摘要：本文以康明斯重型电控高压共轨柴油机为研究对象，利用高海拔环境模拟试验台，开展不同海拔高度下柴油机低温起动性能试验，对比分析起动性能及燃烧特性的差异，研究高原低温环境对柴油机起动性能的影响机理。试验结果表明：在相同低温环境下，随海拔升高，柴油机起动所需循环数增加，起动时间延长；高海拔下起动首循环缸内无明显燃烧迹象，低温起动前期缸内双峰燃烧比例显著增加；随着海拔升高，缸内燃烧始点逐渐靠近压缩上止点位置。本研究为高原环境下柴油机起动性能优化提供了试验数据与理论依据。
一、研究起动性能的意义
我国地域辽阔，高原山地面积约占全国总面积的60%以上，高海拔地区冬季极端低温可达-41 ℃。高原环境具有空气稀薄、含氧量低、气温低等典型特征，且随海拔升高，大气压力和温度呈显著下降趋势。据气象资料统计：海拔每升高1000 m，大气压力降低约10 kPa，气温下降约0.65 ℃。柴油机燃烧方式为缸内压燃，燃油挥发性较差，因此其起动阶段的燃烧过程受外部环境条件影响尤为显著。在高原环境下，受低气压和低温的共同影响，压缩上止点附近缸内温度及混合气形成条件均较为恶劣，混合气质量远不及平原地区，导致起动过程中常出现着火不稳、间歇性失火甚至完全无法起动等现象。
冷起动性能是柴油机重要的技术指标之一，直接影响柴油机的工作效率和使用寿命。在低海拔地区，柴油机在不采取辅助措施时，极限低温起动温度通常约为-10 ℃；但在海拔4800 m、温度仅为-5 ℃的条件下，若无辅助措施则难以顺利起动。因此，深入研究柴油机在高原低温环境下的起动性能，对提升柴油机环境适应性、保障高海拔地区装备动力性具有重要的工程实际意义。
二、试验设备与方案
1. 试验设备及样机
高原低温起动试验系统由高海拔环境仓系统和柴油机试验台架系统两部分组成。高海拔环境仓通过罗茨风机控制发动机进气压力及排气背压，可模拟海拔0～5000 m范围内的大气压力，并具备-35～20 ℃的环境温度调节能力，控制精度≤±1 ℃（如图1所示）。
试验样机为一台重型东风康明斯直列六缸、直喷、四冲程、增压中冷、电控高压共轨柴油机。
2. 试验方案
分别设定0 m、2000 m、3500 m三个海拔高度，环境温度统一设为-15 ℃，进行低温起动性能试验。起动过程中采用奇石乐（Kistler）燃烧分析仪记录缸内燃烧压力数据，通过缸压信号充分反映压缩、着火及燃烧放热全过程。缸压传感器安装于第6缸缸盖上，其电信号经燃烧分析仪放大并转换为缸内压力数据；曲轴转速传感器信号经曲轴转角适配器传输至燃烧分析仪，系统连接方式如图2所示。水温、机油温度及柴油机转速等参数通过电子控制单元（ECU）采集，采样频率为10 Hz。
3. 试验方法
为便于对比不同海拔下的起动初期缸内燃烧情况，试验中保持其他边界条件一致。环境仓温度设定为-15 ℃，采用强制循环冷却系统，确保每次起动时柴油机的水温与机油温度保持一致。通过调节环境仓进气压力及排气背压，分别模拟0 m、2000 m、3500 m三个海拔工况。
每次起动试验结束后，将环境仓恢复至常温常压状态，柴油机以1500 r/min热车20 min，以确保缸内未完全燃烧的柴油充分燃尽。相邻两次起动试验间隔8 h以上，保证柴油机充分冷却至相同初始温度。
起动电压控制一致以保证每次倒拖转矩相同，采用电流钳记录起动瞬间最大电流。起动时同步采集ECU起动参数及燃烧分析仪数据，确保两组数据时间对齐。试验用燃油为-35号国六低温柴油，机油牌号为Mobil 5W-40。试验中采集气缸压力、柴油机转速、进气温度、水温及机油温度等关键参数。定义曲轴转角-360°～+360°为一个完整燃烧循环（包含进气、压缩、做功、排气四个冲程）。ECU依据内部标定逻辑自行判断起动结束标志——即当监控到发动机转速达到该温度下设定的阈值转速时，判定起动成功。起动成功后，柴油机在怠速工况下继续运行相同时间。
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图1 高海拔柴油机环境试验仓 |
图2 柴油机燃烧分析仪连接图 |
三、高原低温起动过程分析
1. 不同海拔高度下起动性能对比
在环境温度-15 ℃条件下，三个海拔高度下的发动机转速变化曲线如图3所示。结果表明，该机型在三个海拔下均能成功起动，但起动性能存在明显差异。随海拔升高，到达起动结束标志所需的循环数逐渐增加，0 m、2000 m、3500 m对应的循环数分别为67、73、78，循环数增加意味着起动时间延长。主要原因为：低气压和低温双重因素影响下，进气质量减少，进气温度降低，燃油蒸发与雾化质量恶化，机油黏度增大，导致拖动转速下降，气缸壁传热损失增大，压缩终了温度和缸内压力降低，滞燃期延长，进而削弱起动性能。
