进气预热对柴油机起动过程动力性能影响的试验分析

杜巍，黄伟伟，何圣华，刘福水

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.中国兵器科学研究院，北京 100089)



·性能研究·

进气预热对柴油机起动过程动力性能影响的试验分析

杜巍1，黄伟伟1，何圣华2，刘福水1

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.中国兵器科学研究院，北京 100089)

为了改善某柴油机的起动特性，自行设计了柴油机进气火焰预热系统。利用基于时间的瞬时数据采集系统，测量了瞬时转速和缸内燃烧压力的变化规律，对不进气预热和进气预热条件下柴油机的起动特性进行了试验研究。试验结果表明：采用进气预热系统后，进气温度升高了18.5 ℃，柴油机起动过程中转速升高率增大，起动时间明显缩短；输出扭矩增大且波动明显减小；各个循环的最大燃烧压力升高且波动减小，燃油的着火滞燃期明显缩短，其着火过程中发生后燃、循环失火的概率明显减小，燃烧过程进行得更加充分，极大地改善了柴油机的起动性能。

柴油机； 进气预热； 起动； 扭矩； 燃烧压力

冷起动性能是柴油机的一个重要性能指标，影响柴油机的使用可靠性和寿命[1-4]，受进气温度、冷却液温度、机油温度、燃油特性、喷雾特性、蓄电池容量等多种因素的影响。特别是对于大功率柴油机，由于其质量和体积较大，各摩擦副接触面积大，起动过程中各摩擦表面很难得到充分的预润滑，导致起动阻力增大；如果低温下起动过程中的燃烧过程组织不好，就会造成起动困难。美国韦恩州立大学的H.Liu等[5]指出了柴油机冷起动困难的根本原因：发动机运转的阻力参数和燃烧动力参数不相匹配，也就是当活塞达到上止点附近时，燃烧室内没有形成足够数量的可燃混合气对外做功，并克服外界阻力。为改善柴油机的冷起动特性，国内外的研究人员对柴油机冷起动过程进行了仿真计算，建立冷起动过程的数学模型，探讨转速波动、燃烧等问题的反应机理，从而改善冷起动性能[6-9]；同时也开发了许多辅助装置[10-11]，其中进气预热装置能够有效地提高进气温度，改善起动性能。

多年来，已有研究人员对柴油机的进气预热开展研究以改善低温起动性能。江苏大学的罗涛等在-35～20 ℃环境温度下改变预热塞的流量，对1台4缸增压柴油机进行预热冷起动试验，发现预热塞的流量范围在7～10 mL/min时，预热效果最佳[12]。吉林大学的苏岩等利用瞬时转速及缸压测试系统测量了某柴油机起动过程中的瞬时转速和缸内燃烧压力，研究了进气温度对柴油机起动过程燃烧不稳定性的影响规律，发现提高进气温度能够使冷机起动初始阶段着火滞后期明显减小，扩散燃烧增加，明显改善着火条件，减少失火循环[13-14]。军事交通学院的董素荣等计算了WD615.77柴油机在不同温度下起动时进气所需的加热量及进气预热装置的供热量，发现温度每下降10 ℃，WD615.77柴油机顺利起动所需的进气加热量升高16%，火焰进气预热装置的供热量升高3%[15]。中国北方发动机研究所的冀树德等研究了1台12 缸柴油机在低温条件下的起动方法，在-35 ℃低温试验环境下，使用“进气预热器+电热塞”同时加热进气的方式确保升高进气温度，促使柴油机成功起动[16]。另外，吉林大学的梁金广等也从起动油量脉谱优化、燃烧状况等方面对柴油机低温起动特性进行了研究[17-22]。

本研究针对某增压柴油机设计了火焰进气预热系统，利用基于时间的数据采集系统，测量了柴油机起动过程中的瞬时转速和缸内燃烧压力，对比研究了不采用进气预热和采用进气预热时，柴油机转速从0 r/min到怠速800 r/min整个起动过程的起动时间、输出扭矩和循环燃烧压力的变化规律。

1 试验设备

试验所采用柴油机为V型、直喷、废气涡轮增压中冷柴油机。为该柴油机设计了火焰进气预热系统，主要包括低压输油泵、进油管、电磁阀、预热继电器、火焰预热塞、限压阀等，其中火焰预热塞安装在进气总管的入口。

进气预热系统中的机械系统组成见图1。柴油泵将柴油从柴油箱泵入进油管路中，柴油泵出口中安装有限压阀，在起动过程中，油路中的绝对压力可以保持在0.5 MPa左右；油路中的柴油经过柴油精滤器到达喷油电磁阀，喷油电磁阀用于控制火焰预热塞供油的通断。

