陳月春，李素婷，王霞，王興元，李蘭菊

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機低溫啟動性能是評價柴油機性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)[1-5]。柴油機低溫啟動過程中，由于進氣溫度低，曲軸轉(zhuǎn)速低，熱量散失和漏氣量大等，造成壓縮行程終了時氣缸內(nèi)的溫度和壓力過低，使缸內(nèi)燃料的熱力狀態(tài)極不穩(wěn)定，易導(dǎo)致啟動初期缸內(nèi)著火時斷時續(xù)，且極易發(fā)生失火現(xiàn)象。同時柴油機低溫啟動時蓄電池的端電壓降低，容量減少，加之機油黏度大，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)阻力增大等，從而導(dǎo)致低溫啟動失敗[6-7]。

柴油機燃油及時著火和燃燒，必須具備燃油與空氣混合成一定數(shù)量的可燃混合氣與可燃混合氣達到一定溫度這兩個基本條件[8-13]。在柴油機低溫啟動的眾多影響因素中，進氣溫度低是導(dǎo)致啟動失敗的一個重要因素，進氣溫度低造成活塞到達壓縮沖程上止點時混合氣的溫度低，不利于達到柴油的自燃條件。研究表明：進氣溫度每降低 1 ℃，最高壓縮溫度降低約 2 ℃。壓縮溫度降低使燃油霧化變差，著火延遲期變長，從而增加了冷啟動的難度[14]。

為了改善柴油機的低溫啟動效果，通常采用進氣加熱格柵對啟動階段進入氣缸內(nèi)的氣體進行預(yù)熱，提高進氣溫度，從而提高壓縮終了氣缸內(nèi)可燃混合氣的溫度。缸內(nèi)可燃混合氣溫度的提高，一方面可以防止已霧化的柴油重新液化，促進燃燒室內(nèi)燃料的蒸發(fā)與霧化，改善缸內(nèi)可燃混合氣的質(zhì)量，改善燃燒條件;另一方面,可以提高燃燒速度，使柴油燃燒的能量集中釋放[15]，從而使發(fā)動機在較低的溫度下著火啟動[16-17]。

本文在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在低溫冷倉進行進氣預(yù)熱對柴油機低溫啟動性能的試驗研究。

1 試驗設(shè)備與試驗方案

1.1 試驗樣機及設(shè)備

試驗用發(fā)動機為濰柴電控4缸增壓中冷直噴式國VI柴油機(WP3N)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

試驗在濰柴低溫冷倉中進行, 該冷倉內(nèi)環(huán)境溫度由制冷機組控制，最大可支持排量為30 L的柴油機冷啟動試驗。試驗時冷倉內(nèi)的溫度設(shè)定為-45～25 ℃, 靜態(tài)下溫度波動誤差不超過±0.5 ℃。主要試驗設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備

為研究啟動過程中柴油機缸內(nèi)的燃燒情況，使用燃燒分析儀監(jiān)控啟動過程中缸內(nèi)的燃燒情況，在柴油機第4缸氣缸蓋上安裝2893A型壓力傳感器，實時檢測第4缸燃燒時的氣缸壓力，該傳感器響應(yīng)頻率為 75 kHz，測量范圍為0～25 MPa，絕緣性能好，熱誤差小。采用電荷放大器對氣缸壓力傳感器測量的電荷信號進行放大，并將電荷信號轉(zhuǎn)換為氣缸壓力信號。發(fā)動機啟動過程中的轉(zhuǎn)速信號由轉(zhuǎn)速傳感器采集, 進氣溫度、潤滑油溫度信號由溫度傳感器采集。

1.2 試驗方案

1)有、無進氣預(yù)熱

設(shè)定冷倉溫度為-15 ℃，采用適當(dāng)功率的起動電源通過啟動機拖動柴油機，控制每次啟動電壓一致，保證每次啟動的拖動扭矩相同，進行柴油機有、無進氣預(yù)熱啟動試驗。

①無進氣預(yù)熱試驗。維持冷倉溫度為-15 ℃，不預(yù)熱進氣，按下啟動按鈕啟動柴油機，試驗過程中采集氣缸壓力、柴油機轉(zhuǎn)速、進氣溫度、水溫、機油溫度等參數(shù)。

②進氣預(yù)熱試驗。在進氣管靠近氣缸進氣門的位置安裝功率為1.8 kW的進氣加熱格柵，并在進氣加熱格柵后3 cm處管路上安裝溫度傳感器，對格柵預(yù)熱效果進行監(jiān)控。啟動前通過軟件設(shè)定15 s預(yù)熱時間，采用溫度傳感器測試預(yù)熱后溫度，達到預(yù)熱時間后，按下啟動按鈕進行啟動。試驗過程中采集參數(shù)與無進氣預(yù)熱試驗相同。

