某柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

江小琴

（上海柴油機(jī)有限公司，上海200438）

某柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

江小琴

（上海柴油機(jī)有限公司，上海200438）

柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能成為評(píng)價(jià)柴油機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。通過(guò)試驗(yàn)，分析影響柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能的主要原因，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)噴油油束與預(yù)熱塞頭部的位置，實(shí)現(xiàn)更好的低溫起動(dòng)性能。

柴油機(jī)低溫起動(dòng)

1　前言

由于柴油機(jī)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(guó)幅員遼闊，超過(guò)一半地區(qū)年最低氣溫在-25℃左右。因此，柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能成為評(píng)價(jià)柴油機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。隨著國(guó)家排放法規(guī)的不斷升級(jí)，傳統(tǒng)的機(jī)械柴油機(jī)逐漸被電控柴油機(jī)所取代，電控柴油機(jī)通過(guò)標(biāo)定，可以對(duì)低溫起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行更加精確、靈活的控制，以達(dá)到最佳起動(dòng)性能。

本文通過(guò)試驗(yàn)，分析影響某四缸電控高壓共軌柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能的主要原因，并確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。柴油機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

2　低溫起動(dòng)性能評(píng)價(jià)

柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能開(kāi)發(fā)一般先在冷庫(kù)進(jìn)行柴油機(jī)本體的低溫起動(dòng)試驗(yàn)，然后在冬季隨匹配的整車前往我國(guó)北方地區(qū)，如黑河、漠河、海拉爾等地區(qū)進(jìn)行寒區(qū)標(biāo)定試驗(yàn)。本文所述的低溫起動(dòng)指冷庫(kù)的起動(dòng)，將柴油機(jī)置于冷庫(kù)冷凍8 h以上，使柴油機(jī)內(nèi)部溫度達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度，然后開(kāi)始起動(dòng)。

表1　柴油機(jī)基本參數(shù)

柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能包括以下3個(gè)方面：

（1）起動(dòng)時(shí)間

起動(dòng)機(jī)接通后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)能著火并自行運(yùn)轉(zhuǎn)，即為起動(dòng)成功；若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，無(wú)斷續(xù)著火聲，不能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，即為起動(dòng)失敗。一次完整的起動(dòng)過(guò)程如圖1所示，將從按下起動(dòng)開(kāi)關(guān)接通起動(dòng)機(jī)到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)置的脫離起動(dòng)模式轉(zhuǎn)速的時(shí)間定義為起動(dòng)時(shí)間。按照設(shè)計(jì)要求，在-25℃環(huán)境下，帶輔助預(yù)熱裝置，起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)5 s，起動(dòng)時(shí)間越短越好。

圖1　柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程

（2）起動(dòng)過(guò)程及怠速冒煙程度

為了保證柴油機(jī)順利起動(dòng)，在低溫起動(dòng)過(guò)程中一般會(huì)增大噴油量，甚至?xí)^(guò)柴油機(jī)正常工作時(shí)的最大噴射量，這會(huì)導(dǎo)致燃油霧化不好，混合氣質(zhì)量差，引起起動(dòng)時(shí)燃燒不良，柴油機(jī)大量冒白煙。雖然目前排放法規(guī)并未對(duì)此提出排放要求，但是在低溫標(biāo)定過(guò)程中，仍然將冒白煙的程度作為低溫起動(dòng)性能的一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在柴油機(jī)能順利起動(dòng)的情況下，白煙越少越好。

（3）怠速穩(wěn)定性

柴油機(jī)成功起動(dòng)就進(jìn)入怠速狀態(tài)，由于進(jìn)氣溫度低，柴油機(jī)冷卻液、燃油和機(jī)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(dòng)率也是低溫起動(dòng)性能的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3　冷起動(dòng)性能影響因素與原因分析

由于柴油機(jī)靠壓縮自燃，缸內(nèi)燃燒過(guò)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(jī)能順利起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程中氣缸內(nèi)必須達(dá)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(jī)有足夠高的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，并且這些條件是相互影響的。

3.1拖動(dòng)轉(zhuǎn)速

滿足一定的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速是柴油機(jī)順利起動(dòng)的必要條件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，四缸柴油機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速必須大于120 r/min才能順利起動(dòng)。影響柴油機(jī)低溫環(huán)境下拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的因素比較多，最主要的影響因素是蓄電池和潤(rùn)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(huì)下降，不足以帶動(dòng)起動(dòng)電機(jī)。從表2三種不同規(guī)格蓄電池在低溫環(huán)境下的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速可以看出，100 Ah蓄電池在-28℃環(huán)境下可以拖動(dòng)到133 r/min，柴油機(jī)能順利起動(dòng)，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(dòng)時(shí)電瓶壓降太大，導(dǎo)致電壓低于ECU正常工作范圍，柴油機(jī)起動(dòng)失敗。因此在該柴油機(jī)配套設(shè)計(jì)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(dòng)轉(zhuǎn)速

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

3.2壓縮壓力

圖3是常溫下柴油機(jī)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(shí)，壓縮壓力在3.5 MPa左右。圖4是在相同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、不同溫度下柴油機(jī)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(jìn)入氣缸的空氣溫度較低，即壓縮始點(diǎn)溫度低，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)溫度下降。為了提高壓縮溫度，該柴油機(jī)在燃燒室設(shè)置預(yù)熱塞，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前先預(yù)熱缸內(nèi)氣體溫度。預(yù)熱包括柴油機(jī)起動(dòng)前的預(yù)熱、起動(dòng)過(guò)程中的加熱和起動(dòng)成功后的加熱，可以通過(guò)標(biāo)定分別設(shè)置預(yù)熱的時(shí)間。該柴油機(jī)目前所配預(yù)熱塞可以在20 s內(nèi)達(dá)到750℃。四個(gè)預(yù)熱塞在預(yù)熱過(guò)程中最大電流可達(dá)到60 A，這對(duì)蓄電池要求比較高。雖然預(yù)熱塞最高溫度可以達(dá)到750℃，但是預(yù)熱塞的最高溫度點(diǎn)位于頭部2 mm處，無(wú)法在短時(shí)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(wú)法支撐預(yù)熱塞長(zhǎng)時(shí)間加熱，所以可以對(duì)噴油嘴與預(yù)熱塞頭部的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用最高溫度點(diǎn)。

圖2　機(jī)油規(guī)格與環(huán)境溫度對(duì)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(jī)壓縮壓力

4　優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)三維模型設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)證

用這兩種改進(jìn)方案分別在-25℃環(huán)境下進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，兩種方案的起動(dòng)時(shí)間都低于4 s，起動(dòng)非常迅速。起動(dòng)成功進(jìn)入怠速模式后，方案1的怠速波動(dòng)較大，約20 s后才能穩(wěn)定；而方案2的怠速波動(dòng)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(shí)，在臺(tái)架上驗(yàn)證柴油機(jī)性能，確認(rèn)對(duì)柴油機(jī)煙度、油耗等性能無(wú)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(dòng)效果對(duì)比

6　結(jié)束語(yǔ)

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

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

（3）預(yù)熱塞可以有效提高缸內(nèi)溫度，對(duì)柴油機(jī)低溫起動(dòng)起到輔助作用。預(yù)熱塞與噴油嘴的布置會(huì)影響低溫起動(dòng)的時(shí)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(jìn)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(lái)稿日期：2016-06-02

江小琴（1982-），女，工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)性能開(kāi)發(fā)。