江小琴

（上海柴油機有限公司，上海200438）

某柴油機低溫起動性能優(yōu)化設(shè)計

江小琴

（上海柴油機有限公司，上海200438）

柴油機的低溫起動性能成為評價柴油機性能的重要指標(biāo)之一。通過試驗，分析影響柴油機低溫起動性能的主要原因，通過優(yōu)化設(shè)計噴油油束與預(yù)熱塞頭部的位置，實現(xiàn)更好的低溫起動性能。

柴油機低溫起動

1　前言

由于柴油機具有較高的燃燒效率和可靠性，其應(yīng)用范圍非常廣泛。我國幅員遼闊，超過一半地區(qū)年最低氣溫在-25℃左右。因此，柴油機的低溫起動性能成為評價柴油機性能的重要指標(biāo)之一。隨著國家排放法規(guī)的不斷升級，傳統(tǒng)的機械柴油機逐漸被電控柴油機所取代，電控柴油機通過標(biāo)定，可以對低溫起動過程進行更加精確、靈活的控制，以達到最佳起動性能。

本文通過試驗，分析影響某四缸電控高壓共軌柴油機低溫起動性能的主要原因，并確定優(yōu)化設(shè)計方案。柴油機基本參數(shù)見表1。

2　低溫起動性能評價

柴油機的低溫起動性能開發(fā)一般先在冷庫進行柴油機本體的低溫起動試驗，然后在冬季隨匹配的整車前往我國北方地區(qū)，如黑河、漠河、海拉爾等地區(qū)進行寒區(qū)標(biāo)定試驗。本文所述的低溫起動指冷庫的起動，將柴油機置于冷庫冷凍8 h以上，使柴油機內(nèi)部溫度達到試驗?zāi)繕?biāo)溫度，然后開始起動。

表1　柴油機基本參數(shù)

柴油機的低溫起動性能包括以下3個方面：

（1）起動時間

起動機接通后，在規(guī)定時間內(nèi)，發(fā)動機能著火并自行運轉(zhuǎn)，即為起動成功；若在規(guī)定時間內(nèi)，無斷續(xù)著火聲，不能自行運轉(zhuǎn)，即為起動失敗。一次完整的起動過程如圖1所示，將從按下起動開關(guān)接通起動機到柴油機轉(zhuǎn)速達到設(shè)置的脫離起動模式轉(zhuǎn)速的時間定義為起動時間。按照設(shè)計要求，在-25℃環(huán)境下，帶輔助預(yù)熱裝置，起動時間不超過5 s，起動時間越短越好。

圖1　柴油機起動過程

（2）起動過程及怠速冒煙程度

為了保證柴油機順利起動，在低溫起動過程中一般會增大噴油量，甚至?xí)^柴油機正常工作時的最大噴射量，這會導(dǎo)致燃油霧化不好，混合氣質(zhì)量差，引起起動時燃燒不良，柴油機大量冒白煙。雖然目前排放法規(guī)并未對此提出排放要求，但是在低溫標(biāo)定過程中，仍然將冒白煙的程度作為低溫起動性能的一個評判標(biāo)準(zhǔn)，在柴油機能順利起動的情況下，白煙越少越好。

（3）怠速穩(wěn)定性

柴油機成功起動就進入怠速狀態(tài)，由于進氣溫度低，柴油機冷卻液、燃油和機油的溫度都很低，導(dǎo)致怠速不穩(wěn)定，因此怠速轉(zhuǎn)速波動率也是低溫起動性能的一項重要評價指標(biāo)。

3　冷起動性能影響因素與原因分析

由于柴油機靠壓縮自燃，缸內(nèi)燃燒過程受到氣缸內(nèi)壓縮溫度、壓縮壓力、燃油特性和燃油噴射規(guī)律等影響，要使得柴油機能順利起動，起動過程中氣缸內(nèi)必須達到一定的壓力和溫度；必須提供濃度適當(dāng)、霧化良好的混合氣；柴油機有足夠高的拖動轉(zhuǎn)速，并且這些條件是相互影響的。

3.1拖動轉(zhuǎn)速

滿足一定的拖動轉(zhuǎn)速是柴油機順利起動的必要條件。根據(jù)經(jīng)驗，四缸柴油機的拖動轉(zhuǎn)速必須大于120 r/min才能順利起動。影響柴油機低溫環(huán)境下拖動轉(zhuǎn)速的因素比較多，最主要的影響因素是蓄電池和潤滑油。

隨著環(huán)境溫度的下降，蓄電池電解液黏度增加，滲透能力下降，內(nèi)阻增大，蓄電池容量和端電壓均會下降，不足以帶動起動電機。從表2三種不同規(guī)格蓄電池在低溫環(huán)境下的拖動轉(zhuǎn)速可以看出，100 Ah蓄電池在-28℃環(huán)境下可以拖動到133 r/min，柴油機能順利起動，但是80 Ah蓄電池在-25℃環(huán)境下最多只能拖到到115 r/min，起動時電瓶壓降太大，導(dǎo)致電壓低于ECU正常工作范圍，柴油機起動失敗。因此在該柴油機配套設(shè)計中，推薦整車廠使用100 Ah及以上容量蓄電池。

