燃烧参数对轻型柴油车高原冷机怠速稳定性影响的试验研究

摘 要：为提高柴油车在高原寒冷地区的冷机怠速稳定性，基于INCA标定软件，展开选择不同的主喷提前角、预喷油量、预喷间隔、轨压和预热电压的燃烧参数控制，对柴油车高原冷机怠速稳定性影响的试验研究。试验结果表明：在相同硬件配置下，采用最佳的主喷提前角、预喷油量、预喷间隔、轨压、预热电压可以改善怠速稳性能。

关键词：轻型柴油车 高原 低温 怠速稳定性 燃烧参数 试验研究

0 引言

柴油机因良好的经济性、较高的热效率、低速大扭矩等优点而广泛应用于轻型皮卡当中。随着国家西部大开发政策，2025年将基本建成西部陆海新通道[1]。新疆、西藏、青海等高原地区柴油皮卡逐年上涨。从大数据上看，2023年西南地区皮卡销量占20%，排名第一，西北地区皮卡销量占16%，排名第三[2]。随着中国汽车的发展，人们对汽车的驾驶要求越来越高，通过高原售后反馈情况，客户对高原冷机怠速稳性抱怨较大，为减少客户抱怨，对高原冷机怠速稳定性进行试验研究。

中国的高原区域面积广阔，占国土面积约37%[3]。因氧浓度随着海拔的增高而降低，所以高原为缺氧的环境。特殊的高原环境使得柴油机燃烧性能恶化，特别是低温怠速稳定性能下降等问题。因此，为提高柴油机的性能，就需要合理地控制缸内的燃烧运动[4]。

柴油车高原冷机怠速的不稳定是阻碍柴油车在高原地区销售的原因之一，因此有效改善车辆高原冷机怠速具有重要的现实意义。柴油车高原冷机怠速稳定性主要因素既有进气温度低、进气氧含量低等外界条件，又有冷却液温度低、冷机燃烧稳定性差、燃油雾化不良、冷机阻力大等自身条件[5]。本文将从调整燃烧控制参数对某款轻型柴油车在西北高原地区进行冷机怠速性能研究，以达到车辆高原冷机怠速稳定的目标。

1 试验车辆及方法

1.1 试验车辆及设备

试验用车辆为某知名上市公司生产的搭载2.5L柴油机的柴油皮卡车，其车辆基本参数如表1所示。试验用设备有德国博世集团的ETAS 581及用于运行INCA环境并进行采集数据的笔记本电脑，数据采集及修改系统见图1。

1.2 试验方法

柴油本身的蒸发性和流动性都比汽油差，柴油机利用柴油的燃点较低，压缩柴油和空气混合气使温度升高至柴油的燃点，从而燃烧混合气以推动活塞做功。柴油机要想在低温下平稳的运行须得满足以下三个条件：一是必须要有雾化效果好、浓度适宜的混合气，二是保证气缸内要有一定的压力和温度以满足缸内稳定燃烧，三是要有合适的喷油时刻。本文从发动机燃烧控制参数的优化方面开展车辆在高原低温环境下的冷机怠速稳定性的研究工作，主要思路是选择一组基础的燃烧参数和相同的硬件，而后在此燃烧参数条件下进行调整燃烧参数的测试。试验调整的燃烧控制参数有主喷油提前角、预喷1油量、预喷1间隔、轨压和预热电压，具体变化范围如表2所示。

1.3 高原冷机怠速稳定性评价标准

柴油机的高原冷机怠速稳定性能是评价其性能优劣的重要指标之一，国内外学者在冷机燃烧过程及相关影响因素等方面进行了大量的研究以改善柴油机的冷机燃烧[6]，本文的试验对象为柴油皮卡车，因此评价指标为冷机怠速转速波动，即柴油机在静置一段时间后（超过8小时），其内部冷却液温度与环境温度大致一致情况下，冷机起动后至冷机怠速，需求怠速转速和实际转速的偏差至少满足表3要求，偏差越小越好。图2为冷机怠速过程示意图。由图2可见，在INCA记录的数据中，怠速转速偏差为冷机怠速稳定阶段发动机转速与需求的转速偏差。表3为各环境温度下冷机怠速转速偏差工程目标值，实际情况下，怠速转速波动越小，冷机怠速性能越佳。

2 试验结果与分析

2.1 燃烧控制参数的优化

在车辆搭10W-40机油、80Ah蓄电池、-10#柴油和有预热塞等硬件下，通过调整主喷喷油提前角、预喷油量、预喷间隔、预热电压和轨压以获得试验车辆最优高原冷机怠速稳定性能的燃烧参数。

2.1.1 预喷油量和间隔的确定

预喷是一种在主喷射之前将小部分燃油喷入气缸的技术，这可以在缸内发生预混合或部分燃烧，从而缩短主喷射的着火延迟期。这种操作有助于降低缸内压力升高率和峰值压力，使发动机工作更加缓和。此外，预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的燃烧稳定性。

