乙醚助燃对柴油机冷起动性能影响的试验研究

2020-05-21刘来陈文胥昌懋张武高

车用发动机 2020年2期

刘来，陈文，胥昌懋，张武高

(1.上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240；2.船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 200240)

目前柴油机在军用车辆和中重型载重汽车上应用广泛，由于柴油凝点较高，挥发性较差，在低温下难以与空气形成可燃混合气，而且柴油机是压缩着火，环境温度降低引起压缩上止点温度难以达到柴油的着火温度，导致柴油机在寒冷高纬度地区的使用受到限制[1-2]。为了缩短柴油机高寒条件下冷起动所需时间，提高冷起动性能，国内外学者通过在新鲜工质内掺混特定燃料作为起动液[3-5]，加快了焰前反应速率,改善主燃烧过程，进而改变原机的起动着火和排放规律。研究认为，使用起动液助燃是一种安全可靠的改善柴油机低温起动性能的方法[6-8]。起动液一般使用低沸点、高十六烷值的乙醚，在柴油机起动时向进气管内注入少量起动液，起动液迅速蒸发并在压缩过程中与空气中的氧发生激烈的氧化反应，增加了燃烧室内油气混合物温度和活性分子浓度，缩短了焰前反应时间，实现柴油机迅速可靠的起动[9]。

在低温起动工况下，如-30 ℃以下的低温时，为了能够顺利起动着火，柴油机通常采用加浓喷射的策略，起动喷油量几乎是常温(25 ℃)冷起动的两倍，会导致起动初期缸内燃料累积过多，最初几个着火循环内可燃混合气过浓引起燃烧粗暴，对发动机造成损伤，甚至烧蚀气缸与活塞顶，严重影响发动机的使用寿命[10]，同时起动过程伴随大量浓烟排放，对环境造成严重污染[11-12]。另一方面，由于低温状态下机油的黏度显著增大，流动性变差，活塞与气缸等摩擦面之间润滑油不足，各摩擦件间的运动阻力增大，导致发动机起动阻力矩增大，引起从起动到正常怠速运转之间的时间延长[13]。

针对柴油机低温起动的问题，本研究在一台小型高速柴油机上，开发出针对乙醚的电控预喷射系统，研究了定时定量预喷助燃燃料对柴油机起动过程的影响规律，在此基础上采用预喷助燃燃料同时降低起动油量的方式以改善起动初期燃烧粗暴性，并进一步研究了增加起动阻力矩时预喷助燃燃料对柴油发动机低温起动性能的影响。

1 试验装置和方法

试验台架的测控系统包括电涡流测功机(含测控柜)、发动机机油恒温系统、发动机冷却液恒温系统、燃烧分析仪、尾气分析仪等，其中燃烧分析采用法国D2T Osiris燃烧分析仪，尾气分析仪包括AVL Digas4000五气分析仪和傅里叶红外光谱仪。试验台架见图1。

图1 发动机试验台架结构示意

起动试验用发动机为一台D19TCI小型高速柴油机，发动机主要技术参数见表1。试验发动机燃用的柴油及乙醚的特性参数见表2。

表1 D19TCI发动机主要技术参数

表2 试验用柴油和乙醚的特性参数

为了降低起动初期的粗暴性并模拟低温起动工况，试验中将减小起动喷油量并增加起动时阻力矩，起动电机运转前以恒定频率15 Hz向柴油机进气总管以不同脉宽预喷不同质量流量的乙醚，研究了进气道预喷助燃燃料乙醚对柴油机冷起动过程的影响。试验中，冷起动时的环境温度、机油温度、冷却水温度均保持在(22±1) ℃。各次试验前，确保发动机起动前所处热状态相同。起动循环数定义为起动电机运转后发动机转速首次达到并能稳定到怠速转速900 r/min的循环数。

2 试验结果及分析

2.1 预喷乙醚对柴油机冷起动循环数和最高缸压的影响

在标定起动油量下，向进气总管预喷不同质量流量的乙醚，分别为0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s，乙醚从进气总管进入到各缸，则单个循环各缸预混乙醚热值约占起动首循环标定柴油量热值的0%，10%，20%。

如图2所示，在标定油量下，进气道预喷少量助燃乙醚对起动循环转速没有明显影响，但起动过程最高缸压显著增大，初始循环缸压变化率显著增大，振动噪声加大，起动过程异常粗暴；从图2b至图2d可以看出，在不预喷乙醚的情况下，初始循环最高缸压、累计放热量明显较小，表明该循环没有完全燃烧，导致油气累积，使第2、3循环缸压变化率和累计放热量显著增大，起动循环累计放热量变化规律基本一致，累计放热量没有显著变化，且起动初始循环时起动电机的动力矩起主要作用，所以起动循环发动机转速没有明显变化。

图2 标定油量下预喷乙醚对起动过程的影响

2.2 减少起动油量条件下预喷乙醚对柴油机冷起动循环数的影响

为了避免起动燃烧过于粗暴对发动机造成损伤，在进气道喷射乙醚助燃前需要先合理地减少起动油量。

图3a示出不同起动油量时起动循环对应的转速变化。由图3a可见，减少起动喷射油量后，起动循环数增加，尤其是60%喷油量时，起动循环数从4个增加到9个。试验过程中可以明显发现柴油机起动困难，并伴有异常噪声。由图3b可见，减少喷油量后循环最高缸压降低，可以避免预喷乙醚后起动燃烧过于粗暴对发动机造成损伤。

