低溫環境下柴油機冷起動性能試驗研究

呂恩雨 余磊 朱波 賀捷

摘要： 為改善柴油機冷起動性能，對某排量為2.5 L、采用進氣加熱器預熱的柴油機開展環境溫度為-30 ℃極寒條件下的冷起動試驗，研究壓縮比、節氣門開度、預熱方式、控制策略等對柴油機冷起動性能的影響。試驗結果表明：壓縮比為17.0，采用進氣加熱器時，柴油機加熱時間較長，功率消耗大，無法正常起動；增大壓縮比和節氣門開度，能夠提高壓縮終了時缸內混合氣的壓力和溫度，改善低溫時柴油機的冷起動性能，但效果不佳；采用預熱塞預熱，柴油機起動迅速，起動時間為3.95 s，可有效提高柴油機冷起動性能；預熱塞和燃油油束的相對距離通常設置為0.4～2.0 mm。

關鍵詞： 柴油機；冷起動性能；壓縮比；預熱方式；控制策略；節氣門開度

中圖分類號：TK421.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0023-07

引用格式： ?呂恩雨，余磊，朱波，等.低溫環境下柴油機冷起動性能試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：23-29.

L ?Enyu， YU Lei， ZHU Bo， et al. Experimental study on low-temperature cold start performance of a diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：23-29.

0 引言

高壓共軌柴油機具有熱效率高、動力性和燃油經濟性好的特點，廣泛應用于各種運輸車輛、工程農業機械等領域。冷起動性能直接影響發動機的動力性、經濟性及排放性能，在低溫環境尤其在冬季環境溫度為-30 ～ 0 ℃的高寒地區，實現柴油機的快速冷起動至關重要。

低溫條件下，由于進氣溫度較低，柴油機零部件之間的間隙增大，氣缸漏氣現象更加明顯，導致實際壓縮比小于理論壓縮比。此外，低溫時燃油蒸發霧化效果較差，潤滑油黏度大，機械摩擦阻力較大，導致柴油機冷起動狀態下燃油經濟性較差，排放污染物較多，有時甚至難以起動。提升柴油機冷起動性能是柴油機發展的關鍵技術。為了保證柴油機在低溫條件下正常工作，應深入研究提高冷起動性能的關鍵技術措施和控制策略。

冷起動性能受諸多因素影響，主要包括壓縮比、渦流比等發動機結構參數，噴射次數、預噴射量、主噴正時、起動軌壓、預熱時間等控制策略，燃油品質、十六烷值等燃料特性，進氣加熱器、火焰加熱、預熱塞等輔助措施，起動機的拖動轉矩、轉速，潤滑油黏度，蓄電池性能等[1-2]。國內外眾多學者對柴油機的冷起動性能進行了大量研究，主要集中于優化柴油機結構、調整起動控制策略、加裝預熱系統等。常用的柴油機預熱系統包括缸內加裝預熱塞和進氣預熱裝置[3]。Broatch等[4]采用火焰進氣加熱的輔助措施，使柴油機在環境溫度為-40 °C以下的低溫條件下順利起動。杜巍等[5]基于V型柴油機設計了進氣火焰預熱系統并開展試驗研究，結果表明，采用進氣火焰預熱，起動時間明顯縮短，最大燃燒壓力和輸出轉矩波動減小，滯燃期縮短，著火過程發生后燃、循環失火的概率減小，燃燒更充分。Li等[6]通過在單缸柴油機和燃燒彈上進行試驗研究，發現混合氣體溫度最低為413 ℃，最低空氣、燃料當量比為0.15～0.35時，預熱塞與噴霧邊緣的距離、預熱塞溫度及氣體溫度是影響著火的重要因素。張怡軍等[7]采用不同預熱系統對柴油機進行冷起動試驗，發現空氣預熱的最低使用溫度為-25 ℃；火焰預熱的最低使用溫度為-35 ℃。Payri等[8]采用電熱式預熱器對進氣預熱11 s，發現柴油機轉速由0升高至1 150 r/min的時間僅為1.14 s，成功起動后轉速的波動范圍為±70 r/min。Pastor等[9]基于一臺高速可視化光學柴油機進行了預熱塞溫度和位置對缸內燃燒影響的試驗研究，發現安裝預熱塞可以有效促進缸內火焰的發生，且由于預熱塞的空氣流動可限制先導火焰發生。

雖然國內外對冷起動性能研究進行了一系列試驗，但是在不同低溫條件下柴油機仍然存在冷起動困難的問題，還需要進一步研究影響柴油機冷起動性能的關鍵因素，以改善低溫下冷起動性能，使柴油機在較寬溫度范圍內正常工作[10]。

