车用柴油机起动烟度试验研究

孔祥鑫，张永青，冀树德，姚春雷，李峰，刘逢春，刘志刚

(中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

车用柴油机起动烟度试验研究

孔祥鑫，张永青，冀树德，姚春雷，李峰，刘逢春，刘志刚

(中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

针对柴油汽车起动过程烟度较为严重的问题，以柴油机台架试验为研究手段，从改善燃烧过程以及燃料自身性能的角度出发对车用柴油机起动烟度的优化进行了研究。结果表明：柴油机喷油起始转速、起动供油量、燃料性能均对起动烟度存在直接影响；试验条件下，适当提高喷油起始转速、降低起动供油量、提升燃料十六烷值及含氧量，可以有效降低该柴油机起动烟度。

柴油机；烟度；台架试验；起动

研究表明，在目前被产业化应用的各种动力机械中，柴油机热效率最高，能量利用率最好，同时其输出功率大、适应性好、燃油消耗率低[1]，这使得柴油机在车用动力方面的优势尤为明显，全球车用动力“柴油化”趋势逐渐形成[2]。但由于柴油机自身的工作特点，其颗粒排放，尤其是烟度远高于汽油机[3]，由此带来的大气能见度降低[4]与空气污染致病等问题[5]十分严重。

众多学者通过试验及仿真分析等手段对如何减少柴油机烟度作了研究，并取得了一定进展，如燃油预喷射技术[6-7]、进气增压技术[8]、燃烧室与进气道结构优化[9-10]、增加后处理装置[11]等，但研究针对的多是运行工况，实际上柴油机起动过程的烟度问题也十分突出，需要得到更大的重视。柴油机从开始起动到稳定在怠速转速运行的整个阶段皆可看作起动过程[12]，这一过程中较低的环境温度与喷油压力等因素导致烟度问题十分严重，故有必要针对起动烟度的优化进行深入研究。本研究以柴油机台架试验为研究手段，以起动过程为主要工况，以优化柴油机喷油起始转速、起动供油量及燃料性能为方向，研究柴油机起动烟度的优化方法，探索了柴油汽车尾气排放问题的解决方案。

1 试验装置与方法

1.1试验系统与测试装置

试验系统由发动机、烟度计、测控系统、测功机等组成，其连接方式见图1。发动机起动电机的电源由4块12 V蓄电池两两串联后并联组成。试验中发动机的起动方式以电机起动为主，增加测功机与发动机的连接可实现转速测量且并不引入新的起动负载，同时测功机也能以拖动方式实现发动机的起动。试验所用发动机的主要配置及参数见表1。

图1 试验系统示意

型式8缸V型四冲程冷却方式水冷缸径/mm150供油装置电控喷油泵行程/mm160进气方式增压中冷排量/L22．6排放标准GB 17691—2005第Ⅲ阶段

根据GB 17691—2005及GB 3847—2005的规定，车用柴油机烟度的测量应采用不透光烟度法[13]，采用该方法能对柴油机的瞬态炭烟和其他污染物的排放特性进行研究。本试验选用的不透光烟度计为AVL439烟度计，其连接结构见图2。采样探头可固定安装在发动机排气管上，样气能通过采样管进入设备，再从设备回流到排气管[14]。该烟度计测量室光学通道长0.43 m，采样管路以温控方式使测量室内的温度稳定在100 ℃左右；该烟度计以膜片泵采样，能够保证以恒定流量收集发动机排气[15]。试验选择连续测量模式，采样频率设定为10 Hz，测量值为不透光度N。

图2 AVL439烟度计连接示意

1.2试验条件与方法

本试验中相关控制参数与边界条件见表2。

表2 试验控制参数与边界条件

本试验所用发动机怠速转速为800 r/min，原机状态下电控喷油起始转速为60 r/min，起动过程控制油量的齿杆位移及其对应的实际供油量见表3。

表3 原机状态起动过程供油量

在进行发动机起动试验时，为确保数据的真实与准确性，每种工况至少间隔进行3次试验，逐次记录各起动过程中瞬态烟度(AVL439烟度计所测得的不透光度)的峰值。若3次峰值数据的重复性较好，则取3次数据的平均值，以此值作为烟度测试结果；若3次峰值数据的重复性不佳，则增加试验次数，并剔除奇异值，取重复性较好数据的平均值作为测试结果。每次起动试验的时间间隔以发动机油水温度恢复到上一次起动前的温度为准。

