陳月春，李素婷，王霞，王興元，李蘭菊

1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機(jī)低溫啟動(dòng)性能是評(píng)價(jià)柴油機(jī)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)[1-5]。柴油機(jī)低溫啟動(dòng)過(guò)程中，由于進(jìn)氣溫度低，曲軸轉(zhuǎn)速低，熱量散失和漏氣量大等，造成壓縮行程終了時(shí)氣缸內(nèi)的溫度和壓力過(guò)低，使缸內(nèi)燃料的熱力狀態(tài)極不穩(wěn)定，易導(dǎo)致啟動(dòng)初期缸內(nèi)著火時(shí)斷時(shí)續(xù)，且極易發(fā)生失火現(xiàn)象。同時(shí)柴油機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)蓄電池的端電壓降低，容量減少，加之機(jī)油黏度大，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大等，從而導(dǎo)致低溫啟動(dòng)失敗[6-7]。

柴油機(jī)燃油及時(shí)著火和燃燒，必須具備燃油與空氣混合成一定數(shù)量的可燃混合氣與可燃混合氣達(dá)到一定溫度這兩個(gè)基本條件[8-13]。在柴油機(jī)低溫啟動(dòng)的眾多影響因素中，進(jìn)氣溫度低是導(dǎo)致啟動(dòng)失敗的一個(gè)重要因素，進(jìn)氣溫度低造成活塞到達(dá)壓縮沖程上止點(diǎn)時(shí)混合氣的溫度低，不利于達(dá)到柴油的自燃條件。研究表明：進(jìn)氣溫度每降低 1 ℃，最高壓縮溫度降低約 2 ℃。壓縮溫度降低使燃油霧化變差，著火延遲期變長(zhǎng)，從而增加了冷啟動(dòng)的難度[14]。

為了改善柴油機(jī)的低溫啟動(dòng)效果，通常采用進(jìn)氣加熱格柵對(duì)啟動(dòng)階段進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體進(jìn)行預(yù)熱，提高進(jìn)氣溫度，從而提高壓縮終了氣缸內(nèi)可燃混合氣的溫度。缸內(nèi)可燃混合氣溫度的提高，一方面可以防止已霧化的柴油重新液化，促進(jìn)燃燒室內(nèi)燃料的蒸發(fā)與霧化，改善缸內(nèi)可燃混合氣的質(zhì)量，改善燃燒條件;另一方面,可以提高燃燒速度，使柴油燃燒的能量集中釋放[15]，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的溫度下著火啟動(dòng)[16-17]。

本文在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在低溫冷倉(cāng)進(jìn)行進(jìn)氣預(yù)熱對(duì)柴油機(jī)低溫啟動(dòng)性能的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為濰柴電控4缸增壓中冷直噴式國(guó)VI柴油機(jī)(WP3N)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)在濰柴低溫冷倉(cāng)中進(jìn)行, 該冷倉(cāng)內(nèi)環(huán)境溫度由制冷機(jī)組控制，最大可支持排量為30 L的柴油機(jī)冷啟動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)冷倉(cāng)內(nèi)的溫度設(shè)定為-45～25 ℃, 靜態(tài)下溫度波動(dòng)誤差不超過(guò)±0.5 ℃。主要試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

為研究啟動(dòng)過(guò)程中柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒情況，使用燃燒分析儀監(jiān)控啟動(dòng)過(guò)程中缸內(nèi)的燃燒情況，在柴油機(jī)第4缸氣缸蓋上安裝2893A型壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)第4缸燃燒時(shí)的氣缸壓力，該傳感器響應(yīng)頻率為 75 kHz，測(cè)量范圍為0～25 MPa，絕緣性能好，熱誤差小。采用電荷放大器對(duì)氣缸壓力傳感器測(cè)量的電荷信號(hào)進(jìn)行放大，并將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣缸壓力信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速信號(hào)由轉(zhuǎn)速傳感器采集, 進(jìn)氣溫度、潤(rùn)滑油溫度信號(hào)由溫度傳感器采集。

