某小排量高壓共軌柴油機冷起動改善

陳榮章，杜立

（同濟大學汽車學院，上海201804）

某小排量高壓共軌柴油機冷起動改善

陳榮章，杜立

（同濟大學汽車學院，上海201804）

冷起動時間較長是小排量高壓共軌柴油機所面臨的問題之一。研究改善小排量高壓共軌柴油機的冷起動時間的同時，考慮滿足相應的排放要求。以某排量為1 L的柴油機為研究對象，提出柴油機冷起動改進的方案，并對預熱部件、飛輪、燃油系統進行優化與改進進行了相關的試驗。試驗結果表明，這些措施改善了柴油機的冷起動性能，同時也滿足了排放要求。

柴油機高壓共軌冷起動改進

1 概述

某小排量高壓共軌系統柴油機在北方寒冷地區，冬季冷起動時間較長。針對這個問題，對此款柴油機進行了一些改進和優化，比如改變預熱塞、更換大飛輪、優化預熱時間、優化主噴時間、增加起動油量等以改善冷起動性能；并通過分析實驗數據驗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的冷起動時間，以期提高其冷起動性能的同時并滿足相應的排放要求。如何合理匹配高壓共軌系統是滿足柴油機性能、可靠性及排放要求的關鍵。

2 柴油機試驗設備和試驗方案

2.1 柴油機基本參數

該柴油機的基本參數如表1所示。

表1 柴油機基本參數

2.2 試驗方案

因為項目進展和時間的限制，起動時間的優化著重是在-25℃時柴油機的起動性能，并且在安裝大飛輪和陶瓷預熱塞的情況下進行。

起動時間是衡量低溫起動性能的一個重要參數。起動時間可以通過標定來優化[1]。發動機由靜止狀態過渡到工作狀態，需要外力轉動曲軸，在外力作用下曲軸從開始轉動到發動機開始自動怠速運轉的全過程，稱為發動機的起動。

發動機起動時，必須克服氣缸內被壓縮氣體的阻力和發動機本身及其附件相對運動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動機的起動轉矩，保證發動機順利起動所必需的曲軸轉速為起動轉速。

試驗方案如下：

預熱時間優化；

主噴時間優化；

起動油量優化；

軌壓優化；

2種硬件配置對冷起動時間的影響。

3 優化實驗結果與分析

3.1 預熱時間優化

如圖1所示，預熱15 s時起動時間為44 s，預熱25 s時起動時間降為37 s，但是煙度從20%增加為36%[2]。綜合考慮，預熱時間設定為15秒。

圖1 預熱時間對冷起動的影響

從試驗的結果看，在-27℃下，采用金屬預熱塞和小飛輪起動失敗；采用陶瓷預熱塞和大飛輪的起動時間在36.5秒。在-17℃的情況下，起動時間改善更為明顯。大飛輪可以儲存更多動能以克服發動機的摩擦，減緩發動機轉速降低太快。采用陶瓷預熱塞可以改善燃燒有助于起動[3]。關于怠速，發動機起動前轉動時間長有助于怠速的穩定。起動前較長時間的轉動降低了發動機的摩擦，所以怠速會比較穩定。相同的起動前轉動時間，安裝大飛輪和陶瓷預熱塞后發動機的怠速相比安裝小飛輪的穩定。

3.2 主噴時間優化

電控高壓共軌系統能實現多次噴射功能，從而大大提高了柴油機的綜合性能。多次噴射可分為:預噴（PⅠ）、主噴（MⅠ）和后噴（PoⅠ）。

本次試驗中，共選擇了4種主噴提前角，分別為上止點前1、2、3和4.5℃A.。從圖2中可以看到，主噴提前角上止點前1℃A時起動時間為37 s，2℃A時起動時間為44 s，3℃A時為41 s，4.5℃A時為35 s。其中1℃A和4.5℃A都可以縮短起動時間，降低起動煙度[4]。綜合考慮煙度和起動時間，最終主噴提前角選取上止點前4.5℃A。

圖2 噴油定時對冷起動的影響

3.3 起動油量優化

起動油量對冷起動的影響如圖3所示。50 mg和60 mg的起動油量對起動時間影響很小；但是60 mg起動油量的煙度略高于50 mg時的煙度，因此選取起動油量為50 mg。

3.4 高壓油軌軌壓優化

高壓共軌軌壓對冷氣動的影響如圖4所示。當高壓油軌軌壓由32 MPa調整到37 MPa時，雖然煙度有所增加，但是起動時間由44 s縮短到38 s，改善十分明顯，因此軌壓選擇37 MPa。

3.5 飛輪和預熱塞更改

飛輪慣量和預熱塞預熱性能對冷起動的影響如圖5所示。大飛輪+陶瓷預熱塞比小飛輪+金屬預熱塞對改善冷起動時間有明顯的效果。

圖3 起動油量對冷起動的影響

圖4 高壓軌壓對冷起動的影響

4 結論

本文圍繞小排量高壓共軌系統柴油機冷起動的優化展開討論，并最終通過相關實驗對此進行了相關驗證，得到主要結論如下：

（1）高壓共軌燃油系統在噴油壓力、噴油定時、噴油規律和噴油量上可以實現靈活、準確控制，因而能夠很好地滿足柴油機對燃油系統的要求[5]。燃油系統是提高柴油機經濟性和排放性的關鍵技術之一，故高壓共軌燃油系統對發展先進的柴油機意義巨大。

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

圖5 飛輪和預熱塞對冷起動的影響

（3）本文以某1.0 L增壓直噴式柴油機為研究對象，采用計算與試驗研究相結合的方法，提出柴油機冷起動的改進方案，并進行了相關的試驗。為了使柴油機冷起動性能達到最佳，進行了關鍵部件的優選及匹配。具體措施是預熱部件的改進（金屬預熱塞改為陶瓷預熱塞）、起動部件的改進（小飛輪改為大飛輪）和優化冷起動時間（預熱時間優化、主噴時間優化、起動油量優化、軌壓優化）[6]。試驗證明，通過各部件的優選與匹配以及標定優化，改善了柴油機的冷起動性能，同時滿足了排放要求。

（4）研究過程中采用AⅤL測量系統，實施了以上各方案，并對各實驗結果進行了比較詳細的對比研究。最終成功地使這款1.0 L柴油機達到預期性能目標，并達到了排放法規的要求。

1李德桃著．柴油機冷起動的基礎研究和改善措施[M]．北京：科學出版社，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．

5蔣德明.高等內燃機原理[M]．西安：西安交通大學出版社，2002．

6梁金廣，于秀敏，王云開.進氣預熱對電控柴油機起動性能的研究[J]．汽車技術，2007（2）：30-32．

圖5 活塞第一道環槽優化的機油耗試驗結果

圖6 活塞頭部間隙優化和活塞第一道環槽優化的機油耗試驗結果

參考文獻

1王啟航，侯方，韓祖豪等．CA4DC2-10E4皮卡國IV排放樣車的開發[J]．柴油機設計與制造，2012（4）．

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

3王啟航，王永紅，蘇慶運等．現代車用柴油機實用技術[M]．大連：大連理工大學出版社，2012．

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.

diesel engine,high pressure common rail,cold starting,impromenet

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.007

來稿日期：2013-11-08

陳榮章（1956-），男，工程師，主要研究方向為汽車產品營銷與管理、汽車后市場。