中型柴油机冷起动性能提升试验研究_刘汉辉.pdf

内燃机与配件 中型柴油机冷起动性能提升试验研究刘汉辉，赵令猛，黄威霖，龚伦，苏义统（广西玉柴机器股份有限公司，广西 南宁 ）摘要：国六柴油机冷起动性能对后处理 保护至关重要，本文分析了柴油机的冷起动性能较差的原因。通过对低温柴油喷射和雾化特性研究，得到了低温下柴油喷射量较常温降 ，贯穿距、油雾投影面积减小 和 的结果，基于此提出轨管和高压油管加热的措施。经冷起动试验对比，验证了方案的有效性和可行性，试验结果表明共轨管加热和高压油管加热在相同的试验条件下比没有加热的方案能显著改善起动性能，减小起动时间，实现更低温度的起动。关键词：共轨管加热；冷起动；柴油机中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；基金项目：高效能低排放商用车匹配控制开发技术研究及应用（桂科 ）作者简介：刘汉辉（），男，工程师；研究方向为柴油机性能开发，柴油机性能标定等。前言为了满足商用车（中国第六阶段）排放法规，（颗粒捕集器）已成为国六柴油机后处理系统的重要部件。容碳能力有限，柴油机低温环境起动能力变弱甚至出现多次起动不成功的现象。由于长时间起动形成大量的碳烟，导致 碳载量实际值远大于模型值，甚至 堵塞。再生触发时 存在高温烧毁的风险，因此国六柴油机低温起动性能好坏直接影响到 再生周期和再生安全。柴油机低温冷起动性能弱的主要原因如下：低温压缩上止点压缩压力和温度降低，活塞串气量大，可用于做功的混合气减少。低温柴油粘度变大，喷射雾化效果差，形成的可燃混合气质量差，发动机做功能力变弱。低温燃油雾化后进入气缸进一步降低压缩后气体温度，减少可燃气体占比。低温润滑油粘度变大，各运动副之间的摩擦阻力增加，起动需要克服更大阻力。国外有关学者对低温柴油在不同孔径喷嘴下雾化特性进行了研究，科学的阐述了孔径和环境温度对柴油雾特性的影响。但对于低温下实际喷油量和需求喷油量的关系研究甚少，特别是小油量和小轨压的研究不够细致。对柴油低温喷射雾化差的问题也没有提出有效的解决方案，部分文献有提及相关冷起动的改善措施，但主要是解决低温柴油流动性和其他燃烧方案。综上，本文以低温柴油喷射和雾化特性研究为基础，重点解决起动过程中低温燃油雾化和温度问题，提出了发动机喷油器“近端”共轨管加热和油管加热的方案，通过试验验证发动机冷起动性能改善情况。发动机油路加热位置选择柴油机通常情况下 内完成起动，起动时间超过 秒就意味着第一次起动失败。在低温环境下如果连续两次长时间不能起动，再起动成功的概率大大降低，主要原因如下：首先是电池的放电能力减弱，发动机的拖动转速越来越低；其次，多次起动未燃柴油堆积在燃烧室里面，难以形成较好的混合气。为了保证一次性起动成功，第一次起动前 秒就要让加热后的柴油喷入到气缸，故理论上油路加热的位置离喷嘴越近越好，通常的油路加热选在柴滤等低压油路处，加热点离喷油位置太远，加热后的柴油在起动过程根本无法进入到气缸。本文基于玉柴某国六四缸柴油机的油路进行分析，寻求合适的加热位置。根据表中各储油部件的储油体积，起动时油量消耗计算如下：环境温度为负 时，起动成功的判定转速为 。为了简化计算，取起动过程中间段转速为起动DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.010 年第期阶段平均转速，该发动机平均转速为 ，起动循环喷油量为开环喷射，平均油量为 ，喷油器有卸油功能，喷油器回油量根据喷油器供应商提供的结果，喷射压力为 ，油量需求为 时平均回油量为 。则起动过程中消耗高压油管和共轨管储油的时间为 ，消耗高压油路和油泵储油的时间为 ，有此可见，只有对高压油管或共轨管加热才能保证起动阶段加热后的柴油在 秒内喷入气缸。表玉柴某国六四缸柴油机油路主要体积参数储油部件储油体积（）共轨管 油泵 高压油管 柴滤到油泵入口管路 低温下喷油器流量和雾化特性试验 低温下喷油器流量特性图低温喷油量测试装置本文中采用的低温喷油器测试装置如图所示，主 要 包 括 低 温 油箱和 低 温 储 油 腔、温 度采集卡和高精度天平和信号 发 生 器 等，可 以 实现环境温度为 到 之 间 的 喷 油 实 验，高精度天平精度范围为 ，信号发生器可实现多次脉冲信号用于模拟喷油器加电信号。为了研究低温下多次喷射实际喷射油量和目标油量的关系，分别测试喷油器在 目标轨压之间不同目标主喷油量和预喷油量随温度的变化，测试结果如图所示。图预喷油量为 不同轨压下喷油趋势从图可以看出，“预喷主喷”的实际循环喷油量随着温度的下降同时降低。