車用柴油機冷起動燃燒過程研究及相關(guān)技術(shù)分析

蔣齊秦 劉伍權(quán) 朱 巖伏廣功夏 旭

（1-陸軍軍事交通學(xué)院研究生隊 天津 300161 2-陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛工程系）

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭形式多變，環(huán)境惡劣，對軍車環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、機動性提出了更高的要求。柴油機具有燃油經(jīng)濟性好、工作可靠性高、耐久性好、可通過增壓及擴缸等方法增加功率、防火安全性好等特點，比汽油機更能滿足軍隊需求。因而，軍車普遍使用柴油機。起動性是衡量柴油機性能的重要指標(biāo)之一，它伴隨著柴油機的整個生命周期，對柴油機的正常工作有重要影響。

按照GB/T12535-2007《汽車起動性能試驗方法》，柴油機低溫起動試驗的環(huán)境溫度為（-35±2）℃。我國地域遼闊，多地冬季平均溫度都在-10℃以下。內(nèi)蒙古、新疆、西藏以及東北地區(qū)一月份的平均溫度在-25～-41℃之間，黑龍江漠河的最低溫度甚至達到-53℃。柴油機將吸入的新鮮空氣壓縮為高溫高壓空氣，噴油器向燃燒室噴入燃油，當(dāng)混合氣溫度達到自著火溫度，混合比達到可燃范圍，會在不同位置同時著火。這個過程是燃油燃燒的關(guān)鍵，混合氣數(shù)量、燃燒室內(nèi)的空氣溫度、混合氣著火溫度等決定了燃燒能否發(fā)生。在低溫環(huán)境下，柴油機燃料的粘度增大，通過蒸發(fā)擴散形成混合氣困難；且壓縮終了溫度低，摩擦損耗大，蓄電池性能下降，起動阻力矩增大。這些因素造成了柴油機的低溫起動性能差。在西北及東北地區(qū)的冬季，柴油機低溫起動性能差一直是一個難題。

目前，國內(nèi)外專家和學(xué)者針對柴油機冷起動中的著火過程、燃燒過程及排放問題進行了深入研究，在此基礎(chǔ)上提出了諸如提高燃油品質(zhì)、改善噴霧質(zhì)量、預(yù)熱等一系列提高柴油機冷起動性能的輔助措施。

1 柴油機冷起動著火與燃燒過程研究

李德桃等人[1]研究了渦流室式柴油機冷起動初次著火后的非穩(wěn)態(tài)燃燒過程。發(fā)現(xiàn)了渦流室式柴油機起動過程中所存在的H型、X型、Y型等3種燃燒型式與燃燒壓力密切相關(guān)，對非穩(wěn)態(tài)燃燒的燃燒特性進行了討論，建立了非穩(wěn)態(tài)燃燒模型。研究表明，在初次著火后，初期循環(huán)的著火特性較差、滯燃期的增加是渦流室式柴油機冷起動困難的基本原因。

美國威斯康辛大學(xué)的Gonzalez等人[2]對一臺柴油機進行了模擬，研究了氣體竄漏、壓縮行程的傳熱、油滴蒸發(fā)、噴霧的發(fā)展、混合氣的形成以及點火的影響因素等。利用零維模型確定邊界條件，利用三維模型模擬燃油霧化、碰壁等過程。結(jié)果表明，在起動時，氣體竄漏能降低缸內(nèi)氣體溫度，噴霧碰壁有助于混合氣的形成，過量噴油和增大噴油提前角有助于增加燃油的蒸發(fā)量。

Ayoub等人[3]研究了燃油組分對柴油機冷起動時噴霧蒸發(fā)和燃燒的影響。研究表明，在低溫環(huán)境下，燃油的組分對噴霧的形成有影響。采用兩次噴射時，首次噴射對冷起動有益，而且影響顯著。

美國韋恩州立大學(xué)的Han等人[4]研究了柴油機冷起動時的燃燒不穩(wěn)定性。通過理論研究，分析了冷起動非穩(wěn)態(tài)工況下，噴油正時對燃燒不穩(wěn)定性的影響；通過對著火過程的分析，預(yù)測了失火區(qū)域。并在-10～21℃的環(huán)境溫度下進行了驗證試驗，對循環(huán)數(shù)據(jù)進行了采集和分析，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果相吻合。通過試驗和驗證，提出了提高柴油機冷起動時燃燒穩(wěn)定性和降低白煙排放的控制策略。

