柴油機(jī)高原冷起動(dòng)方法探討與分析

楊艷慶

（偉博汽車科技有限公司，無(wú)錫214000）

0 引言

高原地區(qū)具有大氣壓力小，空氣密度小，環(huán)境溫度低、灰塵和沙石多等眾所周知的明顯特點(diǎn)。柴油機(jī)在高原地區(qū)工作時(shí)進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量減少，使缸內(nèi)氣體壓縮終點(diǎn)的溫度降低，柴油霧化不良，導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)困難，而且這個(gè)問(wèn)題會(huì)隨著海拔高度的增高而越趨嚴(yán)重[1]。本文列舉了在高原環(huán)境下柴油機(jī)冷起動(dòng)困難的原因，并對(duì)影響柴油機(jī)高原冷起動(dòng)能力的因素進(jìn)行分析研究。

1 高原環(huán)境下柴油機(jī)冷起動(dòng)困難的原因

柴油機(jī)可靠起動(dòng)必須具備以下基本條件：一是燃油與空氣混合成一定數(shù)量的可燃混合氣體，二是可燃混合氣達(dá)到一定的溫度，三是著火溫度保持時(shí)間必須足夠長(zhǎng)。造成柴油機(jī)冷起動(dòng)困難主要有以下幾點(diǎn)。

（1）壓縮終了時(shí)缸內(nèi)壓力低。低溫起動(dòng)時(shí)，由于氣缸傳熱量、漏氣損失增加，造成壓縮終了時(shí)的缸內(nèi)壓力偏低，混合氣不易自燃，導(dǎo)致柴油機(jī)起動(dòng)困難。

（2）_壓縮終了時(shí)缸內(nèi)溫度低。由于柴油黏度大、蒸發(fā)性差，特別是當(dāng)外界環(huán)境溫度低時(shí)，柴油機(jī)吸入氣缸的空氣溫度低，同時(shí)氣缸壁、氣缸蓋和活塞頂?shù)臏囟纫驳停又裼蜋C(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低，壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)壓力低，空氣與燃油混合氣的溫度達(dá)不到自燃溫度，柴油機(jī)難以起動(dòng)。

（3）空氣含氧量降低。隨著海拔的升高，進(jìn)氣量減少，進(jìn)入柴油機(jī)缸內(nèi)的氧氣減少，導(dǎo)致柴油機(jī)壓縮壓力降低，滯燃期急劇增加。其實(shí)際效果是推遲著火和降低燃燒速率，導(dǎo)致工質(zhì)的熱力狀態(tài)極不穩(wěn)定，初期著火時(shí)斷時(shí)續(xù)，極易發(fā)生失火現(xiàn)象，使柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，造成起動(dòng)困難。

（4）可燃混合氣的組成及品質(zhì)惡化。低溫時(shí)，燃料的黏度增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)速低，燃料的蒸發(fā)和霧化均惡化，噴入氣缸內(nèi)未蒸發(fā)的燃油附著在燃燒室表面，阻止了后續(xù)燃油的蒸發(fā)，影響壓縮終了時(shí)的缸內(nèi)溫度，進(jìn)而使缸內(nèi)燃油的蒸發(fā)更加困難。

（5）摩擦阻力大。柴油機(jī)所使用的潤(rùn)滑油，其動(dòng)力黏度隨著溫度的下降而增大。柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中外部環(huán)境溫度低，潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度增大，其流動(dòng)性變差，造成柴油機(jī)的曲軸與軸瓦等摩擦面之間供油不足，形成半干摩擦或干摩擦，導(dǎo)致各運(yùn)動(dòng)副間的運(yùn)動(dòng)阻力増大[2]。