本文中對柴油機進行冷起動試驗，通過改變柴油機的壓縮比、預熱方式和控制策略，研究并分析其對冷起動性能的影響，尋找解決柴油機冷起動困難、改善冷起動性能的途徑。

1 試驗裝置及試驗方法

本文中以匹配某輕型車排量為2.5 L的4缸、四沖程、直列、高壓共軌柴油機為研究對象，柴油機結構示意圖和試驗裝置圖如圖1所示，柴油機主要技術參數如表1所示。

柴油機壓縮比為17.0，采用進氣加熱器預熱，加熱器功率為1.5 kW，在環境溫度為-30 ℃的低溫條件下無法起動。冷起動是瞬態過程，冷起動持續時間是衡量冷起動性能的重要指標，氣缸壓縮結束時缸內溫度也是決定柴油機能否正常起動的基本因素[11-13]。本文中主要通過柴油機冷起動時間和壓縮終了時缸內壓力及溫度分析其冷起動性能。

已知循環過程中某一時刻的缸內壓力和體積，忽略竄氣質量損失，通過理想氣體狀態方程可計算出缸內混合氣對應的溫度。

氣缸體積

V= π D2R λ 1－ ??1－λ2 sin 2α ?+ 1－ cos ?α ?/4+V ?c ?， ?（1）

式中： D 為氣缸直徑，m； R 為氣缸半徑，m； λ 為曲柄連桿比， λ=R/L，其中L 為連桿長度，m； α 為曲柄連桿夾角，°； V ?c為燃燒室容積，m3。

理想氣體狀態方程[14]為：

pV=mR ?g T ， ?（2）

式中： p 為循環過程中某一時刻氣缸內壓力，MPa； R ?g為氣體狀態常數， R ?g=287 J/（kg · K）； m 為氣缸內空氣質量，kg； T 為氣缸內氣體的熱力學溫度，K。

試驗前，發動機和起動電池在設定的低溫條件下冷浸8 h左右，記錄潤滑油溫度、冷卻液溫度、電池電壓及冷庫大氣溫度；使用起動馬達起動發動機，馬達最大許用拖動時間為15 s，若發動機起動失敗，切斷起動馬達，待發動機冷卻后重復起動，本次記錄為起動失??；若起動成功，起動過程中使用Inca和Indicom軟件記錄缸壓、油壓、起動時間等參數，評估冷起動性能。

2 試驗結果及分析

2.1 壓縮比對冷起動性能的影響

為探究壓縮比對冷起動性能的影響，在環境溫度為-30 ℃時，采用進氣加熱器預熱方式，柴油機進行倒拖試驗和冷起動試驗，倒拖轉速為130～180 r/min，基本滿足起動需求。由于原機冷起動時間超過15 s，且無法起動，選取壓縮比分別為17.5、18.5，開展柴油機倒拖和冷起動試驗。不同壓縮比下倒拖缸內壓力及溫度分別如圖2、3所示，起動過程中柴油機轉速隨時間的變化曲線如圖4所示。

由圖2～4可知：當原機壓縮比為170時，壓縮終了時缸內壓力僅為30 MPa，缸內熱力學溫度為451 K，柴油著火臨界熱力學溫度為520 K左右，因此壓縮比為170時柴油機無法起動；當壓縮比為175時，壓縮終了時缸內壓力為33 MPa，熱力學溫度升高至517 K左右，起動時間為1795 s；當壓縮比為185時，壓縮終了時缸內壓力到達36 MPa，熱力學溫度升高至553 K左右，起動時間為1562 s。隨著壓縮比增大，缸內氣體與燃燒室壁面接觸面積減小，散熱損失較小，壓縮終了時缸內壓力和溫度均增大。因此，壓縮比越大，壓縮終了時缸內溫度和壓力越大，當壓縮終了時缸內壓力達到35 MPa以上，溫度達到柴油最低著火溫度520 K時，柴油機順利起動。增大壓縮比，冷起動性能雖然得到一定程度改善，但起動時間仍大于15 s，可見增大壓縮比對柴油機的冷起動性能改善效果不明顯。

2.2 節氣門開度對冷起動性能的影響

環境溫度較低時，柴油機的進氣溫度也較低，溫度較低的空氣與燃油在燃燒室內混合，混合氣溫度低于柴油的燃點，導致柴油機無法起動[15-16]；雖然在某些條件下能夠起動但混合氣燃燒不穩定，易發生失火現象[17]。為提高進入氣缸內空氣的溫度，在環境溫度為-30 ℃時通過調節節氣門開度研究其對冷起動性能的影響。不同節氣門開度下的缸內倒拖壓力如圖5所示，缸內倒拖壓縮熱力學溫度如圖6所示，起動過程中轉速隨時間的變化曲線如圖7所示。