2)采用不同功率格柵預(yù)熱進氣

在進氣管上分別安裝功率為1.2、1.8 kW的進氣加熱格柵，設(shè)定冷倉溫度為-30 ℃，啟動前通過軟件設(shè)定60 s預(yù)熱時間，通過溫度傳感器測試預(yù)熱溫度，預(yù)熱結(jié)束后按下啟動按鈕啟動發(fā)動機。試驗過程中采集參數(shù)同方案1)。

2 試驗結(jié)果處理

2.1 有、無進氣預(yù)熱

有、無進氣預(yù)熱時柴油機低溫啟動性能試驗結(jié)果表明：在相同低溫環(huán)境下，有、無進氣預(yù)熱時柴油機啟動時間分別為2.1、23.5 s，前者啟動時間明顯縮短；有進氣預(yù)熱的柴油機在第 2個工作循環(huán)開始著火，且能自持燃燒，無進氣預(yù)熱時柴油機在啟動45個工作循環(huán)后才能自持燃燒。

圖2為有、無進氣預(yù)熱時柴油機低溫啟動的轉(zhuǎn)速對比。相同低溫環(huán)境下，柴油機啟動前使用進氣預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后，接通啟動開關(guān)，柴油機著火迅速，在1.2 s內(nèi)轉(zhuǎn)速上升至較高值，整個啟動過程不存在失火現(xiàn)象；無進氣預(yù)熱啟動柴油機時，由于柴油機缸內(nèi)著火條件差且各缸條件不一致，導(dǎo)致出現(xiàn)頻繁失火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速波動劇烈，在第9個工作循環(huán)時柴油機瞬時最高轉(zhuǎn)速超過啟動切斷轉(zhuǎn)速，電子控制單元(electronic control unit,ECU)判斷柴油機啟動成功，但由于各缸內(nèi)燃燒存在差異，柴油機啟動后轉(zhuǎn)速一直處于波動狀態(tài)，直到第45個循環(huán)才能自持燃燒。

圖2 有、無進氣預(yù)熱柴油機低溫啟動性能對比

使用燃燒分析儀對進氣預(yù)熱柴油機啟動過程中的燃燒參數(shù)進行分析。圖3、4分別為有、無進氣預(yù)熱時柴油機啟動過程的氣缸壓力曲線。由圖3可知：柴油機啟動過程中第1個工作循環(huán)第4缸的氣缸壓力為3.6 MPa，該循環(huán)是對缸內(nèi)氣體進行壓縮但缸內(nèi)并未著火。第2個工作循環(huán)缸內(nèi)開始著火，氣缸壓力升至9.2 MPa，著火后柴油機轉(zhuǎn)速迅速增加，缸內(nèi)混合氣流增強，燃油霧化條件改善，同時燃燒廢氣對氣缸蓋、缸壁及活塞進行加熱，使零部件表面溫度上升，增加了缸內(nèi)混合氣的活化能，且燃燒后的殘余廢氣在下一進氣行程中與進入氣缸的新鮮氣體混合，進一步改善了混合氣的霧化條件，有利于形成易點燃的混合氣，為第2次著火創(chuàng)造了條件，如此循環(huán)往復(fù)，燃燒條件逐漸得到改善。第3個工作循環(huán)時氣缸壓力已達到正常燃燒壓力，說明啟動前對進氣進行預(yù)熱有利于缸內(nèi)的油、氣混合，使之達到柴油著火燃燒的條件，縮短了滯燃期，改善了柴油機的低溫啟動性能。

圖3 柴油機有進氣預(yù)熱啟動時的氣缸壓力

a)第1～3循環(huán) b)第4～6循環(huán) c)第7～9循環(huán)圖4 柴油機無進氣預(yù)熱啟動時的氣缸壓力

由圖4可知：第1個工作循環(huán)氣缸壓力與有進氣預(yù)熱時第1工作循環(huán)一致，但前3個工作循環(huán)中缸內(nèi)無燃燒，到第4個工作循環(huán)時缸內(nèi)有著火現(xiàn)象，最大氣缸壓力升至約4.0 MPa，說明缸內(nèi)有燃燒跡象，但由于缸內(nèi)混合氣體活性能較低，大部分燃油并未產(chǎn)生有效扭矩，對曲軸無做功行為，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力偏小，第5個循環(huán)至第8個循環(huán)缸內(nèi)壓力降至3.5 MPa左右，缸內(nèi)無著火，到第9個循環(huán)時，氣缸壓力逐步接近正常燃燒時的水平，說明柴油機低溫啟動時，無進氣預(yù)熱時不利于缸內(nèi)氣體混合，缸內(nèi)氣體壓縮溫度降低，滯燃期急劇增加，使著火時刻推遲，燃燒速率降低，導(dǎo)致循環(huán)功率不足甚至熄火，使柴油機不能迅速啟動。

