陳榮章，杜立

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

某小排量高壓共軌柴油機(jī)冷起動(dòng)改善

陳榮章，杜立

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

冷起動(dòng)時(shí)間較長是小排量高壓共軌柴油機(jī)所面臨的問題之一。研究改善小排量高壓共軌柴油機(jī)的冷起動(dòng)時(shí)間的同時(shí)，考慮滿足相應(yīng)的排放要求。以某排量為1 L的柴油機(jī)為研究對(duì)象，提出柴油機(jī)冷起動(dòng)改進(jìn)的方案，并對(duì)預(yù)熱部件、飛輪、燃油系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，這些措施改善了柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能，同時(shí)也滿足了排放要求。

柴油機(jī)高壓共軌冷起動(dòng)改進(jìn)

1 概述

某小排量高壓共軌系統(tǒng)柴油機(jī)在北方寒冷地區(qū)，冬季冷起動(dòng)時(shí)間較長。針對(duì)這個(gè)問題，對(duì)此款柴油機(jī)進(jìn)行了一些改進(jìn)和優(yōu)化，比如改變預(yù)熱塞、更換大飛輪、優(yōu)化預(yù)熱時(shí)間、優(yōu)化主噴時(shí)間、增加起動(dòng)油量等以改善冷起動(dòng)性能；并通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證這些措施的可行性。

本研究的目的在于改善小排量高壓共軌柴油機(jī)的冷起動(dòng)時(shí)間，以期提高其冷起動(dòng)性能的同時(shí)并滿足相應(yīng)的排放要求。如何合理匹配高壓共軌系統(tǒng)是滿足柴油機(jī)性能、可靠性及排放要求的關(guān)鍵。

2 柴油機(jī)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案

2.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

該柴油機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

因?yàn)轫?xiàng)目進(jìn)展和時(shí)間的限制，起動(dòng)時(shí)間的優(yōu)化著重是在-25℃時(shí)柴油機(jī)的起動(dòng)性能，并且在安裝大飛輪和陶瓷預(yù)熱塞的情況下進(jìn)行。

起動(dòng)時(shí)間是衡量低溫起動(dòng)性能的一個(gè)重要參數(shù)。起動(dòng)時(shí)間可以通過標(biāo)定來優(yōu)化[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，需要外力轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，在外力作用下曲軸從開始轉(zhuǎn)動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)開始自動(dòng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的全過程，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須克服氣缸內(nèi)被壓縮氣體的阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)本身及其附件相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件之間的阻力和慣性力。克服這些阻力和慣性力所需要的力矩稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)所必需的曲軸轉(zhuǎn)速為起動(dòng)轉(zhuǎn)速。

試驗(yàn)方案如下：

預(yù)熱時(shí)間優(yōu)化；

主噴時(shí)間優(yōu)化；

起動(dòng)油量優(yōu)化；

軌壓優(yōu)化；

2種硬件配置對(duì)冷起動(dòng)時(shí)間的影響。

3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 預(yù)熱時(shí)間優(yōu)化

如圖1所示，預(yù)熱15 s時(shí)起動(dòng)時(shí)間為44 s，預(yù)熱25 s時(shí)起動(dòng)時(shí)間降為37 s，但是煙度從20%增加為36%[2]。綜合考慮，預(yù)熱時(shí)間設(shè)定為15秒。

圖1 預(yù)熱時(shí)間對(duì)冷起動(dòng)的影響

從試驗(yàn)的結(jié)果看，在-27℃下，采用金屬預(yù)熱塞和小飛輪起動(dòng)失?。徊捎锰沾深A(yù)熱塞和大飛輪的起動(dòng)時(shí)間在36.5秒。在-17℃的情況下，起動(dòng)時(shí)間改善更為明顯。大飛輪可以儲(chǔ)存更多動(dòng)能以克服發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦，減緩發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低太快。采用陶瓷預(yù)熱塞可以改善燃燒有助于起動(dòng)[3]。關(guān)于怠速，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長有助于怠速的穩(wěn)定。起動(dòng)前較長時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦，所以怠速會(huì)比較穩(wěn)定。相同的起動(dòng)前轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，安裝大飛輪和陶瓷預(yù)熱塞后發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速相比安裝小飛輪的穩(wěn)定。

3.2 主噴時(shí)間優(yōu)化

電控高壓共軌系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多次噴射功能，從而大大提高了柴油機(jī)的綜合性能。多次噴射可分為:預(yù)噴（PⅠ）、主噴（MⅠ）和后噴（PoⅠ）。

本次試驗(yàn)中，共選擇了4種主噴提前角，分別為上止點(diǎn)前1、2、3和4.5℃A.。從圖2中可以看到，主噴提前角上止點(diǎn)前1℃A時(shí)起動(dòng)時(shí)間為37 s，2℃A時(shí)起動(dòng)時(shí)間為44 s，3℃A時(shí)為41 s，4.5℃A時(shí)為35 s。其中1℃A和4.5℃A都可以縮短起動(dòng)時(shí)間，降低起動(dòng)煙度[4]。綜合考慮煙度和起動(dòng)時(shí)間，最終主噴提前角選取上止點(diǎn)前4.5℃A。

圖2 噴油定時(shí)對(duì)冷起動(dòng)的影響

3.3 起動(dòng)油量優(yōu)化

起動(dòng)油量對(duì)冷起動(dòng)的影響如圖3所示。50 mg和60 mg的起動(dòng)油量對(duì)起動(dòng)時(shí)間影響很??；但是60 mg起動(dòng)油量的煙度略高于50 mg時(shí)的煙度，因此選取起動(dòng)油量為50 mg。