由圖5～7可知：當節氣門開度為0時，壓縮終了時缸內壓力僅為30 MPa，壓縮終了缸內溫度為451 K，而柴油著火臨界溫度在520 K左右，柴油機無法起動；當節氣門開度為70%時，壓縮終了時缸內壓力為32 MPa，溫度為507 K，柴油機無法起動；當節氣門開度為80%時，壓縮終了時缸內壓力為35 MPa，溫度為529 K，柴油機順利起動，起動時間為15 s。主要原因為節氣門開度越大，進入氣缸內的低溫空氣越少，低溫空氣引起的熱能損失越少，缸內燃燒室壁面溫度越高，倒拖缸內壓力和溫度也越高，壓縮上止點時刻缸內溫度更接近柴油的自燃溫度，柴油機更容易起動，冷起動性能更好。

2.3 控制策略對冷起動性能的影響

試驗原機所采用的冷起動控制策略為單次預噴射和主噴射，采用進氣加熱器預熱，前預熱時間為30 s，起動轉矩為300 N · m。由于軌壓對燃油霧化起決定作用，開展環境溫度為-30 ℃、不同起動軌壓下的冷起動試驗，研究軌壓對于冷起動性能的影響，不同軌壓下柴油機起動過程中轉速隨時間的變化曲線如圖8所示。

由圖8可知：原機起動軌壓為35 MPa時，柴油機無法起動；當軌壓增大至50 MPa時，柴油機順利起動，但排氣伴有濃黑煙，起動時間為695 s；起動軌壓進一步增大至60 MPa，柴油機迅速起動，起動時間為430 s。這是因為隨著軌壓增大，燃油霧化效果更好，起動后轉速穩定較快，且煙度較小，柴油機冷起動性能得到有效改善。軌壓較高有利于燃油霧化，提升缸內溫度和壓力，縮短著火延遲期，但軌壓不宜設置過大或過小，軌壓過小，燃油霧化效果較差，油氣混合氣易燃燒不完全，起動困難；軌壓過大，油束貫穿距較大，油束與空氣混合時間較短，燃油落在燃燒室上方，燃燒性能較差。此外，若怠速階段軌壓設置過高，發動機怠速運行時，軌壓不易達到設定軌壓，或即使達到設定軌壓，但波動較大，怠速運轉魯棒性較差，因此該方案雖能實現快速起動，但不是最佳方案。

2.4 預熱方式對冷起動性能的影響

進氣加熱器和預熱塞是常見的冷起動輔助裝置，進氣加熱器結構簡單、成本較低，但耗電較大、熱量損失較大，預熱時間為3～6 min；預熱塞的預熱時間小于55 s，升溫速率快、耗電少，但結構復雜、加熱范圍較小。進氣加熱器通過加熱吸入氣缸的空氣，為柴油機提供足夠高的空氣溫度，起動速度較快。預熱塞對缸內油束進行加熱，為穩定著火和燃燒提供更豐富、更有利的環境。預熱塞能夠快速升溫至工作溫度，通電時間為3～7 s，電熱絲的最高溫度可達1 000～1 100 ℃。預熱塞材料一般有金屬型和陶瓷型2種，陶瓷型預熱塞比金屬型預熱塞加熱溫度高200 ℃左右，加熱時間較長，成本較高。在原機進氣加熱器預熱方式基礎上，優化壓縮比和節氣門開度后，柴油機雖成功起動，但起動時間仍較長，不能有效改善柴油機冷起動性能，因此在原機基礎上，將預熱方式改為金屬型預熱塞預熱。

壓縮比為17.0、環境攝氏溫度為-30 ℃時，對柴油機進行冷起動試驗，不同預熱方式下柴油機起動轉速隨時間的變化曲線如圖9所示。由圖9可知：柴油機采用進氣加熱器預熱，起動失??；當采用預熱塞預熱，預熱時間為12～15 s時，柴油機迅速起動，起動時間僅為3.95 s，冷起動性能大幅改善。主要原因是：加熱器預熱時，進氣管到缸內過程中被加熱的空氣熱損失較多，缸內混合氣溫度不能達到柴油最低著火溫度；而預熱塞預熱方式直接加熱缸內混合氣，加熱效率更高，燃油開始汽化的時間提前，擴散速度加快，燃油汽化量增大，著火延遲期縮短，柴油機迅速起動，可實現燃燒較穩定。另外，預熱塞耗電較少，對蓄電池性能要求不高，更適合本試驗中排量為2.5 L柴油機。