1.2 試驗(yàn)方案

1)有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱

設(shè)定冷倉(cāng)溫度為-15 ℃，采用適當(dāng)功率的起動(dòng)電源通過(guò)啟動(dòng)機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī)，控制每次啟動(dòng)電壓一致，保證每次啟動(dòng)的拖動(dòng)扭矩相同，進(jìn)行柴油機(jī)有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱啟動(dòng)試驗(yàn)。

①無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱試驗(yàn)。維持冷倉(cāng)溫度為-15 ℃，不預(yù)熱進(jìn)氣，按下啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)柴油機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中采集氣缸壓力、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、水溫、機(jī)油溫度等參數(shù)。

②進(jìn)氣預(yù)熱試驗(yàn)。在進(jìn)氣管靠近氣缸進(jìn)氣門的位置安裝功率為1.8 kW的進(jìn)氣加熱格柵，并在進(jìn)氣加熱格柵后3 cm處管路上安裝溫度傳感器，對(duì)格柵預(yù)熱效果進(jìn)行監(jiān)控。啟動(dòng)前通過(guò)軟件設(shè)定15 s預(yù)熱時(shí)間，采用溫度傳感器測(cè)試預(yù)熱后溫度，達(dá)到預(yù)熱時(shí)間后，按下啟動(dòng)按鈕進(jìn)行啟動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中采集參數(shù)與無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱試驗(yàn)相同。

2)采用不同功率格柵預(yù)熱進(jìn)氣

在進(jìn)氣管上分別安裝功率為1.2、1.8 kW的進(jìn)氣加熱格柵，設(shè)定冷倉(cāng)溫度為-30 ℃，啟動(dòng)前通過(guò)軟件設(shè)定60 s預(yù)熱時(shí)間，通過(guò)溫度傳感器測(cè)試預(yù)熱溫度，預(yù)熱結(jié)束后按下啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)過(guò)程中采集參數(shù)同方案1)。

2 試驗(yàn)結(jié)果處理

2.1 有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱

有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)柴油機(jī)低溫啟動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同低溫環(huán)境下，有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)間分別為2.1、23.5 s，前者啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短；有進(jìn)氣預(yù)熱的柴油機(jī)在第 2個(gè)工作循環(huán)開始著火，且能自持燃燒，無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)柴油機(jī)在啟動(dòng)45個(gè)工作循環(huán)后才能自持燃燒。

圖2為有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)柴油機(jī)低溫啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速對(duì)比。相同低溫環(huán)境下，柴油機(jī)啟動(dòng)前使用進(jìn)氣預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后，接通啟動(dòng)開關(guān)，柴油機(jī)著火迅速，在1.2 s內(nèi)轉(zhuǎn)速上升至較高值，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程不存在失火現(xiàn)象；無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，由于柴油機(jī)缸內(nèi)著火條件差且各缸條件不一致，導(dǎo)致出現(xiàn)頻繁失火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速波動(dòng)劇烈，在第9個(gè)工作循環(huán)時(shí)柴油機(jī)瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速超過(guò)啟動(dòng)切斷轉(zhuǎn)速，電子控制單元(electronic control unit,ECU)判斷柴油機(jī)啟動(dòng)成功，但由于各缸內(nèi)燃燒存在差異，柴油機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速一直處于波動(dòng)狀態(tài)，直到第45個(gè)循環(huán)才能自持燃燒。

圖2 有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱柴油機(jī)低溫啟動(dòng)性能對(duì)比

