吳瑞斌，王盤龍，曲其磊，韓云龍，代 偉，張佳琪，齊 鳳

（中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司，山東濟(jì)南 250306）

0 引言

中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司研制的某型內(nèi)燃機(jī)，作為鉆井動力廣泛應(yīng)用于各大油田。以塔里木油田為例，其冬季最低環(huán)境溫度可達(dá)-40，該型內(nèi)燃機(jī)存在低溫、超低溫啟動的工況。由于低溫啟動時，存在氣缸漏氣量大、滑油黏度高、發(fā)散熱量多等問題，往往無法達(dá)到維持缸內(nèi)點(diǎn)火的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。因此，對該型內(nèi)燃機(jī)的低溫啟動性能進(jìn)行分析研究，有利于解決首次啟動困難的問題[1]。

1 低溫啟動過程分析與優(yōu)化設(shè)想

1.1 低溫正常啟動過程

該型內(nèi)燃機(jī)在低溫啟動正常時，首先進(jìn)行預(yù)供油，然后啟動馬達(dá)拖動內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)動，在吸氣沖程吸入新鮮空氣，壓縮沖程使缸內(nèi)溫度初步提高。當(dāng)出現(xiàn)首個做功沖程后，此時的高溫廢氣對氣缸內(nèi)外進(jìn)行加熱，并推動曲軸轉(zhuǎn)動。排氣沖程的高溫廢氣進(jìn)入渦輪增壓器，增壓空氣被壓縮時溫度升高。當(dāng)進(jìn)入到下一個吸氣沖程時，部分高溫廢氣混合空氣，使混合氣溫度進(jìn)一步提高。如此往復(fù)循環(huán)，使內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步提高，缸內(nèi)壓力和壓縮終點(diǎn)溫度逐步增高，當(dāng)各缸可穩(wěn)定點(diǎn)火時，啟動馬達(dá)在預(yù)設(shè)時間退出，此時內(nèi)燃機(jī)逐步達(dá)到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速[2-3]。

1.2 低溫啟動失敗的影響因素

一般來講，低溫啟動時存在氣缸漏氣量大、滑油黏度高、摩擦系數(shù)高、發(fā)散熱量多和燃油密度高等問題。但是，內(nèi)燃機(jī)各缸能否穩(wěn)定點(diǎn)火與缸內(nèi)溫度、缸內(nèi)壓力和混合氣濃度密切相關(guān)。

如果缸內(nèi)溫度過低，往往使燃油霧化不充分、混合氣的化學(xué)反應(yīng)和熱運(yùn)動變緩，不能達(dá)到燃油的燃點(diǎn)，如此時啟動馬達(dá)在預(yù)定時間退出，則啟動失敗。

如果缸內(nèi)壓力過低，氣缸內(nèi)的混合氣密度降低，點(diǎn)火對缸內(nèi)溫度提出更高的需求，也是造成低溫啟動失敗的原因之一。

在一定的壓力和燃料特性下，混合氣的可燃濃度范圍隨溫度的降低而變窄。如果缸內(nèi)溫度過低，混合氣濃度在超出可燃濃度的上下限時，亦不能正常點(diǎn)火，造成低溫啟動失敗。

1.3 針對低溫啟動失敗的優(yōu)化設(shè)想

（1）對內(nèi)燃機(jī)加裝油、水加熱裝置，強(qiáng)制循環(huán)預(yù)熱，使機(jī)組啟動前的整機(jī)溫度達(dá)到理想狀態(tài)。

（2）對啟動馬達(dá)進(jìn)行優(yōu)化，通過改變啟動轉(zhuǎn)速，改善缸內(nèi)壓力狀態(tài)，提升內(nèi)燃機(jī)的低溫啟動性能。

（3）通過改變缸內(nèi)壓縮比，提高缸內(nèi)壓力、混合氣濃度和溫度，提升低溫啟動性能。

（4）對配氣正時進(jìn)行優(yōu)化，控制充氣效率、廢氣系數(shù)和氣缸內(nèi)壓縮溫度，改善低溫啟動性能。

（5）通過優(yōu)化噴油參數(shù)，如缸內(nèi)噴油量、噴射角度、噴射壓力和噴油正時設(shè)定等，使燃油霧化更加充分，進(jìn)而影響點(diǎn)火時間和火焰?zhèn)鞑顟B(tài)，改善缸內(nèi)燃燒，從而優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)低溫啟動性能。

2 低溫啟動優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 加裝油、水預(yù)熱裝置

表1 預(yù)熱后進(jìn)氣溫度對內(nèi)燃機(jī)低溫啟動影響

表1 為預(yù)熱后進(jìn)氣溫度對內(nèi)燃機(jī)低溫啟動的影響，其中，t進(jìn)為進(jìn)氣溫度，Tmax為缸內(nèi)最高溫度，充為充氣效率，r殘為殘余廢氣系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在缸內(nèi)最高溫度達(dá)到約700 K 時可認(rèn)為點(diǎn)火成功，此時進(jìn)氣溫度約10。通過逐步提高進(jìn)氣溫度，缸內(nèi)最高溫度顯著提高，但啟動初期的充和r殘變化不大。由于強(qiáng)制油、水加熱循環(huán)，潤滑充分，啟動摩擦因數(shù)得到降低。加裝油、水預(yù)熱裝置可有效改善該型內(nèi)燃機(jī)的低溫啟動性能[2]。

2.2 提高啟動轉(zhuǎn)速

該型內(nèi)燃機(jī)低溫啟動時，由于活塞的運(yùn)動速度較低、活塞環(huán)與氣缸壁的氣隙較大，導(dǎo)致缸內(nèi)漏氣量較高，當(dāng)缸內(nèi)溫度和壓力降低到一定數(shù)值會導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。但缸內(nèi)漏氣隨轉(zhuǎn)速的增加和缸內(nèi)溫度的升高而降低。有必要研究啟動轉(zhuǎn)速對低溫啟動性能的影響。

圖1 啟動轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)漏氣率的影響曲線

圖2 未預(yù)熱啟動轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)最高溫度影響曲線

2.3 提高缸內(nèi)壓縮比

內(nèi)燃機(jī)壓縮比是影響機(jī)組綜合性能的重要指標(biāo)之一，因此設(shè)想通過提高內(nèi)燃機(jī)壓縮比來提高缸內(nèi)壓力、混合氣濃度和溫度，改善低溫啟動性能[1-2]。在進(jìn)氣溫度為0時，內(nèi)燃機(jī)壓縮比對缸內(nèi)最高溫度的影響如圖3 所示。在進(jìn)氣溫度為0時，內(nèi)燃機(jī)壓縮比對缸內(nèi)最高壓力的影響如圖4 所示。

圖3 壓縮比對缸內(nèi)最高溫度影響曲線

圖4 壓縮比對缸內(nèi)最高壓力影響曲線

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，壓縮比增加使缸內(nèi)最高溫度和壓力上升。在壓縮比提高到15 時，缸內(nèi)最高溫度達(dá)到700 K。由此可知提高壓縮比，有利于提高低溫啟動性能。

限于試驗(yàn)條件，未對優(yōu)化配氣正時和噴油參數(shù)的設(shè)想進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出，增加油水預(yù)熱裝置、提高啟動轉(zhuǎn)速、增加壓縮比均有利于該型內(nèi)燃機(jī)的低溫啟動能力，達(dá)到了初步掌握了該型內(nèi)燃機(jī)低溫啟動影響規(guī)律的目的。下一步計(jì)劃改善試驗(yàn)條件和方法，對優(yōu)化配氣正時和噴油參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。