燃燒參數(shù)對輕型柴油車高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性影響的試驗研究

摘 要：為提高柴油車在高原寒冷地區(qū)的冷機(jī)怠速穩(wěn)定性，基于INCA標(biāo)定軟件，展開選擇不同的主噴提前角、預(yù)噴油量、預(yù)噴間隔、軌壓和預(yù)熱電壓的燃燒參數(shù)控制，對柴油車高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性影響的試驗研究。試驗結(jié)果表明：在相同硬件配置下，采用最佳的主噴提前角、預(yù)噴油量、預(yù)噴間隔、軌壓、預(yù)熱電壓可以改善怠速穩(wěn)性能。

關(guān)鍵詞：輕型柴油車 高原 低溫 怠速穩(wěn)定性 燃燒參數(shù) 試驗研究

0 引言

柴油機(jī)因良好的經(jīng)濟(jì)性、較高的熱效率、低速大扭矩等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于輕型皮卡當(dāng)中。隨著國家西部大開發(fā)政策，2025年將基本建成西部陸海新通道[1]。新疆、西藏、青海等高原地區(qū)柴油皮卡逐年上漲。從大數(shù)據(jù)上看，2023年西南地區(qū)皮卡銷量占20%，排名第一，西北地區(qū)皮卡銷量占16%，排名第三[2]。隨著中國汽車的發(fā)展，人們對汽車的駕駛要求越來越高，通過高原售后反饋情況，客戶對高原冷機(jī)怠速穩(wěn)性抱怨較大，為減少客戶抱怨，對高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性進(jìn)行試驗研究。

中國的高原區(qū)域面積廣闊，占國土面積約37%[3]。因氧濃度隨著海拔的增高而降低，所以高原為缺氧的環(huán)境。特殊的高原環(huán)境使得柴油機(jī)燃燒性能惡化，特別是低溫怠速穩(wěn)定性能下降等問題。因此，為提高柴油機(jī)的性能，就需要合理地控制缸內(nèi)的燃燒運動[4]。

柴油車高原冷機(jī)怠速的不穩(wěn)定是阻礙柴油車在高原地區(qū)銷售的原因之一，因此有效改善車輛高原冷機(jī)怠速具有重要的現(xiàn)實意義。柴油車高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性主要因素既有進(jìn)氣溫度低、進(jìn)氣氧含量低等外界條件，又有冷卻液溫度低、冷機(jī)燃燒穩(wěn)定性差、燃油霧化不良、冷機(jī)阻力大等自身條件[5]。本文將從調(diào)整燃燒控制參數(shù)對某款輕型柴油車在西北高原地區(qū)進(jìn)行冷機(jī)怠速性能研究，以達(dá)到車輛高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定的目標(biāo)。

1 試驗車輛及方法

1.1 試驗車輛及設(shè)備

試驗用車輛為某知名上市公司生產(chǎn)的搭載2.5L柴油機(jī)的柴油皮卡車，其車輛基本參數(shù)如表1所示。試驗用設(shè)備有德國博世集團(tuán)的ETAS 581及用于運行INCA環(huán)境并進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的筆記本電腦，數(shù)據(jù)采集及修改系統(tǒng)見圖1。

1.2 試驗方法

柴油本身的蒸發(fā)性和流動性都比汽油差，柴油機(jī)利用柴油的燃點較低，壓縮柴油和空氣混合氣使溫度升高至柴油的燃點，從而燃燒混合氣以推動活塞做功。柴油機(jī)要想在低溫下平穩(wěn)的運行須得滿足以下三個條件：一是必須要有霧化效果好、濃度適宜的混合氣，二是保證氣缸內(nèi)要有一定的壓力和溫度以滿足缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒，三是要有合適的噴油時刻。本文從發(fā)動機(jī)燃燒控制參數(shù)的優(yōu)化方面開展車輛在高原低溫環(huán)境下的冷機(jī)怠速穩(wěn)定性的研究工作，主要思路是選擇一組基礎(chǔ)的燃燒參數(shù)和相同的硬件，而后在此燃燒參數(shù)條件下進(jìn)行調(diào)整燃燒參數(shù)的測試。試驗調(diào)整的燃燒控制參數(shù)有主噴油提前角、預(yù)噴1油量、預(yù)噴1間隔、軌壓和預(yù)熱電壓，具體變化范圍如表2所示。