进气预热系统的电器系统见图2。整个进气火焰预热系统由24 V蓄电池供电，发动机控制器(ECU)控制喷油电磁阀和预热继电器的通断电。预热继电器接收ECU的指令，控制蓄电池对两个火焰预热塞供电，以实现对预热塞加热时间的控制。

进气预热油路中的绝对压力为0.5 MPa时，预热塞供油量为15 mL/min。当预热塞通电加热60 s后，供油电磁阀开启，起动发动机，燃油到达预热塞并被点燃，加热进气。经试验测量，在环境温度为10 ℃、稳定怠速800 r/min时，进气道前的进气温度可以被加热到28.5 ℃，与不使用进气预热时相比升高了18.5 ℃。

2 试验内容及数据处理方法

2．1 试验内容

试验过程中，保持柴油机机油温度、冷却液温度、环境温度一致，即都为10 ℃。分别在不采用进气预热和采用进气预热的情况下对柴油机进行起动试验，采集柴油机的瞬时转速和各循环燃烧压力信号。试验中主要的仪器设备包括DETROWN燃烧分析仪、KISTLER缸压传感器、电磁式转速传感器，测速齿盘安装在柴油机的自由端。

2．2 数据处理方法

测速齿盘具有58个齿，每2个齿间隔6°，其中有2个齿间隔18°。齿盘旋转一周，转速传感器就会输出58个正弦电压信号，经过滤波处理，得到58个方波信号。燃烧分析仪基于时间采集方波的上升沿信号，计算出2个上升沿之间的时间，即可计算出柴油机的瞬时转速n。然后根据公式(1)，可求出柴油机起动过程输出的瞬时有效扭矩Me：

(1)

式中：Mi为指示扭矩；Mf为阻力矩；Me为有效扭矩；w为柴油机曲轴角速度；n为柴油机转速；J为柴油机旋转部件对曲轴中心线的当量转动惯量[23]，当量转动惯量根据曲柄连杆机构等运动件的结构尺寸、质量、质心利用PROE等软件计算得到。当柴油机被电动机拖动时，燃料燃烧对外做功，克服各种机械阻力，有效扭矩促使发动机加速运转。

在保证其他边界条件一致的情况下，本研究进行了多次对比试验，发现这些试验结果规律性一致，故挑选了其中一组对比试验数据展开分析研究。

3 不采用进气预热和采用进气预热时试验 结果分析

3.1 转速变化对比

图3和图4示出了不采用进气预热和采用进气预热时柴油机转速和循环燃烧压力随起动时间的变化规律。从图中可以看出，在0～800r/min升速过程中，0～190r/min为起动电机倒拖过程，190r/min以后起动电机自行脱开，缸内燃油开始着火燃烧，向外做功，转速快速上升。当不使用进气预热时，柴油机转速从0r/min升高到190r/min历经6个循环，为纯压缩过程；转速从190r/min升高到800r/min历经15个循环，1号缸从第7循环开始缸内燃油开始燃烧，向外做功，历时约3.7s。当采用进气预热时，转速从0r/min升高到190r/min历经5个循环，为纯压缩过程；转速从190r/min升高到800r/min历经9个循环，1号缸从第6循环开始缸内燃油开始燃烧，向外做功；与不使用进气预热时相比，柴油机的转速曲线变得更加陡峭，转速升高率明显增大，历时约2.15s，减小了约42%。这是由于使用进气预热后，柴油机进气温度升高，使压缩终点温度提高，燃油容易蒸发雾化，各个气缸更容易着火燃烧，循环失火的现象减少，做功能力增强，使柴油机转速快速升高，且转速波动减小。

3.2 输出扭矩对比

图5和6分别示出了不采用进气预热和采用进气预热时柴油机着火后输出扭矩随着起动时间的变化规律。从图中可以看出，当不采用进气预热时，柴油机着火后输出扭矩的最大值可达1 002.1N·m，平均值达到911N·m；当采用进气预热后，柴油机着火后输出扭矩的最大值可达1 060.8N·m，平均值达到987.5N·m，与不采用进气预热时相比，分别提高了5.9%和8.4%，且波动明显减小，起动过程变得更加平稳。输出扭矩的增大将提高柴油机加速度，增大转速升高率，使柴油机转速迅速升高。