在60%起动油量下，向进气总管预喷不同质量流量的乙醚，分别为0 mg/s，20 mg/s，40mg/s，起动过程见图4。

图3 减少起动喷油量后起动过程对比

图4 在60%喷油量下预喷乙醚对起动过程的影响

如图4a所示，在喷射不同质量流量的乙醚后，起动循环数分别从9个循环变为7个循环、5个循环。图4b示出在60%喷油量下起动过程中最高缸压随乙醚预喷量增大而增大，但相比标定油量100%时的最高缸压得到了有效降低，起动过程变得安静平稳。如图4c所示，在起动循环喷油量相同的情况下，进气道喷射助燃燃料使得燃料的总能量增加，每循环的平均有效压力增大，即每循环做功能力更强，所以起动后转速上升和稳定得更为迅速。

如图5所示，喷油量减少为60%后进气道喷射乙醚的起动循环转速和80%喷油量不喷乙醚的循环转速变化基本一致，前5个循环累计放热量无明显差距。说明在进气道预喷乙醚，可以使发动机在相对较少喷油量的情况下达到相同的起动效果，这样可以在低温起动过程中适当减少喷油量，避免油量累积过多，烧蚀气缸。

图5 减少起动喷油量下预喷乙醚对循环转速的影响

2.3 附加阻力矩条件下预喷乙醚对柴油机冷起动循环数的影响

为了更广泛地研究助燃乙醚对柴油机冷起动循环数的影响，试验中在减小起动油量的同时增加起动阻力矩。考虑到增加阻力矩导致的起动困难，起动油量不宜太小，在减少油量至60%时附加阻力矩，发动机无法正常起动，因此试验中采用在80%起动油量的情况下增加阻力矩。图6a示出不同阻力矩时的转速循环。由图6a可以看出，增加阻力矩后起动循环数明显变大，尤其是当施加28 N·m阻力矩时，起动循环数从5个增加到10个，表明此时起动困难。

图6 附加阻力矩条件下的助燃乙醚对柴油机冷起动循环数的影响

在80%起动油量，施加28 N·m阻力矩工况下，向进气总管预喷不同质量流量的乙醚，分别为0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s，如图6b所示，在喷射不同质量流量的乙醚后，起动循环数分别从10个循环减小到9个循环、7个循环。表明在80%油量时附加阻力矩，发动机起动恶化，起动噪声大，喷射乙醚可以改善此类工况。

2.4 预喷乙醚对起动阶段燃烧排放特性的影响

为了进一步分析乙醚助燃对起动阶段的影响，在60%起动油量下，向进气道预喷质量流量分别为0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s的乙醚，分别提取前两个循环的缸压曲线进行比较，结果见图7。

对比第1个循环缸压曲线可见，随着乙醚喷射量的增加，起动首循环的燃烧由失火变为着火(不完全燃烧)。对比第2个循环缸压曲线可见，增大乙醚浓度对于着火时刻的影响更为明显，着火延迟期缩短，着火始点明显提前到上止点前25°左右，最大缸压也进一步增大。

发动机起动进入怠速后，继续以恒定速率向进气道喷射不同质量流量的乙醚(0 mg/s， 20 mg/s， 40 mg/s)，采集100个循环的缸压曲线取平均值，并计算得到缸压变化率和放热率等参数，分析进气道喷射乙醚对怠速阶段燃烧特性的影响。

图7 在60%喷油量时预喷乙醚起动前两个循环缸压曲线对比

由图8a可以看出，随着乙醚喷射量的增大，缸压曲线在上止点前30°开始出现较明显的预混燃烧放热现象，缸内压力呈现双峰曲线，最高缸压增大。从图8b可见，预喷乙醚后缸压变化率略有增大。乙醚早燃使缸内温度升高导致缸压变化，改善了柴油着火前期的热氛围，从而有助于主喷燃油更为充分稳定地燃烧。

柴油机冷起动期间，未燃HC，CO排放在总排放中所占比例最大[14-16]，试验中主要针对乙醚对起动过程未燃HC，CO排放影响进行研究。在60%起动油量下，向进气道预喷质量流量分别为0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s的乙醚，对冷起动过程排放特性进行分析。

图8 怠速阶段喷射不同浓度乙醚对发动机燃烧特性的影响

由图9a可以看出，起动时刻喷射不同质量流量乙醚后HC排放的峰值逐渐升高，且峰值增幅越来越大。进入怠速后停止喷射乙醚，HC排放曲线趋于一致。可见，预喷乙醚有效改善了发动机起动期间的缸内燃烧状态，但是由于乙醚预混进入燃烧室，造成壁面附近形成较多的过稀乙醚空气混合气，形成不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，在排放冲程产生较多未燃HC排出。

图9b示出喷射不同浓度乙醚后起动过程前100个循环的CO排放对比。由图9b可知，随着乙醚喷射浓度的增加，起动后CO排放逐渐增大，原因与HC排放增加一致。