綜上，在原機基礎上采用金屬型預熱塞預熱方式為本文中柴油機冷起動試驗的最佳方案，排量小于3 L的小排量柴油機宜采用預熱塞輔助裝置以滿足在極寒條件下的冷起動要求。排量大于3 L的柴油機，考慮成本及復雜的結構，一般采用進氣加熱器預熱。主要原因為：1）預熱塞加熱范圍較小，加熱不均勻，燃燒循環波動較大，振動噪聲大，柴油機成功起動后，預熱塞影響燃油噴射發展，造成燃燒特性惡化；排量大于3 L的柴油機缸徑較大，相同功率的預熱塞加熱效果較差；2）排量大于3 L的柴油機起動時噴油量較多，相當于增大了壓縮比，缸內壓縮壓力和溫度更高，混合氣更容易著火，柴油機采用進氣加熱器即可順利起動，采用預熱塞成本較高，且缸蓋結構復雜，影響進氣渦流形成和缸內燃燒過程，因此排量大于3 L的柴油機宜采用進氣加熱器預熱。

2.5 預熱塞和油束的相對位置對冷起動性能的影響

當采用預熱塞預熱時，預熱塞和油束的相對位置至關重要，兩者相對距離影響冷起動性能。預熱塞與油束之間的最小距離 L ?1的示意如圖10所示。

預熱塞和油束之間的距離過大，油束溫度較低，霧化效果較差，不易起燃；距離過小，部分油束落在預熱塞上，該部分油束可能直接發生高溫裂解，燃油燃燒性能變差，造成油耗和排放較高，但距離越小冷起動性能越好。不同發動機的預熱塞位置不同，但多布置在進氣渦流方向下沿，且預熱塞與油束之間應設計適宜的距離，通常 L ?1=0.4～2.0 mm。柴油機起動時，部分油束借助渦流被吹到預熱塞附近，燃油被快速加熱，燃油迅速蒸發，能夠快速提高混合氣的溫度，達到混合氣的燃點，一旦局部發生著火，燃燒體積快速膨脹，進而點燃缸內混合氣，柴油機順利起動。

3 結論

1）增大壓縮比、增大節氣門開度、優化冷起動控制策略和采用預熱塞預熱方式均能改善冷起動性能；增大壓縮比、節氣門開度均可提高柴油機缸內壓縮壓力，僅當壓縮終了時缸內倒拖壓力不小于3.5 MPa、溫度不低于520 K時，柴油機能夠順利起動，但起動時間仍較長。

2）合適的冷起動控制策略可以顯著改善冷起動性能，當起動軌壓為35～60 MPa時，軌壓越大，起動時間越短，冷起動性能越好。

3）預熱塞預熱方式能夠有效提高柴油機缸內混合氣溫度，起動時間為3.95 s，冷起動性能得到大幅改善；3 L以下小排量柴油機宜采用預熱塞輔助裝置。

4）預熱塞與油束之間的距離影響冷起動性能，通常設計為0.4～2.0 mm，距離越小冷起動性能越好。

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Experimental study on low-temperature cold start performance of

a diesel engine

L ?Enyu， YU Lei， ZHU Bo， HE Jie

Anhui Quanchai Power Co. ， Ltd. ， Chuzhou 239500， China

Abstract： In order to improve the cold start performance of diesel engine， based on a 2.5L diesel engine with preheating mode of intake heater， a cold start experiment is carried out under extremely cold ambient temperature of -30 ℃. And the effects of compression ratio， throttle opening， preheating mode and fuel injection control strategy on the cold start performance of diesel engine are studied. The experiment results show that when the compression ratio is 17.0 and the intake heater is used， the diesel engine takes a long time to heat up and consume a lot of power， it cannot be started normally. Increasing the compression ratio and throttle opening can increase the pressure and temperature of the mixture in the cylinder at the end of compression， and improve the cold start performance of diesel engine at low temperature， but the effect is limited. The diesel engine starts quickly with the preheating plug， and the starting time is 3.95 s，which can effectively improve the cold start performance of diesel engine. The relative distance between the glow plug and the fuel beam is usually 0.4-2.0 mm.

Keywords： diesel engine; cold start performance; compression ratio; preheating mode; control strategy; throttle opening

（責任編輯：劉麗君）