3.3 各循环燃烧压力对比

图7示出了不采用进气预热时1号缸各循环燃烧压力随起动时间的变化规律。从图上可以看出，柴油机在前6循环没有着火燃烧，而在以后的着火循环中，除了第8和第11循环外，其余各循环燃烧压力曲线均出现2个峰值。第1个峰值较低，处在着火滞燃期，为压缩过程，位于活塞压缩上止点；第2个峰值处于快速燃烧期，为压力值最高点，其数值明显高于第1个峰值，且着火起始点均在上止点之后。各循环的燃烧压力曲线形状差异明显，并在第11循环出现了较为严重的后燃现象，第2个峰值明显小于第1个峰值压力，其燃烧起始点更加滞后。由于柴油机冷起动是一个瞬变过程，此时进气温度、气缸壁面温度较低，导致压缩终点温度低，造成壁面激冷效应增强，燃油不易蒸发雾化，导致燃油与空气不能快速混合，不能形成足够数量的可燃混合气；而且上一循环残留的附壁燃油可能在后续的循环中随着壁面温度的升高而蒸发、雾化并参与着火燃烧，所以造成各循环的最高燃烧压力值波动很大，燃烧非常不稳定。另外，进气温度低造成燃油滞燃期变长，燃油在上止点附近不能正常着火燃烧，所以容易引起后燃现象。

图8示出了采用进气预热时1号缸各循环燃烧压力随起动时间的变化规律。从图上可以看出，与不使用进气预热时相比，只有第6循环燃烧压力曲线出现了2个峰值，发生了比较明显的后燃现象，其余各循环压力曲线中都只出现一个峰值，这说明这些循环在活塞到达上止点之前可燃混合气已经开始着火燃烧。各循环的燃烧压力曲线形状差别明显减小，并且1号缸各着火循环的最大燃烧压力值均有所提高，燃烧进行得更加充分。采用进气预热后，进气温度明显升高，导致压缩终点温度升高，燃油易于蒸发雾化，从而与空气快速混合，活塞到达上止点附近时燃烧室内混合气的浓度和温度达到着火要求。温度升高使各循环喷入的燃油能进行较为充分的燃烧，所以各循环的最高燃烧压力值波动减小，燃烧过程较为稳定。此外进气温度的升高也使燃油滞燃期减小，燃油在上止点前能开始燃烧，减少了后燃现象的发生。

图9示出了不采用进气预热和采用进气预热时柴油机着火后1号缸各循环最大燃烧压力值的对比情况。从图中可以看出，当不使用进气预热时，在1号缸着火燃烧的15个循环中，各个循环之间的最大燃烧压力值相差很大，其中第11循环的最大燃烧压力最小，为2.38MPa，第8循环的最大燃烧压力最大，为8.97MPa，各循环的最大燃烧压力平均值为6.06MPa；与不使用进气预热时相比，当使用进气预热时，第6循环的最大燃烧压力最小，为6.26MPa，升高了约163%，第11循环的最大燃烧压力最大，达到10.66MPa，升高了约18.8%，各循环的最大燃烧压力平均值达到9MPa，升高了约48.5%。由此可以看出，当使用进气预热后，柴油机着火后各循环的燃烧压力明显升高，且各个循环之间的最大燃烧压力值差别明显减小，各个循环的燃烧更加均匀，燃烧情况更加稳定。

4 结论

a) 与不采用进气预热相比，采用进气预热后，柴油机起动时间明显减小，转速上升过程波动较小，转速升高率增大;

b) 采用进气预热后，柴油机起动过程中输出扭矩的最大值和平均值都明显升高，扭矩波动明显减小;

c) 采用进气预热后，柴油机起动过程中的滞燃期缩短，着火过程中发生后燃、循环失火的概率明显减小，最大循环燃烧压力升高，同时各循环之间的最大燃烧压力差值减小，燃烧过程明显改善，极大地改善了柴油机的低温起动性能。

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[编辑: 李建新]

Effects of Intake Preheating on Diesel Engine Power Performance during Starting Process

DU Wei1, HUANG Wei-wei1, HE Sheng-hua2, LIU Fu-shui1

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2.China Research and Development Academy of Machinery Equipment, Beijing 100089, China)

In order to improve the starting performance of diesel engine, the inlet flame preheating system of diesel engine was designed based on the flame preheating plugs.The instantaneous speed and cylinder combustion pressure were measured with the instantaneous data acquisition system and the starting performance of diesel engine with and without intake preheating was researched.The experimental results showed that the speed rise rate increased and the starting time shortened when the intake temperature increased by 18.5 ℃ by the preheating system.The output torque in the starting process also increased but with less fluctuation.The maximum combustion pressure at each cycle increased with the less fluctuation, the ignition delay period shortened, the probability of post-combustion and misfire phenomenon dropped, the combustion of mixture was more complete and therefore the starting performance of diesel engine improved.

diesel engine; intake preheating; starting; torque; combustion pressure

2014-10-20;

2014-11-04

国家部委预研项目(40402020101)

杜巍(1974—)，男，副教授，博士，主要研究方向为内燃机性能仿真与测试；dwei@bit.edu.cn。

刘福水(1964—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向新型发动机及内燃机燃烧；fushui_liu@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.006

TK411.3

B

1001-2222(2015)02-0028-05