天津大學(xué)的蘇巖等人[5]在一臺單缸直噴式柴油機上研究了冷卻液溫度對柴油機起動首循環(huán)燃燒、排放的影響規(guī)律。試驗環(huán)境溫度為10℃，冷卻液溫度分別為10、20、30、40℃等。結(jié)果表明，在環(huán)境溫度和冷卻液溫度均較低時，著火滯燃期增長，NOx和HC排放升高；且發(fā)動機冷起動首循環(huán)燃燒狀態(tài)具有較大的不確定性，提高冷卻液溫度能有效消除這種不確定性。

英國伯明翰大學(xué)的Arumugam等人[6]研究了環(huán)境條件對柴油機冷起動性能和怠速排放的影響。在溫度為-20～20℃的環(huán)境下，進行了重型直噴柴油機的試驗。結(jié)果表明，與常溫冷起動相比，低溫冷起動時的油耗、排放更大。在冷起動的加速階段，發(fā)動機的排放逐漸上升達到峰值，接著逐漸下降并在怠速狀態(tài)達到穩(wěn)定。

上海交通大學(xué)的彭海勇等人[7]對冷機起動倒拖時的缸內(nèi)燃油噴射霧化過程進行了仿真計算和分析，缸內(nèi)氣體初始溫度為30℃。研究結(jié)果表明，在燃油噴射霧化過程中，缸內(nèi)溫度明顯下降。與不噴油時相比，缸內(nèi)溫度下降了32℃。噴射霧化過程出現(xiàn)燃油附壁，燃油附壁量占總噴油量的70%左右；噴射霧化結(jié)束時，混合氣濃度場和溫度場呈極不均勻的分層分布，濃度較高的區(qū)域溫度較低，且分布于靠近活塞壁面的薄層，不利于焰前反應(yīng)的進行。

上述研究表明，在柴油機冷起動過程中，噴霧的形成質(zhì)量、壓縮終了燃燒室內(nèi)的溫度、燃油的著火性等是決定柴油機冷起動燃燒是否正常以及能否可靠起動的關(guān)鍵因素。

2 常用的柴油機冷起動輔助措施

目前，提高柴油機冷起動性能的方法主要有改善可燃混合氣形成質(zhì)量、提高壓縮終了溫度、改善燃料著火性等。具體的冷起動輔助措施包括采用進氣預(yù)熱裝置、采用電熱塞、采用燃油加熱器、進行機體預(yù)熱和采用低溫起動液等。冷起動輔助措施的優(yōu)點在于對柴油機原有結(jié)構(gòu)改變較少，裝置簡單、廉價。采用冷起動輔助措施，能輔助柴油機在低溫環(huán)境條件下順利起動。

2.1 改善噴霧質(zhì)量

燃油的蒸發(fā)特性是影響混合氣形成質(zhì)量的關(guān)鍵因素，燃油的蒸發(fā)除了跟周圍空氣的溫度、壓力有關(guān)外，還和噴霧質(zhì)量有關(guān)。而燃油噴射量、噴油提前角、噴射壓力等對噴霧質(zhì)量具有重要的影響。

劉忠長等人[8]認為從起動過渡到怠速發(fā)生失火和不完全燃燒循環(huán)的主要原因是噴油量與轉(zhuǎn)速變化不匹配。他們采取起動時多噴油，在過渡階段，隨轉(zhuǎn)速變化逐步降低油量，然后進入怠速的噴油策略，能有效減少起動過渡期的失火和不完全燃燒循環(huán)。

美國威斯康辛大學(xué)的Stanton等人[9]研究了噴霧碰壁和油膜對柴油機冷起動的影響。他們嘗試單次噴射和兩次噴射等噴油策略來改善燃油分布。研究發(fā)現(xiàn)，由于兩次噴射油膜更少、碰壁區(qū)域更小、液滴飛濺更多，燃燒過程比單次噴射好，且噴油比例和間隔對改善燃燒有一定作用。

