0.72bar；

海拔高度＝3000m时，P_in＝0.66bar；海拔高度＝3500m时，P_in＝0.61bar；

海拔高度＝4000m时，P_in＝0.55bar；海拔高度＝4500m时，P_in＝0.5bar；

海拔高度＝5000m时，P_in＝0.44bar。

有益效果：本发明能够获得随柴油机转速和海拔高度变化的柴油机进气预热装置的最小预热功率，并能够自适应调整进气预热装置的最小进气预热功率，使得应用本发明的柴油机具有了高原适应性，提高了柴油机冷起动性能及环境适应性。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明的计算原理图；

图3为不同温度下柴油喷雾的着火图；

图4为临界着火温度和临界着火密度间的拟合关系图；

图5为启喷转速时的预热功率随海拔高度的变化图；

图6为Ramp转速时的预热功率随海拔高度的变化图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，该方法的具体步骤如下：

参见附图1-2，令进入进气预热装置内空气的初始流量为m_air，初始压强为P_air(即当前高原的气压)，初始温度为T_air，初始密度为ρ_air；所述空气在进气预热装置内被预热后，排出空气的空气压强为P_in(即当前高原的气压)，空气温度为T_in，空气密度为ρ_in；所述排出的空气进入到柴油机中，提供柴油机起动的动力，柴油机的进气压强为P₁(即当前高原的气压)，进气温度为T₁；其中，P_air＝P_in＝P₁＝当前高原的气压，ρ_in＜ρ_air，T_in＞T_air；当所述空气在进气预热装置内以最小进气预热功率被预热后，排出的空气温度为T_in-min，即最低预热后进气温度，此时，在柴油机的启喷转速下，柴油机的最小进气温度T_1-min与最低预热后进气温度T_in-min相等，所述T_1-min即为柴油机最低压缩始点温度；在柴油机的Ramp转速下(即转速上升期间)，柴油机最低压缩始点温度T_1-min与残余废气和空气混合后的压缩始点温度T_mixed相等；

步骤一，通过试验确定柴油喷雾的临界着火温度T_c和临界着火密度ρ_c之间的关系，所述关系如下：

步骤二，确定柴油机起动过程中的实际压缩冲程计算公式，即根据柴油机的进气温度T₁和进气压强P₁、压缩比ε、气体常数R_g、绝热指数k及柴油机转速n，计算柴油机的实际压缩终了温度T₂及实际压缩终了密度ρ₂；

f＝1-3.68*n^-0.5 公式(2)

其中，P₂为柴油机的实际压缩终了压强；

步骤三，以临界着火条件作为柴油机缸内压缩终了临界状态(即T₂＝T_c，ρ₂＝ρ_c)，联立公式(1)和公式(2)计算柴油机最低压缩始点温度T_1-min，此时，T_1-min＝T₁；

步骤四，确定两种工况下的最低预热后进气温度T_in-min；

(1)第一种工况：确定在柴油机的启喷转速下的进气预热后最低温度T_in-min-start，此过程柴油机的燃烧室内不发生燃烧，因此不考虑燃烧后产生的残余废气；

柴油机启喷转速下进气预热后的最低温度T_in-min-start等于柴油机最低压缩始点温度T_1-min，即：

T_in-min-start＝T₁-_min 公式(4)

(2)第二种工况：计算柴油机的Ramp转速下(即转速上升期间)的进气预热后最低温度T_in-min-ramp，此过程柴油机的燃烧室内发生燃烧，因此考虑燃烧后产生的残余废气；

步骤4-1，令在柴油机的转速上升期的柴油机缸内循环为奥拓循环，残余废气和被预热后的空气混合后的压缩始点温度为T_mixed和压缩始点密度为ρ_mixed；把奥拓循环膨胀线延长直至与进气压力线相交，等效于柴油机缸内气体膨胀到了空气压强P_in(即大气压)，根据燃料低热值LHV和空气定容比热c_v，计算柴油机的燃烧室内发生燃烧后产生的残余废气的残余废气温度T_res和残余废气密度ρ_res，计算公式如下：

其中，T₃为燃烧终了温度；ρ₃为燃烧终了密度；

λ为奥拓循环的定容增压比，

σ为奥拓循环的等效膨胀比，

步骤4-2，根据步骤4-1得到的T_res和ρ_res，计算柴油机的单缸排量V_h的空气质量m_air-cycle、燃烧室容积V_c的残余废气质量m_res及混合后的总质量m_air-cycle+m_res；

m_res＝V_cρ_res

m_air-cycle＝V_hρ_in

m_air-cycle+m_res＝(V_h+V_c)ρ_mixxed 公式(6)

步骤4-3，令以最小进气预热功率被预热后的体积为V_h(单缸排量)、最低预热后进气温度为T_in-min的空气和体积为V_c(燃烧室容积)、温度为T_res的残余废气进行定压绝热混合，则：

m_resc_V-resT_res+m_air-cyclec_V-airT_in-min＝m_res+m_air-cycle)c_V-mixedT_mixed 公式(7)