2 试验结果与分析

2.1喷油起始转速对起动烟度的影响

图3至图8分别示出不同电控喷油起始转速下发动机起动(3次)瞬态烟度曲线。柴油机从开始升速到稳定在怠速转速运行的整个阶段皆可看作起动过程，在试验各状态下，起动过程瞬态烟度的峰值均出现在升速阶段结束后的怠速运行初期阶段，而后随着怠速阶段的持续，烟度值再次下降。

统计各状态下发动机3次起动过程的瞬态烟度均峰值，根据结果绘制趋势图(见图9)。

图3 原机状态起动瞬态烟度

图4 喷油起始转速70 r/min下的起动瞬态烟度

图5 喷油起始转速80 r/min下的起动瞬态烟度

图6 喷油起始转速90 r/min下的起动瞬态烟度

图7 喷油起始转速100 r/min下的起动瞬态烟度

图8 喷油起始转速110 r/min下的起动瞬态烟度

图9 烟度均峰值随喷油起始转速的变化

由图9可见：在一定范围内，柴油机起动烟度随喷油起始转速的提高而降低。究其原因，低转速时喷入缸体内的燃油以液态形式存在且逐渐累积的时间较长，在柴油机的初始着火循环中混合气浓度较大，烟度也较大。因此，适当提高喷油起始转速可作为该柴油机起动烟度优化的一种措施。但在实际应用中需要考虑到，过高的喷油起始转速对车辆起动电机的功率也提出了更高的要求，因此，应从烟度以及起动电机性能的角度综合考虑，为发动机选择合适的喷油起始转速。

2.2起动供油量对起动烟度的影响

在2.1节分析结果的基础上，固化电控喷油起始转速为110 r/min，并将控制供油量的齿杆位移按照表4所示的方案进行设置，进行起动试验，以探究起动供油量对该柴油机起动烟度的影响。

图10至图14分别示出不同供油量(齿杆位移)下的发动机起动(3次)瞬态烟度曲线。统计各方案发动机3次起动过程的瞬态烟度均峰值，根据结果绘制趋势图(见图15)。

由图15可见：在一定范围内，该柴油机起动烟度随着起动供油量的减少而降低。究其原因，发动机在起动初期存在多次失火循环，缸内燃油较多导致不完全燃烧情况较为严重，烟度较高。因此，适当降低起动供油量可作为该柴油机起动烟度优化的一种措施。但在实际应用中需要考虑到，发动机起动时缸内温度和压力较低，涡流较弱，供油喷射压力也较低[16]，起动供油量过低时混合气太稀，可能导致起动失败，或因多次喷射造成循环喷油量增大，积存的燃油反而造成排气烟度增加[17]。因此，应从烟度以及发动机起动油量需求的角度综合考虑，选择合适的起动供油量。

表4 起动齿杆位移/供油量方案

图10 方案1起动瞬态烟度

图11 方案2起动瞬态烟度

图12 方案3起动瞬态烟度

图13 方案4起动瞬态烟度

图14 方案5起动瞬态烟度

图15 烟度均峰值随起动齿杆位移的变化

2.3燃料性能对起动烟度的影响

表5列出本试验原燃料及另外选取的3种燃料的性能指标。试验原燃料为-10号柴油，在其基础上，通过添加一定比例的十六烷值改进剂以及含氧添加剂，得到燃料A，B，C。4种燃料的主要差异项为十六烷值与含氧量，以其为变量研究燃料性能对起动烟度的影响。

表5 燃料性能指标对比表

燃料A，B，C均进行原机状态和优化状态试验。优化状态喷油起始转速设置为110 r/min，齿杆位移设置为方案5。图16至图21分别示出燃用不同燃料时的发动机起动(3次)瞬态烟度曲线。