采用電控高壓共軌噴油系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)噴油量、噴油正時的精確控制，還能控制噴油壓力和噴油規(guī)律，可縮短冷起動時間，改善燃油經(jīng)濟性，降低排放。

2.2 改善燃油品質(zhì)

柴油機直接向高溫、高壓空氣中噴射燃料，使其自著火。因此，柴油的著火性是影響發(fā)動機起動性的最重要品質(zhì)。十六烷值是描述著火性的指標(biāo)之一，十六烷值越高代表著火性越好。著火性好，則延遲期短，起動容易，且燃燒壓力不會急劇上升，柴油機能穩(wěn)定運行。十六烷值過低，會導(dǎo)致著火性差，影響柴油機冷起動性能，并使燃油在暖機過程中不能完全燃燒，產(chǎn)生白煙，HC和CO排放增加。因此，提高燃料的十六烷值或向燃料中加入十六烷值增強劑，能提高燃料的著火性，改善柴油機的起動性能，降低噪聲。同時，起動時的藍煙、白煙也可降低。

2010年，Starck等人[10]研究了十六烷值對冷起動的影響。試驗燃油的十六烷值有8種，從47.3～70.9不等，環(huán)境溫度為-25℃，壓縮比分別為16和14。試驗結(jié)果表明，十六烷值對柴油機冷起動的影響主要在怠速階段，增加十六烷值，可改善冷起動時的性能。

需要注意的是，當(dāng)燃料的十六烷值過高時，會造成正常工況時的不完全燃燒，增加碳煙排放。并且，提高燃料的十六烷值，并不能改變?nèi)剂显诘蜏丨h(huán)境下因難以蒸發(fā)而形成混合氣困難的情況。

2.3 預(yù)熱措施

柴油機常用的預(yù)熱措施有：

1）安裝進氣預(yù)熱裝置、電熱塞、燃油加熱器等；

2.3.1 進氣預(yù)熱裝置

進氣預(yù)熱裝置可提高進氣溫度，從而提高壓縮終了溫度，促進燃油的蒸發(fā)與霧化，形成可燃混合氣，改善燃燒條件，使發(fā)動機在環(huán)境溫度較低時順利起動。常用的進氣預(yù)熱裝置有電熱預(yù)熱進氣裝置、火焰式預(yù)熱器（火焰塞）以及熱敏陶瓷低溫進氣預(yù)熱起動器等3種。

張怡軍等人[11]對不同預(yù)熱裝置的適用性及其優(yōu)缺點進行了分析，3種預(yù)熱裝置的對比如表1所示。

英國伯明翰大學(xué)的A.Ramadhas等人[12]研究了低溫環(huán)境下進氣預(yù)熱在降低柴油機排放方面的潛力。他們在進氣歧管上游安裝一個空氣加熱器，用于調(diào)整進氣溫度。研究表明，進氣加熱降低了起動時間，在低環(huán)境溫度下，改善了燃油經(jīng)濟性。在空氣溫度分別為5℃和15℃時，HC排放比-7℃時分別減少了40%和65%，NOx排放比-7℃時分別減少了8.5%和10%。

表1 預(yù)熱裝置的適用性及其優(yōu)缺點分析

2.3.2 電熱塞

在發(fā)動機燃燒室中安裝電熱塞，提供一個高溫?zé)嵩矗蕴岣邏嚎s終了溫度，幫助燃油著火。燃燒室電熱塞是一種簡單有效的輔助裝置，主要零件是管形加熱元件，多用于起動性能較差的分隔式燃燒室—渦流室和預(yù)燃室中。但電熱塞的安裝需要足夠的燃燒室空間，且電熱塞的低溫起動效果不僅與發(fā)動機本身的起動性能有關(guān)，還與電熱塞的安裝位置等因素有關(guān)。

師生活動 學(xué)生合作探究，教師適時指導(dǎo)，然后全班交流，得出結(jié)論：在直角三角形中，對于每一個銳角A的值，不管三角形的大小如何，都有一個唯一的∠A的對邊與鄰邊的比值和它對應(yīng).引導(dǎo)學(xué)生利用相似三角形的性質(zhì)進行推理證明.