其中，c_V-res为残余废气的定容比热，c_V-air为空气的定容比热，c_V-mixed为残余废气和空气混合后气体的定容比热，且c_V-res＝c_V-air＝c_V-mixed；

步骤4-4，联立公式(5)-公式(7)，可得残余废气和被预热后的空气混合后的压缩始点温度T_mixed为：

步骤4-5，由于T_mixed与步骤三中的T_1-min相等，因此将公式(3)的T_1-min的表达式代入到公式(8)中，可计算得到最低预热后进气温度T_in-min，即柴油机的Ramp转速期间的最低预热后进气温度T_in-min-ramp，即：

综上，在进气预热装置以最小进气预热功率预热后的最低预热后进气温度T_in-min的表达式如下：

步骤五，根据柴油机的缸数τ、单缸排量V_h、充气效率η及在进气预热装置以最小进气预热功率被预热后的空气压强P_in、最低预热后进气温度T_in-min及柴油机转速n，计算进入进气预热装置内空气的初始流量为m_air，所述计算公式如下：

步骤六，根据初始流量m_air、初始温度T_air、最低预热后进气温度T_in-min及定压比热c_p，计算进气预热装置的最小预热功率P_heat-min，所述计算公式如下：

P_heat-min＝m_airc_p(T_in-min-T_air) 公式(12)

将公式(10)、公式(11)代入公式(12)中，可得，

步骤七，根据海拔高度与初始压强P_air(即当前高原的气压)之间的关系，参见表1，通过改变海拔高度，进而改变当前高原的气压P_in，令初始温度T_air保持不变，根据公式(13)，可获得不同海拔高度下柴油机的进气预热装置的最小预热功率；

表1

至此，输入柴油机基本参数，调节初始压强P_air，即可得到柴油机的进气预热装置最小预热功率随柴油机转速及海拔高度的变化Map图，完成具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计；

在本实施例中，柴油机的基本参数为：柴油机的启喷转速为200rpm、Ramp转速为从200rpm到800rpm、压缩比ε为13.8、单缸排量V_h为2L、充气效率η为0.8、燃料低热值LHV为43kJ/kg时，分别计算不同海拔高度的启喷转速下的最小预热功率和Ramp转速下的最小预热功率，如图5和图6所示。

其中，在步骤一中确定柴油喷雾的临界着火温度T_c和临界着火密度ρ_c间的关系的试验方法如下：

步骤1-1，基于柴油喷雾试验，在背景空气密度为设定值A，且保持固定不变的前提下，逐渐降低背景空气的温度，获得柴油喷雾的临界着火温度T_c1及其对应的临界着火密度ρ_c1；如图3所示，该密度下，临界着火温度T_c1为720K；

步骤1-2，改变背景空气密度，在背景空气密度为设定值B，且保持固定不变的前提下，逐渐降低背景空气的温度，获得柴油喷雾的临界着火温度T_c2及其对应的临界着火密度ρ_c2；

步骤1-3，重复步骤1-2，获得不同背景空气密度下，对应的临界着火温度T_c及临界着火密度ρ_c，即得到临界着火温度T_c关于临界着火密度ρ_c的三次多项式形式的拟合关系式，如图4所示；所述拟合关系式为：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

步骤一，以临界着火条件作为柴油机缸内压缩终了临界状态，计算柴油机最低压缩始点温度T_1-min，所述计算公式如下；

其中，ε为压缩比，k为绝热指数，P_in为当前高原的气压，f＝1-3.68*n^-0.5，n为柴油机转速；

步骤二，确定在柴油机的启喷转速下和Ramp转速下的最低预热后进气温度T_in-min；

其中，T_in-min-start为柴油机启喷转速下的进气预热后最低温度；T_in-min-ramp为柴油机的Ramp转速下的进气预热后最低温度，LHV为燃料低热值，c_v为空气定容比热；

步骤三，根据柴油机的缸数τ、单缸排量V_h、充气效率η及当前高原的气压P_in、最低预热后进气温度T_in-min及柴油机转速n，计算进入进气预热装置内空气的初始流量为m_air，所述计算公式如下：

步骤四，根据初始流量m_air、初始温度T_air、最低预热后进气温度T_in-min及定压比热c_p，计算进气预热装置的最小预热功率P_heat-min，所述计算公式如下：

P_heat-min＝m_airc_p(T_in-min-T_air) 公式(12)

将公式(10)、公式(11)代入公式(12)中，可得，

步骤五，通过改变海拔高度，进而改变当前高原的气压P_in，令初始温度T_air保持不变，根据公式(13)，可获得不同海拔高度下柴油机的进气预热装置的最小预热功率。

