柴油機起動性能及煙度優化的試驗研究

陳月春　吳心波　曾笑笑　馬文娟　李素婷

摘要：為改善柴油機起動性能并降低起動過程的煙度，以某款國六輕型柴油機為研究對象，采用車載483煙度計實時測量起動過程煙度，開展起動轉矩、軌壓、主噴角度、起動過程開關廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）閥對柴油機起動性能和煙度影響的試驗研究。試驗結果表明：增大起動轉矩能明顯改善柴油機起動性能，軌壓、主噴角度、起動過程開關EGR閥對起動性能影響不大；適當增大起動轉矩、增大軌壓、減小主噴角度、關閉EGR閥均能降低柴油機起動煙度。

關鍵詞：柴油機；起動性能；煙度

中圖分類號：TK421文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0027-04

引用格式：陳月春，吳心波，曾笑笑，等. 柴油機起動性能及煙度優化的試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（5）：27-30.

CHEN Yuechun， WU Xinbo， ZENG Xiaoxiao， et al. Experimental study on optimization of starting performance and smoke for diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：27-30.

0 引言

柴油機具有熱效率高、輸出功率大、燃油消耗低等優點，被廣泛應用在各個領域。隨著柴油機的大量應用，柴油機排放導致的大氣污染日益加劇。柴油機排放污染物中顆粒物（particulate matter，PM）較多，大氣中超過20%的PM2.5來源于柴油機排放[1-2]。柴油機的起動性能不僅影響工作效率，還影響整車的煙度水平，是柴油機重要性能指標之一[3-5]。文獻[6]中規定輕型車輛應進行常溫下和低溫下起動后的污染物試驗，要求將起動階段的排放污染物納入計算，因此，在保證柴油機起動性能的基礎上，降低起動過程中煙度尤為重要。

受進氣及供油等綜合因素影響，柴油機起動階段冒黑煙的主要原因是進氣量與供油量匹配不合理導致燃料不完全燃燒[7-11]。國內不少學者通過試驗或仿真對降低柴油機煙度展開研究：樓狄明等[12]從增大供油提前角及起動轉矩角度出發，提出了對起動過程滯速階段改善的優化理念，提升了柴油機在高原環境下的起動性能；彭海勇[13]研究了廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）對柴油機起動過程的影響，指出柴油機起動階段適當開啟EGR閥，能有效改善缸內混合氣的著火燃燒性能，可有效提升柴油機起動性能。

本文在已有研究成果基礎上，以某輕型柴油機為研究對象，以保證柴油機起動性能及降低起動階段碳煙的質量濃度（簡稱煙度）為研究目標，采用車載483煙度計對起動階段煙度進行實時測量，開展發動機起動轉矩（起動噴油量）、主噴角度、軌壓及起動階段開啟、關閉EGR閥4個因素對柴油機起動性能及煙度影響的試驗研究，為后續柴油機起動性能提升及煙度優化提供參考。

1 試驗設備與試驗方案

1.1 試驗設備及樣機

在某國六輕型樣車上開展試驗，試驗樣機為某國六輕型直列4缸、直噴四沖程、增壓中冷、外置EGR、高壓共軌柴油機。柴油機缸徑為94 mm、行程為107 mm、排量為2.98 L、壓縮比為17.5，后處理方式為氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）-顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）-選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR），起動方式為蓄電池帶動起動機拖動。

采用AVL公司的車載483煙度計測量起動過程中的瞬態煙度。該483煙度計基于光聲學方法測量碳煙，設備內部采用激光對炭黑顆粒進行周期性照射，炭黑顆粒受到照射后不斷忽冷忽熱，不停地膨脹、收縮。這種膨脹、收縮可視為一種聲波，可通過麥克風采集成電壓信號，通過調整不同的稀釋比，實時測量不同環境下的煙度。

試驗設備安裝如圖1所示。將車載483煙度計的采樣探頭固定在發動機排氣管中，為保證測量準確性，采樣探頭應盡量靠近柴油機渦輪端，并盡可能提高車載煙度計的響應速度；為消除DPF對煙度測量結果的影響，車載煙度計探頭安裝在后處理總成前面，廢氣依次流過煙度計探頭、DOC、DPF、SCR（廢氣流通方向如圖1中箭頭所示），保證測量的煙度為原排。試驗采用連續測量模式，采樣頻率設定為10 Hz，煙度單位為mg/m3。