表2　低溫下不同規(guī)格蓄電池的拖動轉(zhuǎn)速

潤滑油黏度隨著溫度的下降而增加，流動性變差，從而增加柴油機摩擦阻力，影響柴油機的拖動轉(zhuǎn)速。在試驗過程中，通過INCA標(biāo)定軟件給四個缸斷油，僅用起動電機拖動柴油機，測量不同規(guī)格機油的柴油機拖動轉(zhuǎn)速，0W規(guī)格機油的拖動轉(zhuǎn)速比5W高約50 r/min。為了確保柴油機能順利起動，推薦北方地區(qū)用戶在冬季使用0W規(guī)格潤滑油。圖2是不同環(huán)境溫度下推薦使用的機油規(guī)格。

3.2壓縮壓力

圖3是常溫下柴油機各缸在不同轉(zhuǎn)速下的壓縮壓力，隨著轉(zhuǎn)速下降，壓縮壓力降低，120 r/min時，壓縮壓力在3.5 MPa左右。圖4是在相同柴油機轉(zhuǎn)速、不同溫度下柴油機的壓縮壓力，隨著溫度降低，壓縮壓力降低。

3.3壓縮溫度

在低溫下進入氣缸的空氣溫度較低，即壓縮始點溫度低，導(dǎo)致壓縮終點溫度下降。為了提高壓縮溫度，該柴油機在燃燒室設(shè)置預(yù)熱塞，在發(fā)動機起動前先預(yù)熱缸內(nèi)氣體溫度。預(yù)熱包括柴油機起動前的預(yù)熱、起動過程中的加熱和起動成功后的加熱，可以通過標(biāo)定分別設(shè)置預(yù)熱的時間。該柴油機目前所配預(yù)熱塞可以在20 s內(nèi)達到750℃。四個預(yù)熱塞在預(yù)熱過程中最大電流可達到60 A，這對蓄電池要求比較高。雖然預(yù)熱塞最高溫度可以達到750℃，但是預(yù)熱塞的最高溫度點位于頭部2 mm處，無法在短時間內(nèi)將缸內(nèi)所有氣體迅速加熱，而低溫下的蓄電池又無法支撐預(yù)熱塞長時間加熱，所以可以對噴油嘴與預(yù)熱塞頭部的位置進行優(yōu)化設(shè)計，充分利用最高溫度點。

圖2　機油規(guī)格與環(huán)境溫度對應(yīng)圖

圖3　常溫下各轉(zhuǎn)速壓縮壓力

圖4　不同溫度下柴油機壓縮壓力

4　優(yōu)化設(shè)計方案

在試驗過程中，通過三維模型設(shè)計了兩種預(yù)熱塞布置的優(yōu)化方案。方案1如圖5、圖6所示，預(yù)熱塞長度為8.9 mm，預(yù)熱塞頭部距離最近油束中心距離為1.14 mm；方案2如圖7、圖8所示，預(yù)熱塞長度為11.8 mm，預(yù)熱塞頭部距離最近油束中心距離為1.06 mm，預(yù)熱塞都布置在距離最近油束渦流下游方向。

圖5　方案1的二維圖

圖6　方案1的三維圖

5　效果驗證

用這兩種改進方案分別在-25℃環(huán)境下進行起動試驗，兩種方案的起動時間都低于4 s，起動非常迅速。起動成功進入怠速模式后，方案1的怠速波動較大，約20 s后才能穩(wěn)定；而方案2的怠速波動較小，不到10 s就可以穩(wěn)定，并且冒煙情況優(yōu)于方案1。同時，在臺架上驗證柴油機性能，確認對柴油機煙度、油耗等性能無影響后，在產(chǎn)品上最終采用方案2。

圖7　方案2的二維圖

圖8　方案2的三維圖

圖9　起動效果對比

6　結(jié)束語

（1）蓄電池和潤滑油對低溫環(huán)境下柴油機拖動轉(zhuǎn)速的影響較大，為保證柴油機順利起動，建議使用100 Ah以上規(guī)格的蓄電池和0W規(guī)格潤滑油。

（2）隨著柴油機轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度的降低，柴油機壓縮壓力下降，影響低溫起動。

（3）預(yù)熱塞可以有效提高缸內(nèi)溫度，對柴油機低溫起動起到輔助作用。預(yù)熱塞與噴油嘴的布置會影響低溫起動的時間以及怠速穩(wěn)定性，預(yù)熱塞頭部距離最近油束中心位置距離越近越好，但最優(yōu)距離還有待進一步研究。

Optimal Design of Cold Start Performance of Diesel Engine

Jiang Xiaoqin
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.Shanghai 200438，China）

Cold start performance is important for diesel engine.By testing analyzing effect of the cold start performance factors，then optimal design the distance between the bottom of plug and the nozzle to reach a better cold start performance.

diesel engine，cold start

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.007

來稿日期：2016-06-02

江小琴（1982-），女，工程師，主要研究方向為柴油機性能開發(fā)。