柴油機(jī)在低溫起動(dòng)過(guò)程及起動(dòng)后的暖機(jī)過(guò)程中，因摩擦引起的磨損比例是總磨損的50%～75%。

（6）蓄電池性能下降。起動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩的大小與所用蓄電池的電容量有關(guān)。當(dāng)蓄電池的電容量減小時(shí)，必然導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩減小，這也是嚴(yán)寒條件下柴油機(jī)起動(dòng)困難的原因之一。目前常用的蓄電池是鉛酸蓄電池，其電容量受溫度變化影響大。蓄電池的電容量越小，其內(nèi)阻越大，放電能力越低。當(dāng)外界溫度低時(shí)，蓄電池的電解液溫度也低，導(dǎo)致其內(nèi)阻增大，放電能力減小，因而造成起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩減??；而且蓄電池的電容量隨溫度下降的幅度更大。當(dāng)電解液溫度由20℃下降到-20℃時(shí)，起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩減小32%，而蓄電池的電容量減小大約60%。

2 柴油機(jī)冷起動(dòng)性能影響因素的研究

許多學(xué)者對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)性能進(jìn)行了大量的研究。由這些研究結(jié)果可知，影響柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的因素主要有環(huán)境條件 （環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液等）、噴油參數(shù)、拖動(dòng)轉(zhuǎn)速、燃油特性、壓縮比、燃燒室設(shè)計(jì)等。

2.1 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度是影響冷起動(dòng)性能的主要原因之一。較低的環(huán)境溫度直接對(duì)缸內(nèi)壓縮終了時(shí)的溫度和壓力產(chǎn)生不利影響。

Lindl等人提出了基于多變過(guò)程模型的經(jīng)驗(yàn)公式 （1）[3]，并對(duì)壓縮比為17的柴油機(jī)在不同環(huán)境溫度下壓縮終了時(shí)的缸內(nèi)溫度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，不同的初始進(jìn)氣溫度對(duì)壓縮終了時(shí)的缸內(nèi)溫度有著非常顯著的影響。

式中：TTDC為壓縮終了時(shí)的缸內(nèi)溫度，Ta為不同環(huán)境溫度，εc為柴油機(jī)壓縮比，n1為壓縮多變指數(shù)。

結(jié)合公式 （1）簡(jiǎn)單地運(yùn)用氣體狀態(tài)方程就可以知道，不同的初始進(jìn)氣溫度對(duì)壓縮終了時(shí)的壓力同樣有著非常顯著的影響。Zadeh等人則通過(guò)在1臺(tái)單缸4沖程直噴柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)而得到同樣的結(jié)論。顯然，這一溫度與壓力的變化，必然對(duì)缸內(nèi)燃油的蒸發(fā)及混合氣的滯燃期產(chǎn)生顯著的影響。

此外，環(huán)境溫度過(guò)低還會(huì)造成燃油噴霧過(guò)程惡化。研究表明，冷起動(dòng)條件下的缸內(nèi)氣體密度與正常工況的相比較低，導(dǎo)致燃油噴射破碎距離增大，霧化性能變差，附著壁面上的燃油量增多。Steven等人采用高速攝影方法對(duì)1臺(tái)2沖程直噴柴油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果也表明了這一點(diǎn)，且由于燃燒室壁面溫度較低，使得附著壁面上的燃油難以蒸發(fā)，造成缸內(nèi)燃油蒸發(fā)量減少，起動(dòng)性能力能變差[4]。

以上研究均表明，在較低的環(huán)境溫度下，缸內(nèi)混合氣形成品質(zhì)變差，混合氣滯燃期變長(zhǎng)，混合氣燃燒壓力不足，使得柴油機(jī)冷起動(dòng)著火困難，甚至無(wú)法起動(dòng)。

2.2 噴油正時(shí)