使用燃燒分析儀對(duì)進(jìn)氣預(yù)熱柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的燃燒參數(shù)進(jìn)行分析。圖3、4分別為有、無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的氣缸壓力曲線。由圖3可知：柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中第1個(gè)工作循環(huán)第4缸的氣缸壓力為3.6 MPa，該循環(huán)是對(duì)缸內(nèi)氣體進(jìn)行壓縮但缸內(nèi)并未著火。第2個(gè)工作循環(huán)缸內(nèi)開始著火，氣缸壓力升至9.2 MPa，著火后柴油機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增加，缸內(nèi)混合氣流增強(qiáng)，燃油霧化條件改善，同時(shí)燃燒廢氣對(duì)氣缸蓋、缸壁及活塞進(jìn)行加熱，使零部件表面溫度上升，增加了缸內(nèi)混合氣的活化能，且燃燒后的殘余廢氣在下一進(jìn)氣行程中與進(jìn)入氣缸的新鮮氣體混合，進(jìn)一步改善了混合氣的霧化條件，有利于形成易點(diǎn)燃的混合氣，為第2次著火創(chuàng)造了條件，如此循環(huán)往復(fù)，燃燒條件逐漸得到改善。第3個(gè)工作循環(huán)時(shí)氣缸壓力已達(dá)到正常燃燒壓力，說(shuō)明啟動(dòng)前對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱有利于缸內(nèi)的油、氣混合，使之達(dá)到柴油著火燃燒的條件，縮短了滯燃期，改善了柴油機(jī)的低溫啟動(dòng)性能。

圖3 柴油機(jī)有進(jìn)氣預(yù)熱啟動(dòng)時(shí)的氣缸壓力

a)第1～3循環(huán) b)第4～6循環(huán) c)第7～9循環(huán)圖4 柴油機(jī)無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱啟動(dòng)時(shí)的氣缸壓力

由圖4可知：第1個(gè)工作循環(huán)氣缸壓力與有進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)第1工作循環(huán)一致，但前3個(gè)工作循環(huán)中缸內(nèi)無(wú)燃燒，到第4個(gè)工作循環(huán)時(shí)缸內(nèi)有著火現(xiàn)象，最大氣缸壓力升至約4.0 MPa，說(shuō)明缸內(nèi)有燃燒跡象，但由于缸內(nèi)混合氣體活性能較低，大部分燃油并未產(chǎn)生有效扭矩，對(duì)曲軸無(wú)做功行為，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力偏小，第5個(gè)循環(huán)至第8個(gè)循環(huán)缸內(nèi)壓力降至3.5 MPa左右，缸內(nèi)無(wú)著火，到第9個(gè)循環(huán)時(shí)，氣缸壓力逐步接近正常燃燒時(shí)的水平，說(shuō)明柴油機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)，無(wú)進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)不利于缸內(nèi)氣體混合，缸內(nèi)氣體壓縮溫度降低，滯燃期急劇增加，使著火時(shí)刻推遲，燃燒速率降低，導(dǎo)致循環(huán)功率不足甚至熄火，使柴油機(jī)不能迅速啟動(dòng)。

2.2 不同功率格柵進(jìn)氣預(yù)熱

1)預(yù)熱升溫情況

采用1.2 kW格柵，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前預(yù)熱60 s，預(yù)熱后格柵后氣體最高溫度為63.7 ℃，此時(shí)停止加熱并啟動(dòng)柴油機(jī)，啟動(dòng)過(guò)程中，進(jìn)氣管內(nèi)的氣體通過(guò)格柵加熱后吸入氣缸，格柵后氣流最高溫度可達(dá)185.2 ℃，溫升速率為1.58 ℃/s；采用1.8 kW格柵，預(yù)熱后格柵后氣體最高溫度為153.9 ℃，啟動(dòng)過(guò)程中最高溫度可達(dá)263.0 ℃，溫升速率為3.61 ℃/s。

2)啟動(dòng)性能曲線

圖5為采用2種功率格柵加熱進(jìn)氣時(shí)的啟動(dòng)曲線，由圖5可知：在環(huán)境溫度和啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間相同時(shí)，格柵加熱功率大者啟動(dòng)用時(shí)較短。