2.3.3 燃油加熱器

汽車燃油加熱器是一種獨立的汽車加熱系統(tǒng)，利用燃油燃燒產(chǎn)生的熱量將發(fā)動機冷卻液加熱，從而迅速提高發(fā)動機溫度，發(fā)動機被加熱后，發(fā)動機各部位摩擦副之間的機油粘度下降，能降低起動阻力，增加起動轉(zhuǎn)速，提高了壓縮終了的溫度與壓力。目前，國外典型的汽車燃油加熱器產(chǎn)品有德國Webasto公司生產(chǎn)的ThermoTopEvo水暖汽車燃油加熱器和德國Eberspacher公司生產(chǎn)的AIRTRONIC，D5/8L燃油加熱器等。

在國內(nèi)，山東大學(xué)與河北宏業(yè)公司已成功研制了小功率的5 kW風(fēng)冷和水冷蒸發(fā)霧化式加熱器、大功率的噴霧霧化式液體型燃油加熱器、氣液雙燃料加熱器以及氣體燃料加熱器等[13]。陸軍軍事交通學(xué)院和中國兵器裝備集團公司第394廠研發(fā)的高海拔、低溫ZYJ-20/40型燃油加熱器[14]，具有良好的高原環(huán)境適應(yīng)性。

2.3.4 加熱冷卻液

發(fā)動機機體預(yù)熱是在發(fā)動機起動前，通過電加熱或燃燒加熱的方法對冷卻液進行升溫，然后通過冷卻液的循環(huán)提高發(fā)動機機體的溫度，從而實現(xiàn)進氣、燃油、潤滑油等的升溫。目前，冷卻液加熱方式在大型發(fā)動機上應(yīng)用很廣泛。因為，大型發(fā)動機空間尺寸較大，易于實現(xiàn)改裝或加裝水套和加熱裝置。如果條件受限制，可采用加熱油底殼的方法，但這種方法預(yù)熱準(zhǔn)備時間較長，且加熱系統(tǒng)布置很復(fù)雜。

英國伯明翰大學(xué)的A.Ramadhas等人[15]研究了冷卻液溫度對柴油機低溫冷起動性能的影響。在環(huán)境溫度為-7℃時，通過外部加熱裝置將冷卻液加熱至10℃和20℃再進行起動，并與直接在-7℃時起動進行對比試驗。結(jié)果表明，在低溫環(huán)境下使用冷卻液加熱的策略，可改善冷起動性能，減少起動時間，降低排放。

2.4 可變壓縮比技術(shù)

柴油機的壓縮比直接影響到壓縮終了燃燒室內(nèi)空氣的溫度和壓力，提高發(fā)動機壓縮比是提高壓縮終了缸內(nèi)溫度最為有效的措施，但壓縮比過大，會使發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時的機械負荷和熱負荷顯著增加，工作粗暴。因而，可變壓縮比技術(shù)在理論上是比較可行的。

在冷起動時，可變壓縮比發(fā)動機采用更高的壓縮比，使燃燒持續(xù)時間縮短，熱效率增加，壓縮終了缸內(nèi)溫度升高，發(fā)動機冷起動性能和燃油經(jīng)濟性得到顯著改善。在大負荷、高轉(zhuǎn)速時，可采用較小的壓縮比，防止發(fā)生爆震及產(chǎn)生很大的機械負荷和熱負荷。目前，薩博SVC發(fā)動機、英菲尼迪VC-T發(fā)動機等都采用了可變壓縮比技術(shù)，實現(xiàn)了壓縮比的可變。

英國諾丁漢大學(xué)的D.MacMillan等人[16]對某柴油機在不同壓縮比（15.4和18.4）下的輸出功率和放熱特性進行了比較試驗。通過改變活塞凹坑的容積來改變壓縮比。試驗溫度分別為10、-10、-20℃，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為300 r/min。結(jié)果表明，壓縮比越小，則著火時刻越晚，缸內(nèi)爆發(fā)壓力及平均溫度越低，在壓縮過程中，缸內(nèi)溫度的升高速率逐漸減小。