2.2 不同功率格柵進氣預(yù)熱

1)預(yù)熱升溫情況

采用1.2 kW格柵，發(fā)動機啟動前預(yù)熱60 s，預(yù)熱后格柵后氣體最高溫度為63.7 ℃，此時停止加熱并啟動柴油機，啟動過程中，進氣管內(nèi)的氣體通過格柵加熱后吸入氣缸，格柵后氣流最高溫度可達185.2 ℃，溫升速率為1.58 ℃/s；采用1.8 kW格柵，預(yù)熱后格柵后氣體最高溫度為153.9 ℃，啟動過程中最高溫度可達263.0 ℃，溫升速率為3.61 ℃/s。

2)啟動性能曲線

圖5為采用2種功率格柵加熱進氣時的啟動曲線，由圖5可知：在環(huán)境溫度和啟動預(yù)熱時間相同時，格柵加熱功率大者啟動用時較短。

圖5 柴油機低溫啟動性能曲線 圖6 第1個工作循環(huán)壓縮上止點的缸內(nèi)溫度

3)第1個工作循環(huán)壓縮上止點的缸內(nèi)溫度

圖6為2種功率格柵在啟動第1個工作循環(huán)活塞到達壓縮上止點時缸內(nèi)的溫度對比。由圖6可知：分別采用1.2、1.8 kW格柵預(yù)熱進氣時，發(fā)動機在第1個工作循環(huán)壓縮上止點時缸內(nèi)的溫度分別為480、550 ℃，說明采用大功率格柵對進氣進行預(yù)熱有助于改善缸內(nèi)混合氣的狀態(tài)，進氣溫度的增加有利于燃油在缸內(nèi)充分混合與蒸發(fā)，同時提高了壓縮上止點時的缸內(nèi)溫度，保證首循環(huán)可靠著火，首循環(huán)的可靠著火會進一步降低缸內(nèi)濕壁現(xiàn)象的發(fā)生，形成良性的燃燒循環(huán)。

4)著火提前角

圖7為燃燒分析儀測試的2種格柵預(yù)熱時燃燒前100個循環(huán)內(nèi)的著火提前角(圖7中0°對應(yīng)活塞壓縮上止點)，在燃燒分析軟件中定義累積熱量5%的壓縮上止點前角度作為著火提前角。由圖7可知：采用1.8 kW格柵時柴油機起始著火提前角為3.36°，且前35個循環(huán)的燃燒起始著火提前角均在活塞壓縮上止點之前，原因可能是起始階段缸內(nèi)溫度達到了柴油的自燃溫度，噴入氣缸的柴油經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理化學(xué)(霧化、蒸發(fā)、擴散、與空氣混合)準(zhǔn)備階段，缸內(nèi)壓力和溫度升高；而采用1.2 kW格柵，柴油機起始著火提前角為1°，從第9個工作循環(huán)開始，著火時刻變?yōu)樯现裹c后，由于啟動初期進氣溫度不及采用1.8 kW格柵時高，導(dǎo)致燃燒推遲，滯燃期加長。隨著轉(zhuǎn)速增加，流經(jīng)格柵的氣體溫度逐漸下降，且由于缸內(nèi)燃燒使零部件溫度達到了合適的燃燒溫度，進氣預(yù)熱的影響逐漸消失，最后60個工作循環(huán)中采用1.8 kW與1.2 kW格柵的燃燒起始著火提前角幾乎無差異。因此低溫環(huán)境下采用大功率格柵能大幅度提升進氣溫度，從而改善缸內(nèi)燃油的霧化效果，提升了柴油機的低溫啟動性能。

圖7 不同預(yù)熱功率的燃燒起始著火提前角

3 結(jié)論

1)進氣溫度對柴油機低溫冷啟動燃燒有很大影響，提高進氣溫度能明顯改善低溫下的啟動性能，進氣預(yù)熱充分時，柴油機缸內(nèi)混合氣在第2個工作循環(huán)能自行著火燃燒。

2)采用1.8 kW格柵較1.2 kW格柵預(yù)熱進氣時柴油機第1個工作循環(huán)壓縮上止點缸內(nèi)溫度提升70 ℃。

3)進氣溫度影響柴油機啟動過程的滯燃期，進而影響燃燒起始著火提前角。