在-15 ℃条件下，各海拔缸压变化曲线如图4所示。海拔0 m时，第一燃烧循环最大缸压为12.8 MPa；海拔2000 m和3500 m时，最大缸压仅约3.0 MPa，且前3个循环缸内无明显燃烧迹象。随海拔升高，起动结束标志前的最大缸压呈下降趋势。其原因在于：高原空气稀薄，进气量减少，可燃混合气质量降低，燃油与氧分子碰撞概率下降，导致着火困难或间歇性失火；同时，含氧量偏低使相同喷油量无法完全燃烧，缸内平均有效压力降低。随循环数增加，平原及高原起动过程中最大缸压均超过20.0 MPa，平原工况甚至可达25.0 MPa。这是因为电控逻辑中的斜坡转矩策略——当起动时间超过标定值而仍未达到起动标志时，系统增加喷油量以增强起动转矩。在经历多个循环后，缸内逐渐形成较易着火的环境，累积的多余燃油突然剧烈燃烧，导致最大爆发压力高于全负荷工况。待起动标志跳变后，柴油机进入怠速工况，缸压逐步恢复至正常水平。
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图3 不同海拔高度下柴油机转速变化曲线 |
图4 不同海拔高度下柴油机最大缸压变化曲线 |
2. 高原与平原起动过程燃烧差异性分析
三个海拔下第一循环缸压变化曲线如图5所示。低温环境下，平原地区柴油机第一循环着火迅速，做功能力良好，最大缸压瞬间达12.8 MPa；而2000 m和3500 m海拔下，第一循环缸内均无显著燃烧迹象，最大缸压仅约3.0 MPa。平原地区进气充足且低温空气密度大，充量系数高，具备快速着火条件；高海拔地区则因缸内气量不足导致压缩上止点温度较低，滞燃期延长，无法形成着火氛围，因此第一循环基本为纯压缩过程。
为揭示高原燃烧循环特征，选取3500 m海拔起动过程进行分析。前3个循环缸压变化曲线如图6所示，缸内无明显燃烧。该海拔下双峰燃烧放热规律较为明显——第一峰值为压缩峰值，第二峰值为着火峰值。第二峰值对应的曲轴转角为上止点后约20°，此时活塞已下行，双峰燃烧属不完全燃烧状态，缸内最高爆发压力不高，燃烧速率降低，加速至相同转速需更多循环，起动时间相应延长。随循环数增加，缸内压力逐步提升，经多个循环后最终实现稳定着火。
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图5 不同海拔高度下柴油机起动第一循环缸压变化曲线 |
图6 3500米海拔高度下柴油机起动前3个循环缸压变化曲线 |
三个海拔下燃烧始点曲轴转角变化曲线如图7所示。随着海拔升高，燃烧始点逐渐靠近压缩上止点：平原地区燃烧始点约为上止点前4°曲轴转角，3500 m时约为上止点前2°。这是因为海拔升高导致大气压力下降，每循环进气量减少，压缩终点压力降低，滞燃期延长；同时缸内混合气密度减小，反应物分子碰撞概率下降，着火前预反应过程延长，使实际着火时刻延迟，燃烧始点逐渐逼近上止点。
图7 不同海拔高度下柴油机燃烧始点前曲轴转角变化曲线
四、结论
（1）在相同低温环境下，海拔高度对柴油机起动性能具有显著影响。随海拔升高，起动结束标志对应的循环数增加——0 m、2000 m、3500 m海拔下分别为67、73、78个循环，表明起动时间随海拔升高而延长。
（2）高海拔低温环境下，柴油机起动前期缸内着火条件普遍较差，双峰不完全燃烧现象突出，不利于快速起动。高原环境下进气量减少，缸内压缩终点温度降低，初期燃烧以不完全的双峰燃烧为主，需经过多个循环积累热量和改善混合条件后方可进入稳定燃烧状态，这是高海拔起动时间延长的核心原因之一。
（3）随海拔升高，燃烧始点对应的曲轴转角逐步向压缩上止点靠近。平原地区燃烧始点约为上止点前4°曲轴转角，3500 m高海拔下降至上止点前约2°，表明高海拔下因缸内压力温度低、滞燃期延长，着火延迟更为严重，实际燃烧始点延迟，靠近上止点。
（4）高海拔低温环境下，电控系统的斜坡转矩策略会在起动超时后增加喷油量，虽有利于提高起动成功率，但会导致瞬时最高爆发压力显著升高，对缸体及活塞等热端部件的疲劳寿命构成潜在影响，后续研究中应兼顾起动可靠性与机械可靠性的平衡优化。
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