统计各状态发动机3次起动过程的瞬态烟度均峰值，根据结果绘制趋势图(见图22)。

图16 燃料A原机状态起动瞬态烟度

图17 燃料A优化状态起动瞬态烟度

图18 燃料B原机状态起动瞬态烟度

图19 燃料B优化状态起动瞬态烟度

图20 燃料C原机状态起动瞬态烟度

图21 燃料C优化状态起动瞬态烟度

图22 烟度均峰值随燃料性能的变化

由图22可见，相同条件下，4种燃料的起动烟度呈递减趋势。结合表5可知，十六烷值及含氧量是影响各燃料起动烟度的主要因素，即在一定范围内，燃料的十六烷值越高、含氧量越高，发动机的起动烟度越小。这是因为十六烷值相对较高的燃料，芳香烃及不饱和烃含量相对较少，碳氢比较低，挥发性和着火性相对较好，在燃烧条件恶劣的起动工况下，燃烧室内混合气的均匀性相对更好，使发动机烟度相对较低[18]。但也需注意烷烃燃烧需要较长的时间，十六烷值过高也会造成排气烟度增大，并引起油耗增大，经济性下降。而含氧量相对较高的燃料，其自供氧功能更好，可以在一定程度上降低燃料混合区的缺氧程度，抑制发动机起动炭烟的形成[19]。综上，从适当提高十六烷值及含氧量入手改善燃料性能，可作为该柴油机起动烟度优化的一种有效措施。

3 方案对比与优化

上述分析中，未考虑起动方式(测功机和起动电机)对试验结果的影响，也未考虑润滑油对试验结果的影响。实际上，第2.2节中，起动方案1和方案3采用了测功机起动，方案2和方案4采用了起动电机起动，尽管测功机和起动电机的功率覆盖和响应特性不同，但发动机瞬态转速变化趋势以及烟度达到峰值的响应时间基本是一致的(见图23、图24)，因此可不考虑其对结果的影响。而对于润滑油来说，发动机的起动过程是一致的，认为其在缸壁的附着也是一致的，可忽略缸内燃烧变化对起动烟度的影响。

图23 不同起动方式下的瞬态转速

图24 不同起动方式下的瞬态烟度

综合起动烟度的不同优化方法，对结果进行对比与分析，结果见表6。其中方案Ⅲ是对起动供油量的单一优化，即固化喷油起始转速60 r/min，齿杆位移按表4方案设置进行起动试验，其结果见表6。

表6 不同优化方法起动烟度对比分析

通过表6可见，喷油起始转速、起动供油量和燃料性能的优化都能改善起动烟度，但改善效果不同。喷油起始转速或起动供油量的单一优化对烟度的改善均不超过30%，而优化燃料性能对烟度的改善达到93.9%。相比于燃料性能对起动烟度的改善，喷油起始转速或起动供油量对烟度的改善可忽略不计，这一点通过表6中方案Ⅳ和方案Ⅵ的结果对比可以验证。同时，按照GB 17691—2005第Ⅳ阶段的规定，烟度要求不高于0.5 m-1(相当于20%)，按此要求喷油起始转速或起动供油量的优化都无法满足，必须改善燃料性能。然而，改善燃料性能意味着成本增加，对用户来说是不愿意接受的。相比之下，喷油起始转速和起动供油量的调整不会产生成本的增加，且二者的综合优化对烟度的改善能达到41.2%，在此基础上，对燃料性能稍作改善即可达到目标，可作为兼顾排放要求与经济性的较为合适的起动烟度优化方式。

4 结论

a) 在考虑起动电机性能的前提下，适当提高喷油起始转速可以一定程度地降低柴油机起动烟度；

b) 适当减少起动供油量可以一定程度地降低柴油机起动烟度，但过低的起动供油量可能导致排气烟度恶化或起动失败；

c) 适当提高燃料的十六烷值及含氧量，可以有效降低柴油机起动烟度，但需考虑由此带来的成本增加。

[1] 周红秀.应用电动压气机减少柴油机加速烟度排放的研究[D]．天津：天津大学，2006.