可變壓縮比技術(shù)從幾何結(jié)構(gòu)上改變了發(fā)動機的壓縮比，提高了柴油機的冷起動性能。然而，可變壓縮比發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且可能造成可靠性下降、振動增大等問題。此外，成本的控制也是需要考慮的因素之一。

3 汽油燃料在柴油機冷起動過程中的應(yīng)用可行性分析

由于發(fā)生燃燒的形態(tài)不同，汽油機的低溫起動性比柴油機好，可考慮將汽油運用到柴油機冷起動中。將汽油機的燃油系統(tǒng)安裝于柴油機上，冷起動時，在壓縮行程將汽油噴入柴油機氣缸內(nèi)，充分預(yù)混合，通過火花塞點燃汽油，保證柴油機順利起動，當(dāng)柴油機機體達到一定溫度后，轉(zhuǎn)為燃燒柴油，使柴油機正常運行。目前，已經(jīng)有學(xué)者將汽油運用到柴油機燃燒中（包括 RCCI、HPCC、PPCI等燃燒模式）。

3.1 RCCI和HPCC燃燒模式

RCCI和HPCC燃燒模式均是采用汽油/柴油雙燃料的燃燒模式，其中，汽油采用進氣道噴射，柴油采用缸內(nèi)直接噴射。通過汽油/柴油比例控制、缸內(nèi)柴油噴油策略控制、外部EGR率控制和進氣門關(guān)閉時刻控制等控制措施，控制混合燃料的燃燒過程，實現(xiàn)高效清潔燃燒。

美國威斯康辛大學(xué)的Reitz等人[17-19]率先提出RCCI燃燒模式，并進行了臺架試驗和可視化數(shù)值模擬研究。Reitz在一臺重型單缸發(fā)動機上進行了試驗，當(dāng)平均有效壓力（BMEP）達到1.1 MPa時，在NOx和碳煙排放均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下，指示熱效率可提高至50%以上。

瑞典皇家理工學(xué)院的Hanson等人[20]在一臺輕型多缸發(fā)動機上研究了活塞型線對RCCI燃燒和排放的影響。他們采用遺傳算法優(yōu)化活塞型線，不僅提高了熱效率，還降低了NOx和PM排放。在轉(zhuǎn)速為2 600 r/min、平均有效壓力為0.69 MPa的工況下，RCCI燃燒的有效熱效率從37%提高到40%，并且不需要任何后處理設(shè)備就能使NOx和顆粒物排放達到排放標(biāo)準(zhǔn)。

清華大學(xué)的于超等人[21]在一臺由高壓共軌柴油機改造的壓縮比為18.5的單缸柴油機上對RCCI燃燒特性進行了試驗，試驗時，進氣溫度控制在25℃，冷卻水溫度控制在80℃，試驗所用汽油/柴油比例分別為 0、0.2、0.4、0.6、0.8 等，分析不同汽/柴油比例對RCCI燃燒和排放特性的影響。結(jié)果表明，隨著汽油比例的增加，缸內(nèi)壓縮壓力降低，缸內(nèi)最大壓力升高，最大壓力升高率增大，著火落后期縮短，燃燒持續(xù)期縮短，碳煙排放降低，HC排放升高。

天津大學(xué)的李逾等人[22]采用汽油/柴油雙燃料高比例預(yù)混燃燒（HPCC）模式，對柴油早噴與晚噴情況下的燃燒和排放特性進行了數(shù)值仿真研究，柴油機壓縮比為16，汽油質(zhì)量分數(shù)為76%，進氣溫度為300 K（約為27℃）。結(jié)果表明，HPCC的著火和燃燒過程主要受缸內(nèi)活性自由基控制。柴油較晚噴射，會使高溫放熱提前；柴油較早噴射，會抑制低溫放熱。柴油晚噴模式的NOx排放比柴油早噴模式較高，柴油晚噴模式的碳煙排放則低于柴油早噴模式。

天津大學(xué)的馬帥營等人[23]在一臺由高壓共軌柴油機改造的壓縮比為16的單缸柴油機上對HPCC燃燒模式的燃燒及排放特性進行了初步的試驗研究，試驗時，進氣溫度控制在25℃。通過控制柴油的噴射時刻、汽油比例（35%～80%），HPCC呈現(xiàn)出由多種燃燒模式組成的復(fù)合燃燒模式，可實現(xiàn)高效清潔燃燒。