噴油正時(shí)是影響冷起動(dòng)過(guò)程中缸內(nèi)混合氣形成及著火性能的重要因素。在冷起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，雖然缸內(nèi)壓縮壓力和溫度較低造成滯燃期變長(zhǎng)，但相同燃油噴射持續(xù)時(shí)間所轉(zhuǎn)過(guò)的曲軸轉(zhuǎn)角變小。這時(shí)適當(dāng)推遲噴油，有利于燃油的霧化蒸發(fā)，提高冷起動(dòng)性能。若過(guò)早噴油時(shí)，缸內(nèi)的壓力和溫度很低，導(dǎo)致滯燃期較長(zhǎng)，且使得燃油噴射貫穿距離變長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的燃油附著壁面現(xiàn)象。若噴油時(shí)刻過(guò)遲，則滯燃期持續(xù)到膨脹行程中，此時(shí)活塞下行，缸內(nèi)容積逐漸增大，混合氣的著火反應(yīng)速度減小，滯燃期拉長(zhǎng)，使得著火時(shí)刻落在膨脹行程中而遠(yuǎn)離上止點(diǎn)的位置，造成燃燒著火性能變差。若噴油時(shí)刻進(jìn)一步延遲，則會(huì)導(dǎo)致混合氣在膨脹行程中著火前的反應(yīng)中止，無(wú)法著火燃燒，出現(xiàn)失火現(xiàn)象。研究表明，在壓縮行程中的活塞運(yùn)動(dòng)將使得滯燃期縮短，而使滯燃期在膨脹行程迅速增大。在一定的環(huán)境溫度及轉(zhuǎn)速下，噴油正時(shí)存在一個(gè)能保證順利著火燃燒的區(qū)域，當(dāng)噴油正時(shí)落在此區(qū)域外時(shí)，燃燒將會(huì)嚴(yán)重惡化，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象[5]。

2.3 拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的影響

冷起動(dòng)過(guò)程中，拖動(dòng) （外力帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)）轉(zhuǎn)速對(duì)起動(dòng)性能也有著非常重要的影響。通常，拖動(dòng)轉(zhuǎn)速增大可以在一定程度上提高缸內(nèi)壓縮終了時(shí)的溫度和壓力，這將有利于改善缸內(nèi)混合氣的著火性能。如果拖動(dòng)轉(zhuǎn)速過(guò)低，由于缸內(nèi)散熱及漏氣損失嚴(yán)重導(dǎo)致缸內(nèi)溫度和壓力很低，缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)速度降低，使得混合氣形成困難，滯燃期變長(zhǎng)，著火過(guò)程難于進(jìn)行，甚至無(wú)法著火燃燒。拖動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)混合氣著火性能還會(huì)產(chǎn)生另一方面的影響。拖動(dòng)轉(zhuǎn)速增大，會(huì)導(dǎo)致上止點(diǎn)附近壓力和溫度較高區(qū)域的持續(xù)時(shí)間減少，這對(duì)混合氣著火前的反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。Phatak等人的研究表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，混合氣著火前的反應(yīng)時(shí)間減少，這對(duì)缸內(nèi)混合氣著火性能的影響將大大超過(guò)提高壓縮終了時(shí)的溫度和壓力所產(chǎn)生的影響。Han等人的研究結(jié)果同樣表明，當(dāng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，雖然此時(shí)缸內(nèi)壓縮壓力和溫度提高，使得滯燃期有所減小，但其所占的曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)值卻變大，將滯燃期延伸至膨脹行程中。當(dāng)燃燒始點(diǎn)遠(yuǎn)離上止點(diǎn) （TDC）時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致著火困難甚至出現(xiàn)失火。因此，柴油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程應(yīng)存在一個(gè)較佳的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較好的冷起動(dòng)性能；但Phatak等人的研究也表明，在柴油機(jī)冷起動(dòng)性能和拖動(dòng)轉(zhuǎn)速之間并不能建立描述這種影響的確切的關(guān)系式。

2.4 燃料特性的影響

燃料特性對(duì)冷起動(dòng)過(guò)程的影響主要是十六烷值和燃料揮發(fā)性。較好的燃料揮發(fā)性有利于缸內(nèi)可燃混合氣的形成，提高柴油機(jī)的著火燃燒性能。十六烷值主要影響混合氣的滯燃期。當(dāng)十六烷值由50變到60時(shí)，其對(duì)滯燃期的影響很??；而當(dāng)十六烷值降到50以下時(shí)，滯燃期將隨十六烷值的降低而迅速增大。