1.2 試驗方案

按照文獻[14]的規定設計4種發動機起動性能及煙度對比試驗方案，如表1所示。

在相同條件下進行試驗，首次起動時環境溫度為15 ℃，起動后怠速運行約6 s，水溫溫升速度為4.5 ℃/min，每個方案的單個試驗項目結束后，水溫可上升約0.5 ℃，車輛原地冷卻20 min，以盡可能維持相同的燃燒邊界。

試驗操作步驟為：當車載483煙度計熱機結束并處于測量模式時，試驗車輛鑰匙上電并擰動，起動機開始拖動發動機，當柴油機起動成功后（以電子控制單元控制邏輯切斷狀態跳變為標志判斷是否起動成功），怠速運行6 s后熄火，記錄整個起動過程的試驗數據。

2 試驗結果與分析

2.1 起動轉矩對起動性能及煙度的影響

起動轉矩為1.0M、0.6M、1.4M時，柴油機對應的每循環瞬時最大噴油量依次為39.8、23.8、55.0 mg。不同起動轉矩下柴油機起動性能與煙度對比如圖2所示。由圖2可知：1）相同環境溫度下，起動轉矩為1.0M、0.6M、1.4M時起動時間分別為0.86、1.16、0.64 s，起動轉矩為1.4M時起動性能較原始轉矩提升了25.6%；2）起動轉矩為1.0M、0.6M、1.4M，柴油機瞬態最大煙度分別為2.2、1.1、32.6 mg/m3時，起動后怠速過程的煙度維持在0.8 mg/m3左右。

適當加大起動過程起動轉矩可以明顯縮短柴油機起動時間，原因為柴油機的起動性能與缸內混合氣質量密切相關，噴油量增大，缸內更易形成較濃混合氣，分子之間碰撞機會增多，混合氣形成速度加快，可有效縮短滯燃期，改善柴油機起動性能。原始起動轉矩起動過程中，最大過量空氣系數為1.35，缸內油、氣比合理，燃燒時大部分燃油用于做功，并未產生較多黑煙；起動轉矩為0.6M時，最大過量空氣系數為2.28，缸內較稀薄的油、氣在起動過程中幾乎全部燃燒，排出機體外的黑煙很少；起動轉矩為1.4M時，缸內有較多未充分燃燒的氣體在排氣行程被排出機外，煙度較高。

綜上，適當增大起動轉矩可以提升柴油機的起動性能，但存在起動過程瞬態煙度過大的問題。因此，存在一個最佳的起動油量，可以在保證柴油機起動性能基礎上降低瞬態最大煙度。

2.2 主噴角度對起動性能及煙度的影響

主噴角度對起動性能及煙度影響對比如圖3所示。

由圖3可知：1）常溫環境下，主噴角度為1.0β與1.4β時的轉速曲線基本一致，主噴角度為0.6β下、1.5 s時轉速較原始主噴角升高5.8%，原因為主噴角度為0.6β時，燃油在更接近上止點位置噴射，相比原始主噴角，缸內壓縮溫度升高，缸內瞬間放熱率增大，爆發壓力增大，導致轉速升高；2）主噴角度為1.0β、0.6β、1.4β的起動時間分別為0.84、0.86、0.91 s；3）主噴角度為1.4β時的瞬態煙度最大，主噴角度為0.6β時煙度最小，但兩者差異不大，分別為2.06、1.69 mg/m3。

主噴角度大，缸內油、氣混合時間長，局部易形成過濃的混合氣，導致過量空氣系數偏小，起動過程產生較大黑煙；由于噴油時刻活塞頂面距離上止點較近，主噴角度過小時，燃油易噴射到活塞頂面不利于蒸發，可燃混合氣相對較少，滯燃期加長，起動性能降低，同時后燃比例增大，燃燒不充分產生黑煙，導致瞬態煙度過大。因此，柴油機起動過程中存在一個最佳主噴角度，主噴角度過大或過小都使起動時間變長，同時瞬態最大煙度也非最佳。