RCCI的實質(zhì)是汽油/柴油高比例預(yù)混合燃燒，通過壓燃柴油將汽油引燃，需要2套燃油系統(tǒng)。但只需要DOC（柴油氧化催化器）就能同時實現(xiàn)NOx和soot的超低排放。目前，RCCI的研究主要是針對正常運行工況、進氣溫度較高的情況，汽油比例高達80%，針對柴油機冷起動工況的研究還未見報道。

3.2 PPCI燃燒模式

殼牌石油公司的Kalghatgi等人[24]提出了一種在柴油機上燃用汽油類高揮發(fā)性、高辛烷值燃料的燃燒模式。在進氣行程和壓縮行程中，通過高壓共軌向缸內(nèi)多次噴入汽油，或在壓縮上止點附近單次噴入汽油，利用噴油時刻控制混合氣的分層，他們稱之為部分預(yù)混合壓燃（PPCI）。

西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的Benajes等人[25]在高壓共軌單缸可視化發(fā)動機上進行了汽油燃料火花點火輔助PPCI燃燒模式的試驗研究。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為750 r/min，進氣溫度為35℃，壓縮比為14.7。結(jié)果表明，采用火花塞點火輔助汽油PPCI燃燒模式，較好地控制了汽油部分預(yù)混合燃燒的始點，提高了中小負荷發(fā)動機的運行穩(wěn)定性。

3.3 利用汽油提高柴油機冷起動及暖機性能

汽油在柴油機中的應(yīng)用受到限制的主要原因是汽油在高壓縮比情況下容易發(fā)生爆震燃燒，對燃燒室部件造成損傷。汽油的爆震燃燒發(fā)生的相關(guān)因素很多，如點火時間、壓縮比、燃燒室形狀、辛烷值、冷卻液溫度等等。研究表明，降低冷卻液溫度和進氣溫度能有效抑制爆震燃燒的發(fā)生。柴油機低溫冷起動過程是一個低溫、高壓縮比、低速、低負荷的過程，在柴油機中加裝汽油燃油系統(tǒng)，在冷起動時燃用汽油，保證柴油機順利起動。當(dāng)機體達到一定溫度時則燃燒柴油，保證柴油機的正常運行，達到快速、可靠起動的目的。其實質(zhì)是在冷起動及暖機過程中，采用預(yù)混合燃燒模式。RCCI、HPCC、PPCI等新型燃燒模式的出現(xiàn)，一定程度上證明了汽油應(yīng)用于柴油機冷起動過程的可行性，但仍需進一步試驗驗證。

4 結(jié)束語

本文分析了柴油機冷起動著火與燃燒過程的研究狀況，介紹了常用的柴油機冷起動措施的原理及研究進展，提出從著火與燃燒方式入手，利用汽油燃料改善柴油機冷起動及暖機性能，主要結(jié)論如下：

1）國內(nèi)外專家和學(xué)者主要研究了柴油機冷起動過程的著火、燃燒及排放問題，分析了柴油機冷起動性能的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，柴油機冷起動和暖機過程屬于非穩(wěn)態(tài)工況，冷卻液溫度和機體溫度低、混合氣形成質(zhì)量差等因素導(dǎo)致了柴油機冷起動困難。

2）目前，提高柴油機冷起動性能主要是從可燃混合氣形成、壓縮終了溫度、燃料著火性等3方面著手。具體措施包括改善噴霧質(zhì)量、采用預(yù)熱裝置、提高燃料的十六烷值、采用可變壓縮比等，但柴油燃料通過油滴蒸發(fā)擴散燃燒的燃燒方式在低溫下的局限性依然存在，冷起動困難的問題依然阻礙柴油機在低溫條件下的運用。

3）提出了使用汽油燃料，采取火花點火以及火焰?zhèn)鞑サ姆绞絹硖岣卟裼蜋C冷起動與暖機性能的方法。通過分析柴油機冷起動條件及RCCI、HPCC、PPCI等新型燃燒模式，一定程度上論證了汽油應(yīng)用于柴油機冷起動過程的可行性。