1.3 高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

柴油機(jī)的高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性能是評價其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，國內(nèi)外學(xué)者在冷機(jī)燃燒過程及相關(guān)影響因素等方面進(jìn)行了大量的研究以改善柴油機(jī)的冷機(jī)燃燒[6]，本文的試驗對象為柴油皮卡車，因此評價指標(biāo)為冷機(jī)怠速轉(zhuǎn)速波動，即柴油機(jī)在靜置一段時間后（超過8小時），其內(nèi)部冷卻液溫度與環(huán)境溫度大致一致情況下，冷機(jī)起動后至冷機(jī)怠速，需求怠速轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差至少滿足表3要求，偏差越小越好。圖2為冷機(jī)怠速過程示意圖。由圖2可見，在INCA記錄的數(shù)據(jù)中，怠速轉(zhuǎn)速偏差為冷機(jī)怠速穩(wěn)定階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與需求的轉(zhuǎn)速偏差。表3為各環(huán)境溫度下冷機(jī)怠速轉(zhuǎn)速偏差工程目標(biāo)值，實際情況下，怠速轉(zhuǎn)速波動越小，冷機(jī)怠速性能越佳。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 燃燒控制參數(shù)的優(yōu)化

在車輛搭10W-40機(jī)油、80Ah蓄電池、-10#柴油和有預(yù)熱塞等硬件下，通過調(diào)整主噴噴油提前角、預(yù)噴油量、預(yù)噴間隔、預(yù)熱電壓和軌壓以獲得試驗車輛最優(yōu)高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性能的燃燒參數(shù)。

2.1.1 預(yù)噴油量和間隔的確定

預(yù)噴是一種在主噴射之前將小部分燃油噴入氣缸的技術(shù)，這可以在缸內(nèi)發(fā)生預(yù)混合或部分燃燒，從而縮短主噴射的著火延遲期。這種操作有助于降低缸內(nèi)壓力升高率和峰值壓力，使發(fā)動機(jī)工作更加緩和。此外，預(yù)噴射還可以降低失火的可能性，改善高壓共軌系統(tǒng)的燃燒穩(wěn)定性。

如圖3為不同的預(yù)噴油量對高原冷機(jī)怠速的影響。本文對預(yù)噴油量共測試四個：0.8mg/hub、2mg/hub、3.5 mg/hub和5 mg/hub；由圖可知采用預(yù)噴油量3.5mg/hub時高原冷機(jī)怠速波動-10～10rpm，怠速波動最小；怠速過程總油量較小，一般小于15mg/hub，高原怠速一般采用2次預(yù)噴，因此預(yù)噴油量不能過大，過大后主噴油量太小，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定；高原冷機(jī)空氣氧含量低，缸內(nèi)溫度也較低，因此預(yù)噴油量太小，起不到預(yù)熱缸內(nèi)溫度和提前充分預(yù)混合作用，因此選擇合適的預(yù)噴油量對高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性影響較大。本車輛的高原冷啟動預(yù)噴油量選擇3.5mg/hub。

如圖4為不同預(yù)噴間隔對高原冷機(jī)怠速的影響，本文在采用兩次預(yù)噴的策略下，對預(yù)噴間隔共測試四個：1300us、1500us、1700us和2000us；由圖可知采用預(yù)噴間隔為1500us時高原冷機(jī)怠速波動-6～6.5rpm，怠速波動最??；預(yù)噴間隔太大時，主噴噴射時預(yù)噴已經(jīng)燃燒完，缸內(nèi)溫度已經(jīng)降低，無法起到混合或部分燃燒縮短主噴射的著火延遲期；預(yù)噴間隔太小時，預(yù)噴油量還未燃燒預(yù)熱氣缸就已經(jīng)噴射主噴，無法降低缸內(nèi)壓力升高率和峰值壓力，無法改善冷機(jī)怠速穩(wěn)定穩(wěn)定性；本車輛的高原冷啟動預(yù)噴間隔選擇1500us。