2.5 壓縮比的影響

壓縮比是影響缸內(nèi)壓縮壓力和溫度的一個(gè)最重要因素。提高壓縮比，增大缸內(nèi)壓縮終了時(shí)的壓力和溫度，一方面有利于改善燃油噴霧性能，減小燃油附壁量，促進(jìn)油滴蒸發(fā)，另一方面有利于提高混合氣著火前的反應(yīng)速率、縮短滯燃期。Tsunemoto等人的研究也表明了這一點(diǎn)，較高的壓縮壓力和溫度能夠有效縮短混合氣的滯燃期，且可以顯著減小燃油的附壁量。雖然提高壓縮比有利于改善柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能，但選擇壓縮比時(shí)必須綜合考慮柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、排放及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.6 缸內(nèi)累積燃油的影響

Liu等人采用仿真的方法對(duì)1臺(tái)單缸直噴柴油機(jī)進(jìn)行研究，結(jié)果表明缸內(nèi)累積的附壁燃油對(duì)實(shí)際空燃比產(chǎn)生一定的影響，且由于附壁燃油的蒸發(fā)，將使得缸內(nèi)總的燃油蒸汽濃度增大，這些因素將有利于促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的著火。Phatak等人也分別通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冷起動(dòng)過(guò)程中，前一循環(huán)不著火或著火性能較差而滯留的燃油蒸發(fā)，將對(duì)此循環(huán)的空燃比產(chǎn)生一定的影響，從而影響此循環(huán)缸內(nèi)混合氣的著火燃燒性能。

3 改善冷起動(dòng)的措施

目前，對(duì)于改善柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的研究主要集中在優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和改進(jìn)冷起動(dòng)輔助施2個(gè)方面。

為了提高柴油機(jī)的冷機(jī)起動(dòng)性能，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了各種冷起動(dòng)輔助措施。所有這些措施本質(zhì)上均是通過(guò)以下2個(gè)方面來(lái)改善冷起動(dòng)過(guò)程缸內(nèi)混合氣的著火性能：一是促進(jìn)柴油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程缸內(nèi)混合氣的形成，一是改善缸內(nèi)混合氣的著火條件，縮短混合氣的滯燃期。

3.1 優(yōu)化噴油參數(shù)

燃油對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的影響主要是其蒸發(fā)和霧化性能。噴油供油量、供油提前角，柱塞參數(shù)、出油閥型式，及怠速調(diào)速率對(duì)噴霧質(zhì)量具有重要的影響。同時(shí)，燃油系統(tǒng)中的噴油泵作為柴油機(jī)的一個(gè)獨(dú)立部件，改動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單而且成本也低。通過(guò)分析噴油泵參數(shù)對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的影響，在不影響柴油機(jī)其他工況性能的前提下，通過(guò)優(yōu)化噴油參數(shù)來(lái)提高冷起動(dòng)性能。

Osuka等人研究了燃油預(yù)噴射對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能的影響。他們的研究結(jié)果表明，燃油預(yù)噴射使得柴油機(jī)的冷起動(dòng)時(shí)間、白煙排放等都得到了很好的改善。他們認(rèn)為這主要是預(yù)噴射的冷著火反應(yīng)提高了主噴射燃油的著火性能。Bielaczyc等人在1臺(tái)直噴柴油機(jī)上，通過(guò)采用在起動(dòng)過(guò)程的前5 s切斷燃油供給的方法，使得冷起動(dòng)過(guò)程的一氧化碳（CO）、碳?xì)?（HC）和顆粒 （PM）排放比正常起動(dòng)過(guò)程的分別降低了62%、41%和58%[5]。