3.4 高壓油軌軌壓優(yōu)化

高壓共軌軌壓對(duì)冷氣動(dòng)的影響如圖4所示。當(dāng)高壓油軌軌壓由32 MPa調(diào)整到37 MPa時(shí)，雖然煙度有所增加，但是起動(dòng)時(shí)間由44 s縮短到38 s，改善十分明顯，因此軌壓選擇37 MPa。

3.5 飛輪和預(yù)熱塞更改

飛輪慣量和預(yù)熱塞預(yù)熱性能對(duì)冷起動(dòng)的影響如圖5所示。大飛輪+陶瓷預(yù)熱塞比小飛輪+金屬預(yù)熱塞對(duì)改善冷起動(dòng)時(shí)間有明顯的效果。

圖3 起動(dòng)油量對(duì)冷起動(dòng)的影響

圖4 高壓軌壓對(duì)冷起動(dòng)的影響

4 結(jié)論

本文圍繞小排量高壓共軌系統(tǒng)柴油機(jī)冷起動(dòng)的優(yōu)化展開討論，并最終通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，得到主要結(jié)論如下：

（1）高壓共軌燃油系統(tǒng)在噴油壓力、噴油定時(shí)、噴油規(guī)律和噴油量上可以實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確控制，因而能夠很好地滿足柴油機(jī)對(duì)燃油系統(tǒng)的要求[5]。燃油系統(tǒng)是提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的關(guān)鍵技術(shù)之一，故高壓共軌燃油系統(tǒng)對(duì)發(fā)展先進(jìn)的柴油機(jī)意義巨大。

（2）冷起動(dòng)時(shí)間較長是小排量高壓共軌柴油機(jī)所面臨的問題之一。本課題的意義在于如何改善小排量高壓共軌柴油機(jī)的冷起動(dòng)時(shí)間，以期提高其冷起動(dòng)性能的同時(shí)滿足相應(yīng)的排放要求。

圖5 飛輪和預(yù)熱塞對(duì)冷起動(dòng)的影響

（3）本文以某1.0 L增壓直噴式柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，提出柴油機(jī)冷起動(dòng)的改進(jìn)方案，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。為了使柴油機(jī)冷起動(dòng)性能達(dá)到最佳，進(jìn)行了關(guān)鍵部件的優(yōu)選及匹配。具體措施是預(yù)熱部件的改進(jìn)（金屬預(yù)熱塞改為陶瓷預(yù)熱塞）、起動(dòng)部件的改進(jìn)（小飛輪改為大飛輪）和優(yōu)化冷起動(dòng)時(shí)間（預(yù)熱時(shí)間優(yōu)化、主噴時(shí)間優(yōu)化、起動(dòng)油量優(yōu)化、軌壓優(yōu)化）[6]。試驗(yàn)證明，通過各部件的優(yōu)選與匹配以及標(biāo)定優(yōu)化，改善了柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能，同時(shí)滿足了排放要求。

（4）研究過程中采用AⅤL測量系統(tǒng)，實(shí)施了以上各方案，并對(duì)各實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較詳細(xì)的對(duì)比研究。最終成功地使這款1.0 L柴油機(jī)達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)，并達(dá)到了排放法規(guī)的要求。

1李德桃著．柴油機(jī)冷起動(dòng)的基礎(chǔ)研究和改善措施[M]．北京：科學(xué)出版社，1997．

2Li D,Zhu X,He X,et al．Transient Combustion Process of an IDI Diesel Engine with Dual-Throat Jet at Cold-Starting[C]．SAE 960029．

3 Li D T,et al.,An Analysis of the Unsteady Combustion at Starting in a Swirl ChamberDiesel Engine in Cold starting,Proceeding of 2nd-APISCEU，1993.185-189.(Transactions of CSICE,Vol.1 2．(1994)No.1,29-35.)．

4 Zhu X G,Li D T．Investigation on Ignition and Combustion at Starting in a Swirl Chamber Diesel Engine with a Starting Throat,Proceedings of the Fifth International Pacific Conference on Automotive Engineering:Beijing,China,November 5-11,1989 Society of Automotive Engineers of China．

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圖5 活塞第一道環(huán)槽優(yōu)化的機(jī)油耗試驗(yàn)結(jié)果

圖6 活塞頭部間隙優(yōu)化和活塞第一道環(huán)槽優(yōu)化的機(jī)油耗試驗(yàn)結(jié)果

參考文獻(xiàn)

1王啟航，侯方，韓祖豪等．CA4DC2-10E4皮卡國IV排放樣車的開發(fā)[J]．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2012（4）．

2王啟航，韓祖豪，陳然等．匹配皮卡車型的半電控VE泵柴油機(jī)的開發(fā)[J]．柴油機(jī)，2012（3）．

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Ⅰmprovement of Cold Starting of Diesel Engine with High Pressure Common Rail Fuel System

Chen Rongzhang,Du Li
（Automotive School of Tongji University,Shanghai 201804,China）

Ⅰt usually takes longer time to start a small diesel engine with high pressure common rail system.To tackle this problem,the improvement of engine cold starting while meeting emissions regulation is carried out on a small diesel engine of one liter with some measures to intake heating device,flywheel inertia,common rail system,etc.And verification of the measures is made with relevant tests.The test results show that the measures are effective to the improvement of cold starting while the engine satisfies the emissions regulation.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.007

來稿日期：2013-11-08

陳榮章（1956-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚠a(chǎn)品營銷與管理、汽車后市場。