2.3 軌壓對起動性能及煙度影響

不同起動軌壓下柴油機起動性能與煙度對比如圖4所示。由圖4可知：起動軌壓為1.0p、0.6p、1.4p時起動時間分別為0.85、0.90、0.83 s；起動軌壓為1.0p、0.6p、1.4p的起動過程中，瞬態最大煙度分別為1.6、2.0、1.5 mg/m3。

常溫下起動階段較高軌壓可以改善缸內霧化效果，隨著噴油壓力增加，燃油運動速度加快，燃油與缸內空氣間的擾動作用加強，促進缸內油滴霧化和蒸發，燃燒更加充分。與原軌壓相比，起動軌壓為1.4p時起動性能提升了2.35%，煙度降低了6.25%。起動過程中適當增大軌壓可以降低起動瞬態最大煙度，同時可以略微提升柴油機起動性能。

2.4 EGR閥對起動性能及煙度影響

環境溫度為15 ℃時，起動過程中開啟、關閉EGR閥對柴油機起動性能及煙度的影響如圖5所示。

由圖5可知： 環境溫度為15 ℃時，EGR閥全開、關閉的柴油機起動時間分別為0.83、0.85 s；2種狀態下的柴油機轉速曲線基本重合；開啟EGR閥起動時，柴油機瞬態最大煙度為2.35 mg/m3，且在柴油機怠速運行過程中，煙度也高于正常怠速煙度水平；關閉EGR閥起動時，瞬態最大煙度為2.0 mg/m3，隨著柴油機怠速運行，煙度呈現逐漸降低趨勢，起動后經過6 s左右，煙度降至約1.0 mg/m3。常溫下，柴油機起動過程中開啟、關閉EGR閥對柴油機起動性能無明顯改善，但起動過程中開啟EGR閥時瞬態煙度明顯增大，這是因為EGR廢氣與新鮮空氣混合后，缸內混合氣不均勻，造成缸內燃燒惡化，使某缸內碳煙濃度過高或燃燒不穩定，對柴油機排放產生不利影響。

3 結論

1）適當增大起動轉矩能提升柴油機的起動性能，但存在起動過程瞬態煙度過大的現象。

2）調節主噴角度對改善起動性能效果不明顯；適當減小起動階段主噴角，可降低起動階段的煙度。

3）增大軌壓可以降低柴油機起動的瞬態最大煙度，并略微提升柴油機起動性能。

4）起動階段EGR閥開啟、關閉對提升起動性能效果不明顯，但關閉EGR閥能明顯降低起動過程及怠速階段的煙度。

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Experimental study on optimization of starting performance and

smoke for diesel engine

CHEN Yuechun1，2， WU Xinbo1，2， ZENG Xiaoxiao1，2， MA Wenjuan1，2， LI Suting3

1. State Key Laboratory of Engine Reliability， Weifang 261061， China; 2. Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China;

3.Weichai Power Emission Solutions Technology Co.， Ltd.， Weifang 26106 China

Abstract：In order to improve the starting performance of diesel engines and reduce smoke level during the starting process， a CHINA 6 light diesel engine is taken as the study object. A real-time smoke emissions are measured by an onboard 483 smoke meter. Experimental study is conducted on the effects of starting torque， rail pressure， main injection angle， and exhaust gas recirculation（EGR） on the starting performance and smoke emissions. The experimental results show that increasing the starting torque can significantly improve the starting performance of diesel engines， while rail pressure， main injection angle， and the opening and closing of the EGR valve during the starting process have little effect on the starting performance. Starting torque， rail pressure， and opening and closing the EGR valve have a direct impact on the transient maximum smoke level during the starting process. Increasing the starting torque， increasing rail pressure， reducing the main injection angle， and closing the EGR valve can all reduce the starting smoke level of diesel engines.

Keywords：diesel engine; starting performance; smoke intensity（責任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-21

基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFD2000302）

第一作者簡介：陳月春（1983—），男，山東濰坊人，工學碩士，高級工程師，主要研究方向為內燃機性能開發及優化，E-mail： chenyc@weichai.com。