某柴油机低温起动性能优化设计

江小琴

（上海柴油机有限公司，上海200438）

某柴油机低温起动性能优化设计

江小琴

（上海柴油机有限公司，上海200438）

柴油机的低温起动性能成为评价柴油机性能的重要指标之一。通过试验，分析影响柴油机低温起动性能的主要原因，通过优化设计喷油油束与预热塞头部的位置，实现更好的低温起动性能。

柴油机低温起动

1　前言

由于柴油机具有较高的燃烧效率和可靠性，其应用范围非常广泛。我国幅员辽阔，超过一半地区年最低气温在-25℃左右。因此，柴油机的低温起动性能成为评价柴油机性能的重要指标之一。随着国家排放法规的不断升级，传统的机械柴油机逐渐被电控柴油机所取代，电控柴油机通过标定，可以对低温起动过程进行更加精确、灵活的控制，以达到最佳起动性能。

本文通过试验，分析影响某四缸电控高压共轨柴油机低温起动性能的主要原因，并确定优化设计方案。柴油机基本参数见表1。

2　低温起动性能评价

柴油机的低温起动性能开发一般先在冷库进行柴油机本体的低温起动试验，然后在冬季随匹配的整车前往我国北方地区，如黑河、漠河、海拉尔等地区进行寒区标定试验。本文所述的低温起动指冷库的起动，将柴油机置于冷库冷冻8 h以上，使柴油机内部温度达到试验目标温度，然后开始起动。

表1　柴油机基本参数

柴油机的低温起动性能包括以下3个方面：

（1）起动时间

起动机接通后，在规定时间内，发动机能着火并自行运转，即为起动成功；若在规定时间内，无断续着火声，不能自行运转，即为起动失败。一次完整的起动过程如图1所示，将从按下起动开关接通起动机到柴油机转速达到设置的脱离起动模式转速的时间定义为起动时间。按照设计要求，在-25℃环境下，带辅助预热装置，起动时间不超过5 s，起动时间越短越好。

图1　柴油机起动过程

（2）起动过程及怠速冒烟程度

为了保证柴油机顺利起动，在低温起动过程中一般会增大喷油量，甚至会超过柴油机正常工作时的最大喷射量，这会导致燃油雾化不好，混合气质量差，引起起动时燃烧不良，柴油机大量冒白烟。虽然目前排放法规并未对此提出排放要求，但是在低温标定过程中，仍然将冒白烟的程度作为低温起动性能的一个评判标准，在柴油机能顺利起动的情况下，白烟越少越好。

（3）怠速稳定性

柴油机成功起动就进入怠速状态，由于进气温度低，柴油机冷却液、燃油和机油的温度都很低，导致怠速不稳定，因此怠速转速波动率也是低温起动性能的一项重要评价指标。

3　冷起动性能影响因素与原因分析

由于柴油机靠压缩自燃，缸内燃烧过程受到气缸内压缩温度、压缩压力、燃油特性和燃油喷射规律等影响，要使得柴油机能顺利起动，起动过程中气缸内必须达到一定的压力和温度；必须提供浓度适当、雾化良好的混合气；柴油机有足够高的拖动转速，并且这些条件是相互影响的。

3.1拖动转速

满足一定的拖动转速是柴油机顺利起动的必要条件。根据经验，四缸柴油机的拖动转速必须大于120 r/min才能顺利起动。影响柴油机低温环境下拖动转速的因素比较多，最主要的影响因素是蓄电池和润滑油。

随着环境温度的下降，蓄电池电解液黏度增加，渗透能力下降，内阻增大，蓄电池容量和端电压均会下降，不足以带动起动电机。从表2三种不同规格蓄电池在低温环境下的拖动转速可以看出，100 Ah蓄电池在-28℃环境下可以拖动到133 r/min，柴油机能顺利起动，但是80 Ah蓄电池在-25℃环境下最多只能拖到到115 r/min，起动时电瓶压降太大，导致电压低于ECU正常工作范围，柴油机起动失败。因此在该柴油机配套设计中，推荐整车厂使用100 Ah及以上容量蓄电池。