圖5 柴油機(jī)低溫啟動(dòng)性能曲線 圖6 第1個(gè)工作循環(huán)壓縮上止點(diǎn)的缸內(nèi)溫度

3)第1個(gè)工作循環(huán)壓縮上止點(diǎn)的缸內(nèi)溫度

圖6為2種功率格柵在啟動(dòng)第1個(gè)工作循環(huán)活塞到達(dá)壓縮上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)的溫度對(duì)比。由圖6可知：分別采用1.2、1.8 kW格柵預(yù)熱進(jìn)氣時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在第1個(gè)工作循環(huán)壓縮上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)的溫度分別為480、550 ℃，說(shuō)明采用大功率格柵對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱有助于改善缸內(nèi)混合氣的狀態(tài)，進(jìn)氣溫度的增加有利于燃油在缸內(nèi)充分混合與蒸發(fā)，同時(shí)提高了壓縮上止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)溫度，保證首循環(huán)可靠著火，首循環(huán)的可靠著火會(huì)進(jìn)一步降低缸內(nèi)濕壁現(xiàn)象的發(fā)生，形成良性的燃燒循環(huán)。

4)著火提前角

圖7為燃燒分析儀測(cè)試的2種格柵預(yù)熱時(shí)燃燒前100個(gè)循環(huán)內(nèi)的著火提前角(圖7中0°對(duì)應(yīng)活塞壓縮上止點(diǎn))，在燃燒分析軟件中定義累積熱量5%的壓縮上止點(diǎn)前角度作為著火提前角。由圖7可知：采用1.8 kW格柵時(shí)柴油機(jī)起始著火提前角為3.36°，且前35個(gè)循環(huán)的燃燒起始著火提前角均在活塞壓縮上止點(diǎn)之前，原因可能是起始階段缸內(nèi)溫度達(dá)到了柴油的自燃溫度，噴入氣缸的柴油經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理化學(xué)(霧化、蒸發(fā)、擴(kuò)散、與空氣混合)準(zhǔn)備階段，缸內(nèi)壓力和溫度升高；而采用1.2 kW格柵，柴油機(jī)起始著火提前角為1°，從第9個(gè)工作循環(huán)開始，著火時(shí)刻變?yōu)樯现裹c(diǎn)后，由于啟動(dòng)初期進(jìn)氣溫度不及采用1.8 kW格柵時(shí)高，導(dǎo)致燃燒推遲，滯燃期加長(zhǎng)。隨著轉(zhuǎn)速增加，流經(jīng)格柵的氣體溫度逐漸下降，且由于缸內(nèi)燃燒使零部件溫度達(dá)到了合適的燃燒溫度，進(jìn)氣預(yù)熱的影響逐漸消失，最后60個(gè)工作循環(huán)中采用1.8 kW與1.2 kW格柵的燃燒起始著火提前角幾乎無(wú)差異。因此低溫環(huán)境下采用大功率格柵能大幅度提升進(jìn)氣溫度，從而改善缸內(nèi)燃油的霧化效果，提升了柴油機(jī)的低溫啟動(dòng)性能。

圖7 不同預(yù)熱功率的燃燒起始著火提前角

3 結(jié)論

1)進(jìn)氣溫度對(duì)柴油機(jī)低溫冷啟動(dòng)燃燒有很大影響，提高進(jìn)氣溫度能明顯改善低溫下的啟動(dòng)性能，進(jìn)氣預(yù)熱充分時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣在第2個(gè)工作循環(huán)能自行著火燃燒。

2)采用1.8 kW格柵較1.2 kW格柵預(yù)熱進(jìn)氣時(shí)柴油機(jī)第1個(gè)工作循環(huán)壓縮上止點(diǎn)缸內(nèi)溫度提升70 ℃。

3)進(jìn)氣溫度影響柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的滯燃期，進(jìn)而影響燃燒起始著火提前角。