上海交通大學(xué)王政等人為了解決直噴柴油機(jī)4DX冷起動(dòng)困難的問(wèn)題，從噴油泵著手進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)起動(dòng)油量、供油提前角，柱塞參數(shù)、出油閥型式，及怠速調(diào)速率對(duì)起動(dòng)性能影響的規(guī)律進(jìn)行了研究，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配。結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)噴油泵參數(shù)優(yōu)化，提高了柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能，同時(shí)保證其他工況性能不受影響，滿足了車用柴油機(jī)的實(shí)際使用要求。

供油提前角和供油量對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的影響較為明顯，但是需要對(duì)其進(jìn)行精確控制。電控共軌燃油系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)噴油量和噴油定時(shí)的精確控制調(diào)節(jié)，還可以實(shí)現(xiàn)噴油壓力和噴油規(guī)律的精確調(diào)節(jié)和適時(shí)控制。

3.2 調(diào)節(jié)排氣門(mén)關(guān)閉正時(shí)

缸內(nèi)殘余廢氣量對(duì)燃燒過(guò)程有著非常重要的影響。除熱效應(yīng)外，缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)進(jìn)氣氧含量的稀釋效應(yīng)及其不同組分的化學(xué)動(dòng)力效應(yīng)都將對(duì)缸內(nèi)混合氣的燃燒性能產(chǎn)生影響。在冷起動(dòng)過(guò)程中，缸內(nèi)殘余廢氣中含有大量的HC、燃油蒸氣及一些氧化產(chǎn)物。如果增大冷起動(dòng)過(guò)程的缸內(nèi)殘余廢氣量，殘余廢氣的熱效應(yīng)及廢氣中活化成分的化學(xué)動(dòng)力效應(yīng)將可能有利于縮短混合氣的滯燃期，提高柴油機(jī)的著火燃燒性能，降低冷起動(dòng)過(guò)程的排放。

2007年，上海交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所彭海勇等人在1臺(tái)安裝了高壓共軌燃油系統(tǒng)的單缸直噴柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，分析了不同排氣門(mén)正時(shí)條件對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程燃燒及排放的影響。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣門(mén)關(guān)閉正時(shí)，適當(dāng)増大缸內(nèi)殘余廢氣量，可顯著改善起動(dòng)過(guò)程中初始著火循環(huán)的著火燃燒性能，提高起動(dòng)過(guò)程缸內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性。不同排氣門(mén)關(guān)閉條件對(duì)起動(dòng)過(guò)程的排放有著非常重要的影響。適當(dāng)提前排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻，可以顯著降低冷起動(dòng)過(guò)程的碳煙排放，特別是降低冷起動(dòng)過(guò)程初始階段的碳煙排放。

通過(guò)調(diào)節(jié)排氣門(mén)正時(shí)來(lái)改善柴油機(jī)冷起動(dòng)性能，必須實(shí)現(xiàn)排氣門(mén)正時(shí)的精確控制和連續(xù)控制，可變氣門(mén)技術(shù)可以滿足此要求。全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣定時(shí)和氣門(mén)升程的連續(xù)可變，是可變氣門(mén)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 采用低溫輔助措施

改善柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能除了對(duì)柴油機(jī)本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外，最重要的是采用低溫輔助措施。目前，低溫起動(dòng)輔助裝置主要有2類：應(yīng)急起動(dòng)輔助裝置和升溫起動(dòng)輔助裝置。升溫起動(dòng)輔助裝置有進(jìn)氣預(yù)熱裝置、燃燒室電熱塞、蓄電池加熱保溫裝置、燃油加熱器及其他輔助措施。

4 結(jié)論

針對(duì)高原冷起動(dòng)特殊工況，分析了在高原環(huán)境下柴油機(jī)冷起動(dòng)困難的原因，以及研究了影響柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的因素。同時(shí)，介紹了提高低溫冷起動(dòng)能力的方法與措施，為柴油機(jī)的低溫冷起動(dòng)的研究提供了方法與指導(dǎo)。