表2　低温下不同规格蓄电池的拖动转速

润滑油黏度随着温度的下降而增加，流动性变差，从而增加柴油机摩擦阻力，影响柴油机的拖动转速。在试验过程中，通过INCA标定软件给四个缸断油，仅用起动电机拖动柴油机，测量不同规格机油的柴油机拖动转速，0W规格机油的拖动转速比5W高约50 r/min。为了确保柴油机能顺利起动，推荐北方地区用户在冬季使用0W规格润滑油。图2是不同环境温度下推荐使用的机油规格。

3.2压缩压力

图3是常温下柴油机各缸在不同转速下的压缩压力，随着转速下降，压缩压力降低，120 r/min时，压缩压力在3.5 MPa左右。图4是在相同柴油机转速、不同温度下柴油机的压缩压力，随着温度降低，压缩压力降低。

3.3压缩温度

在低温下进入气缸的空气温度较低，即压缩始点温度低，导致压缩终点温度下降。为了提高压缩温度，该柴油机在燃烧室设置预热塞，在发动机起动前先预热缸内气体温度。预热包括柴油机起动前的预热、起动过程中的加热和起动成功后的加热，可以通过标定分别设置预热的时间。该柴油机目前所配预热塞可以在20 s内达到750℃。四个预热塞在预热过程中最大电流可达到60 A，这对蓄电池要求比较高。虽然预热塞最高温度可以达到750℃，但是预热塞的最高温度点位于头部2 mm处，无法在短时间内将缸内所有气体迅速加热，而低温下的蓄电池又无法支撑预热塞长时间加热，所以可以对喷油嘴与预热塞头部的位置进行优化设计，充分利用最高温度点。

图2　机油规格与环境温度对应图

图3　常温下各转速压缩压力

图4　不同温度下柴油机压缩压力

4　优化设计方案

在试验过程中，通过三维模型设计了两种预热塞布置的优化方案。方案1如图5、图6所示，预热塞长度为8.9 mm，预热塞头部距离最近油束中心距离为1.14 mm；方案2如图7、图8所示，预热塞长度为11.8 mm，预热塞头部距离最近油束中心距离为1.06 mm，预热塞都布置在距离最近油束涡流下游方向。

图5　方案1的二维图

图6　方案1的三维图

5　效果验证

用这两种改进方案分别在-25℃环境下进行起动试验，两种方案的起动时间都低于4 s，起动非常迅速。起动成功进入怠速模式后，方案1的怠速波动较大，约20 s后才能稳定；而方案2的怠速波动较小，不到10 s就可以稳定，并且冒烟情况优于方案1。同时，在台架上验证柴油机性能，确认对柴油机烟度、油耗等性能无影响后，在产品上最终采用方案2。

图7　方案2的二维图

图8　方案2的三维图

图9　起动效果对比

6　结束语

（1）蓄电池和润滑油对低温环境下柴油机拖动转速的影响较大，为保证柴油机顺利起动，建议使用100 Ah以上规格的蓄电池和0W规格润滑油。

（2）随着柴油机转速和环境温度的降低，柴油机压缩压力下降，影响低温起动。

（3）预热塞可以有效提高缸内温度，对柴油机低温起动起到辅助作用。预热塞与喷油嘴的布置会影响低温起动的时间以及怠速稳定性，预热塞头部距离最近油束中心位置距离越近越好，但最优距离还有待进一步研究。

Optimal Design of Cold Start Performance of Diesel Engine

Jiang Xiaoqin
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.Shanghai 200438，China）

Cold start performance is important for diesel engine.By testing analyzing effect of the cold start performance factors，then optimal design the distance between the bottom of plug and the nozzle to reach a better cold start performance.

diesel engine，cold start

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.007

来稿日期：2016-06-02

江小琴（1982-），女，工程师，主要研究方向为柴油机性能开发。