实际喷油量在低轨压、小脉宽条件下温环境的降幅影响更加明显：目标轨压主喷循环喷油量为 时，柴油温度负 相对 时主喷油量降低了约，温度低于 后，实际循环喷油量降低梯度加大出现拐点，此外轨压高于 时，柴油温度对实际喷射量的影响表现不显著，比 总油量降低不超过 。低温下喷油器喷雾特性试验条件：轨压 ，控制喷油脉宽 ，（目标油量 ）定容弹背压，测试温度范围为 ，利用高速摄像机对缸内喷雾结果进行捕捉，油束贯穿距和油雾面积结果分别如图和如图所示。图常温与低温下喷雾贯穿距离图常温与低温下喷雾的投影面积从图和图可以看出，低温条件下的喷雾贯穿距离、投影面积比常温条件下均有所减小，平均贯穿距低温比常温减小约为 ，平均投影面积减小约 。随着温度进一步降低，柴油的贯穿距和投影面积将进一步减小。综上试验结果表明，低温情况下柴油实际喷射量相对常温下降低，特别是在小轨压、小脉宽下油量降低幅度更加明显。由于预喷常温下喷射量较小（通常在 以下），因此为了保证预喷正常喷射，需要加大低温下预喷的喷射量，喷射量随温度的降低而增加；同时由于低温柴油粘度变差，投影面积和贯穿距都显著减小，且低温柴油会进一步降低混合气温度，为了改善混合气质量需要考虑对柴油进行加热。发动机冷起动试验结果 高压油路加热对冷起动性能改善对玉柴某国六缸机共轨管保温并布置电感加热线圈，为了在 的低温下快速加热燃油，本文加热设备采用 的功率，在冷起动实验前测试了 环境温度下共轨管加热效果，结果如图所示。图柴油加热时间从图试验结果看，温度随时间近乎线性上升，柴油在 的环境下升温到 的时间不超过分钟，确认了加热效果良好后在环境温度 下进行加热和不内燃机与配件 加热两种方案的起动效果对比，结果如图所示：图冷起动结果（机油温度）从图可以看出，在相同的机油温度（）下，使用共轨管加热的方案起动时间为 ，没有共轨管加热的方案起动时间 ，起动时间缩短 ；这主要是由于柴油加热后其雾化效果更好，加热后柴油束贯穿距和投影面积比低温大，形成质量更好的混合气；同时加热后柴油的温度进一步提升了混合气的温度，发动机做功变强，表现为发动机在起动过程中转速爬升的速率显著提升。预喷优化柴油预热对冷起动的改善根据上述 的结果可知，小轨压和小脉宽的油量需求下，实际油量相对需求油量减少了 左右，由于常温下预喷油量需求很小（通常不超过 ），因此在低温下需要加大两次预喷射的油量需求。一方面为了防止实际预喷油量过小导致喷油器喷不出来影响燃烧；另一方面多补偿的油量可以保证实际喷射量不小于常温状态的预喷油量。本文分别验证了两次预喷下不同预喷油量需求对冷起动效果的影响，预喷主要参数如表所示：预喷时序图表两次预喷油量需求方案机油温度预喷油量（）预喷油量（）常温 方案 方案 结合 共轨管预热的结果，机油温度下能快速起动成功，故为了验证共轨管加热方案的极限冷起动能力，尝试机油温度 的冷起动，同时对比无共轨管加热的方案，结果如图所示。从图可得到如下结论：如果两次预喷喷油量相对常温状态下加大倍的起动过程转速爬升速度比加大约倍的略缓慢，起动过程中表现出次明显的转速脉冲尖峰，且起动成功后怠速稳定性较差。这是由低温小油量喷射时，实际循环喷油降低显著，小油量喷射不稳定导致燃烧不稳定，因此要通过大幅度提升预喷需求油量才能改善燃烧的稳定性，尝试预喷油量加大只 再次试验。图 机油温度冷起动结果机油温度为 时，在优化预喷后的结果上，采用柴油共轨管加热的方案发动机能在 内快速起动，而没有加热的方案无法起动（起动时间达到 发动机转速仍无法爬升到判定起动成功的转速）试验结论通过本试验研究，得出如下结论：特定的循环喷油量下，实际环喷油量会随着柴油温度的下降而降低；温度为 时的喷油量比目标油量降低了约，在小油量和小轨压下，实际循环喷油量降低更为显著。随着柴油温度降低，喷油贯穿距和投影面积显著减小，油束雾化效果变差。低温条件下的喷雾贯穿距离、投影面积与常温条件下相比均有所降低：平均贯穿距低温比常温小了约 ，平均投影面积减小约小 。为了保证起动阶段加热后的柴油进入气缸，必须选择离喷油器越近的地方进行加热，试验结果表明采用共轨管加热满足上述要求，也便于实际安装。低温下加大预喷油量，机油温度 时预喷油量是常温预喷油量的倍左右，才能显著改善燃烧，提高怠速稳定性。、共轨管柴油加热的方式能改善低温起动性能和实现更低温度的起动，本文基于玉柴某国六四缸柴油机实现了 机油温下发动机快速一次性起动成功。参考文献：石智成，吴晗等重型柴油机低温环境喷雾及蒸发特性研究程内燃机工程，（）：，（）：楼狄明，徐岩等重型柴油机高海拔严寒冷起动性能试验研究内燃机工程，（）：，：鲍建军，宋双占，徐顺利等等满足极寒环境下的柴油机冷起动措施研究内燃机，：蒋齐秦，刘伍权，朱岩等等车用柴油机冷起动燃烧过程研究及相关技术分析小型内燃机与车辆技术，（）：