2.如权利要求1所述的一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，其特征在于，在步骤一中，计算柴油机最低压缩始点温度T_1-min的方法如下：

步骤1，确定柴油喷雾的临界着火温度T_c和临界着火密度ρ_c之间的关系，所述关系如下：

步骤2，根据柴油机的进气温度T₁和进气压强P₁、压缩比ε、气体常数R_g、绝热指数k及柴油机转速n，计算柴油机的实际压缩终了温度T₂及实际压缩终了密度ρ₂；

步骤3，以临界着火条件作为柴油机缸内压缩终了临界状态，即T₂＝T_c，ρ₂＝ρ_c，联立公式(1)和公式(2)可得，

因此，T_1-min＝T₁，即可得到公式(3)。

3.如权利要求1所述的一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，其特征在于，在步骤二中，确定在柴油机的启喷转速下和Ramp转速下的最低预热后进气温度T_in-min的方法如下：

(1)柴油机启喷转速下进气预热后的最低温度T_in-min-start等于柴油机最低压缩始点温度T_1-min，即：

T_in-min-start＝T_1-min 公式(4)

(2)计算柴油机的Ramp转速下的进气预热后最低温度T_in-min-ramp：

步骤2-1，令残余废气和被预热后的空气混合后的压缩始点温度为T_mixed和压缩始点密度为ρ_mixed；根据燃料低热值LHV和空气定容比热c_v，计算柴油机的燃烧室内发生燃烧后产生的残余废气的残余废气温度T_res和残余废气密度ρ_res，计算公式如下：

其中，T₃为燃烧终了温度；ρ₃为燃烧终了密度；

λ为奥拓循环的定容增压比，

σ为奥拓循环的等效膨胀比，

步骤2-2，根据步骤2-1得到的T_res和ρ_res，计算柴油机的单缸排量V_h的空气质量m_air-cycle、燃烧室容积V_c的残余废气质量m_res及混合后的总质量m_air-cycle+m_res；

m_res＝V_cρ_res

m_air-cycle＝V_hρ_in

m_air-cycle+m_res＝(V_h+V_c)ρ_mixed 公式(6)

步骤2-3，令以最小进气预热功率被预热后的单缸排量V_h、最低预热后进气温度为T_in-min的空气和燃烧室容积V_c、温度为T_res的残余废气进行定压绝热混合，则：

m_resc_V-resT_res+m_air-cyclec_V-airT_in-min＝(m_res+m_air-cycle)c_V-mixedT_mixed 公式(7)

其中，c_V-res为残余废气的定容比热，c_V-air为空气的定容比热，c_V-mixed为残余废气和空气混合后气体的定容比热，且c_V-res＝c_V-air＝c_V-mixed；

步骤2-4，联立公式(5)-公式(7)，可得残余废气和被预热后的空气混合后的压缩始点温度T_mixed为：

步骤2-5，由于T_mixed＝T_1-min相等，因此将公式(3)的T_1-min的表达式代入到公式(8)中，可计算得到最低预热后进气温度T_in-min，即柴油机的Ramp转速期间的最低预热后进气温度T_in-min-ramp，即：

4.如权利要求2所述的一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，其特征在于，在步骤1中，确定柴油喷雾的临界着火温度T_c和临界着火密度ρ_c间的关系的试验方法如下：

步骤1-1，基于柴油喷雾试验，在背景空气密度为设定值A，且保持固定不变的前提下，逐渐降低背景空气的温度，获得柴油喷雾的临界着火温度T_c1及其对应的临界着火密度ρ_c1；

步骤1-2，改变背景空气密度，在背景空气密度为设定值B，且保持固定不变的前提下，逐渐降低背景空气的温度，获得柴油喷雾的临界着火温度T_c2及其对应的临界着火密度ρ_c2；

步骤1-3，重复步骤1-2，获得不同背景空气密度下，对应的临界着火温度T_c及临界着火密度ρ_c，即得到临界着火温度T_c关于临界着火密度ρ_c的三次多项式形式的拟合关系式，即公式(1)。

5.如权利要求1所述的一种具有高原适应性的柴油机最小进气预热功率设计方法，其特征在于，在步骤五中，所述海拔高度与当前高原的气压P_in之间的关系如下：

海拔高度＝0m时，P_in＝1bar；海拔高度＝500m时，P_in＝0.94bar；

海拔高度＝1000m时，P_in＝0.88bar；海拔高度＝1500m时，P_in＝0.83bar；

海拔高度＝2000m时，P_in＝0.72bar；海拔高度＝2500m时，P_in＝0.72bar；

海拔高度＝3000m时，P_in＝0.66bar；海拔高度＝3500m时，P_in＝0.61bar；

海拔高度＝4000m时，P_in＝0.55bar；海拔高度＝4500m时，P_in＝0.5bar；

海拔高度＝5000m时，P_in＝0.44bar。

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