2.1.2 主噴油提前角的確定

主噴油提前角是指噴油器開始主噴油時，活塞從上止點開始的曲軸轉(zhuǎn)角。主噴油提前角對柴油機(jī)的運行狀況有很大的影響，如果噴油提前角過大，會導(dǎo)致待機(jī)時間過長，造成發(fā)動機(jī)工作粗暴。如果噴油提前角過小，燃燒過程會延遲太多，最大壓力值降低，會明顯降低柴油機(jī)的熱效率。因柴油機(jī)在高原低溫冷機(jī)運行時轉(zhuǎn)速較低，著火溫度也只能在壓縮上止點附近才能達(dá)到，因此過早或過晚的提前角均不利于穩(wěn)定燃燒。過早噴油的話，柴油由于缸內(nèi)溫度低，氧含量低，會導(dǎo)致待機(jī)時間過長，造成發(fā)動機(jī)工作粗暴，缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性變差。過晚噴油的話，燃燒過程會延遲太多，最大壓力值降低，會明顯降低柴油機(jī)的熱效率，高原冷機(jī)本身發(fā)動機(jī)內(nèi)部阻力大，燃燒效率變差后，燃燒穩(wěn)定性會受影響。本文在采用兩次預(yù)噴的策略下，對主噴提前角共測試六個：-7℃A BTDC、-5℃A BTDC、-3℃A BTDC、-1℃A BTDC、5℃A BTDC和7℃A BTDC。圖3為柴油機(jī)在冷卻液溫度大致在-11～-9℃、大氣壓725hpa時不同主噴提前角的怠速穩(wěn)定性對比圖。從圖5中可看出，上止點前開始主噴的怠速穩(wěn)定性能優(yōu)于上止點后。這是因為上文提到的預(yù)噴引燃作用，可提高主噴的混合氣均勻性，主噴角度在上止點前，這樣可有效地發(fā)揮預(yù)噴的引燃作用，從而利于車輛的穩(wěn)定燃燒，確保怠速的穩(wěn)定性。a.主噴提前角-7℃A BTDC，怠速偏差-52.5～69.5rpm；b.主噴提前角-5℃A BTDC，怠速偏差-98.5～72.5rpm；c.主噴提前角-3℃A BTDC，怠速偏差-40～23rpm；d. 主噴提前角-1℃A BTDC，怠速偏差-88.5～5rpm；e. 主噴提前角5℃A BTDC，怠速偏差-7.5～7rpm；f. 主噴提前角7℃A BTDC，怠速偏差-6～5rpm；因此本車輛的高原冷機(jī)怠速選用上止點前7℃A BTDC進(jìn)行主噴燃油，怠速轉(zhuǎn)速偏差最小。

2.1.3 軌壓的確定

本文的軌壓共測試四個：200bar、260bar、360bar和450bar。圖6為柴油機(jī)在冷卻液溫度大致在-10℃時不同軌壓的高原冷機(jī)怠速對比圖。從圖6中可看出，200bar軌壓的怠速波動-89～102rpm，260bar軌壓的怠速波動-51～31rpm，360bar軌壓的怠速波動-10.5～12.5rpm，460bar軌壓的怠速波動-26～26rpm，360bar軌壓的怠速波動最小。因為適當(dāng)?shù)能墘海紵椒€(wěn)定，怠速波動越小。穩(wěn)態(tài)工況下，軌壓越高，噴霧質(zhì)量越好，可燃混合氣形成速度越快，怠速時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，此時氣流的運動較弱，過大的軌壓下噴入的油束易粘附在缸套上而不能與空氣充分混合，可燃混合氣形成速度慢，不利于缸內(nèi)燃燒，另外過高軌壓意味著高壓油泵需要消耗更多的能量，從而使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，因此本車輛的高原冷機(jī)怠速選用360bar的軌壓。