[2] 张少华.欧洲柴油轿车的发展情况[J]．汽车情报，2004，35：32-35.

[3] 李兴虎.汽车环境保护技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4] Begum Z N.Scattering of solar radiation by aerosol particulates in the atmosphere: a theoretical approach validated with pre-INDOEX[J]．Journal of Atmosphere and Solar-terrestrial Physics,1998,60:1751-1754.

[5] 刘文彪，董胜璋.机动车尾气慢性毒性效应的研究进展[J]．环境与健康杂志，2002,19(5)：413-416.

[6] 刘雄，张惠明，纪丽伟.利用预喷射降低柴油机低速全负荷黑烟排放[J]．内燃机学报，2006,24(4)：326-330.

[7] 王刚志，李兆文.预喷射控制柴油机NOx和烟度排放作用的试验研究[J]．拖拉机与农用运输车，2011,38(1)：43-46.

[8] 袁锋，郑尊清，尧命发，等.二级增压重型柴油机排放和燃烧特性的试验研究[J]．内燃机工程，2012,33(4)：9-16.

[9] 杨德胜，高希彦，周文彬.柴油机TR燃烧系统的性能研究[J]．内燃机学报，2005,23(1)：28-31.

[10] 王启航，张松涛，侯方，等.CA4DC2-12E3型柴油机进气道的试验研究[J]．柴油机设计与制造，2013,19(4)：12-15.

[11] 尹超，高俊华.采用不同后处理装置的柴油机减排效果分析[J]．小型内燃机与摩托车，2011,40(6)：13-17.

[12] 李学民，于秀敏，高跃，等.电控柴油机起动工况的标定匹配研究[J]．车用发动机，2004(4)：15-19.

[13] 张俊.不透光烟度计在发动机出厂试验台位的使用探讨[J]．机械工程师，2012(12)：1-2.

[14] 滕勤，刘一鸣，夏顺礼，等.取样式消光烟度计烟度测量影响因素的试验研究[J]．小型内燃机与摩托车，2002,31(6)：36-39.

[15] 夏良耀，藏文荣，马林才.消光烟度计在柴油机碳烟排放测定中的应用[J]．内燃机，2005(6)：40-42.

[16] 崔涛，黄千，刘波澜，等.单体泵柴油机起动过程控制策略研究[J]．车用发动机，2009(3)：49-52.

[17] 张京永，杨福源，欧阳明高.高压共轨柴油机起动过程特点与优化方法的研究[J]．内燃机学报，2003,21(3)：201-206.

[18] 孙万臣，王忠恕，李国梁，等.燃料着火性对增压中冷柴油机瞬态工况排放的影响[J]．吉林大学学报，2008,38(4)：791-796.

[19] 孙跃东，邹敏，张振东，等.混合燃料的含氧量对改善柴油机排放的试验研究[J]．汽车技术，2006(2)：31-33.

ExperimentalInvestigationonOptimizationMethodofStartingSmokeforVehicleDieselEngine

KONG Xiangxin,ZHANG Yongqing,JI Shude,YAO Chunlei,LI Feng,LIU Fengchun,LIU Zhigang

(China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China)

For the serious smoke emissions of diesel engine during the starting process, the starting smoke was optimized by improving combustion process and fuel property on a test bench. The results show that the speed of injection beginning, fuel injection quantity of starting and fuel property have direct impact on the smoke of starting process. Under the test conditions, increasing the speed of injection beginning, reducing the fuel injection quantity of starting and increasing the cetane number and oxygen content of fuel appropriately can reduce the starting smoke effectively.

diesel engine;smoke;bench test;starting

2017-05-25；

2017-07-10

孔祥鑫(1990—)，男，助理工程师，硕士，主要研究方向为柴油机试验技术与测试方法；kxxbuct@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.015

TK421.5

B

1001-2222(2017)05-0077-06

[编辑： 袁晓燕]