2.1.4 預(yù)熱電壓的確定

本文的預(yù)熱塞采用的12V的低壓預(yù)熱塞，控制方式如圖7，ECU接收發(fā)動機(jī)冷卻液溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度后，ECU根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速和油量設(shè)定不同的預(yù)熱電壓，提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度，以改善發(fā)動機(jī)的燃燒，保證發(fā)動機(jī)怠速的穩(wěn)定性。發(fā)動機(jī)的預(yù)熱電壓分前預(yù)熱電壓和后預(yù)熱電壓，前預(yù)熱電壓是啟動前的預(yù)熱電壓，后預(yù)熱電壓是啟動后的預(yù)熱電壓，本文主要試驗的是后預(yù)熱的電壓，預(yù)熱電壓過低預(yù)熱塞預(yù)熱溫度低，影響高原冷機(jī)怠速穩(wěn)定性，如果預(yù)熱電壓過高，預(yù)熱塞溫度會過高，容易燒壞預(yù)熱塞；本文主要試驗確認(rèn)保證怠速穩(wěn)定的最低電壓。本文試驗共測試四個電壓：0mV、2000mV、4000mV，5600mV。如圖8，不同預(yù)熱電壓的怠速轉(zhuǎn)速波動試驗結(jié)果可知，預(yù)熱電壓采用5600mV時，怠速轉(zhuǎn)速波動范圍-8.5～12rpm，怠速轉(zhuǎn)速滿足要求。

3 結(jié)論

柴油機(jī)要想在冷機(jī)高原下穩(wěn)定的保持怠速須得滿足以下三個條件：一是必須要有霧化效果好、濃度適宜的混合氣；二是保證氣缸內(nèi)要有一定的壓力以滿足混合氣可穩(wěn)定燃燒；三是保證進(jìn)氣和缸內(nèi)有合適溫度。本文從燃燒參數(shù)控制的優(yōu)化方面開展車輛在低溫高原條件下的冷機(jī)怠速穩(wěn)定的研究工作，得出以下結(jié)論：

（1）合適的預(yù)噴油量和間隔，由于預(yù)噴的引燃作用，缸內(nèi)的壓力和溫度在主噴之前就已經(jīng)升高，有利于主噴燃油的霧化蒸發(fā)，提高了主噴的混合氣均勻性，合適的預(yù)噴油量和預(yù)噴間隔使預(yù)噴滯燃期和主噴滯燃期的重疊期縮短，從而利于車輛的燃燒穩(wěn)定。

（2）低溫冷機(jī)怠速過程中，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，此時氣流的運動較弱，高軌壓下噴入的油束易粘附在缸套上而不能與空氣充分混合，可燃混合氣形成速度慢，不利于缸內(nèi)燃燒，另外高軌壓意味著高壓油泵需要消耗更多的起動能量，從而使得燃燒不穩(wěn)定，軌壓過低，噴油霧化不好缸內(nèi)混合不均勻，缸內(nèi)燃燒不好，從而使得燃燒不穩(wěn)定，因此車輛高原冷機(jī)怠速需選擇合適的軌壓。

（3）高原低溫下發(fā)動機(jī)各機(jī)體均過冷且進(jìn)氣溫度也低，在有預(yù)熱塞的條件下，燃燒室內(nèi)形成霧化良好的混合氣溫度更高，燃燒更穩(wěn)定，使車輛怠速更穩(wěn)定。

（4）高原冷機(jī)狀態(tài)，氧含量低且進(jìn)氣溫度和缸內(nèi)溫度低，適當(dāng)加大主噴提前角可以提高缸內(nèi)溫度，減少缸內(nèi)壓力，減少缸內(nèi)粗暴燃燒，有利于缸內(nèi)燃燒，使缸內(nèi)燃燒更穩(wěn)定，進(jìn)而使怠速更穩(wěn)定。

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