如图3为不同的预喷油量对高原冷机怠速的影响。本文对预喷油量共测试四个：0.8mg/hub、2mg/hub、3.5 mg/hub和5 mg/hub；由图可知采用预喷油量3.5mg/hub时高原冷机怠速波动-10～10rpm，怠速波动最小；怠速过程总油量较小，一般小于15mg/hub，高原怠速一般采用2次预喷，因此预喷油量不能过大，过大后主喷油量太小，导致燃烧不稳定；高原冷机空气氧含量低，缸内温度也较低，因此预喷油量太小，起不到预热缸内温度和提前充分预混合作用，因此选择合适的预喷油量对高原冷机怠速稳定性影响较大。本车辆的高原冷启动预喷油量选择3.5mg/hub。

如图4为不同预喷间隔对高原冷机怠速的影响，本文在采用两次预喷的策略下，对预喷间隔共测试四个：1300us、1500us、1700us和2000us；由图可知采用预喷间隔为1500us时高原冷机怠速波动-6～6.5rpm，怠速波动最小；预喷间隔太大时，主喷喷射时预喷已经燃烧完，缸内温度已经降低，无法起到混合或部分燃烧缩短主喷射的着火延迟期；预喷间隔太小时，预喷油量还未燃烧预热气缸就已经喷射主喷，无法降低缸内压力升高率和峰值压力，无法改善冷机怠速稳定稳定性；本车辆的高原冷启动预喷间隔选择1500us。

2.1.2 主喷油提前角的确定

主喷油提前角是指喷油器开始主喷油时，活塞从上止点开始的曲轴转角。主喷油提前角对柴油机的运行状况有很大的影响，如果喷油提前角过大，会导致待机时间过长，造成发动机工作粗暴。如果喷油提前角过小，燃烧过程会延迟太多，最大压力值降低，会明显降低柴油机的热效率。因柴油机在高原低温冷机运行时转速较低，着火温度也只能在压缩上止点附近才能达到，因此过早或过晚的提前角均不利于稳定燃烧。过早喷油的话，柴油由于缸内温度低，氧含量低，会导致待机时间过长，造成发动机工作粗暴，缸内燃烧稳定性变差。过晚喷油的话，燃烧过程会延迟太多，最大压力值降低，会明显降低柴油机的热效率，高原冷机本身发动机内部阻力大，燃烧效率变差后，燃烧稳定性会受影响。本文在采用两次预喷的策略下，对主喷提前角共测试六个：-7℃A BTDC、-5℃A BTDC、-3℃A BTDC、-1℃A BTDC、5℃A BTDC和7℃A BTDC。图3为柴油机在冷却液温度大致在-11～-9℃、大气压725hpa时不同主喷提前角的怠速稳定性对比图。从图5中可看出，上止点前开始主喷的怠速稳定性能优于上止点后。这是因为上文提到的预喷引燃作用，可提高主喷的混合气均匀性，主喷角度在上止点前，这样可有效地发挥预喷的引燃作用，从而利于车辆的稳定燃烧，确保怠速的稳定性。a.主喷提前角-7℃A BTDC，怠速偏差-52.5～69.5rpm；b.主喷提前角-5℃A BTDC，怠速偏差-98.5～72.5rpm；c.主喷提前角-3℃A BTDC，怠速偏差-40～23rpm；d. 主喷提前角-1℃A BTDC，怠速偏差-88.5～5rpm；e. 主喷提前角5℃A BTDC，怠速偏差-7.5～7rpm；f. 主喷提前角7℃A BTDC，怠速偏差-6～5rpm；因此本车辆的高原冷机怠速选用上止点前7℃A BTDC进行主喷燃油，怠速转速偏差最小。

2.1.3 轨压的确定

本文的轨压共测试四个：200bar、260bar、360bar和450bar。图6为柴油机在冷却液温度大致在-10℃时不同轨压的高原冷机怠速对比图。从图6中可看出，200bar轨压的怠速波动-89～102rpm，260bar轨压的怠速波动-51～31rpm，360bar轨压的怠速波动-10.5～12.5rpm，460bar轨压的怠速波动-26～26rpm，360bar轨压的怠速波动最小。因为适当的轨压，燃烧越稳定，怠速波动越小。稳态工况下，轨压越高，喷雾质量越好，可燃混合气形成速度越快，怠速时发动机的转速较低，此时气流的运动较弱，过大的轨压下喷入的油束易粘附在缸套上而不能与空气充分混合，可燃混合气形成速度慢，不利于缸内燃烧，另外过高轨压意味着高压油泵需要消耗更多的能量，从而使得转速不稳定，因此本车辆的高原冷机怠速选用360bar的轨压。

2.1.4 预热电压的确定

本文的预热塞采用的12V的低压预热塞，控制方式如图7，ECU接收发动机冷却液温度，当温度低于设定温度后，ECU根据不同的转速和油量设定不同的预热电压，提高发动机进气温度，以改善发动机的燃烧，保证发动机怠速的稳定性。发动机的预热电压分前预热电压和后预热电压，前预热电压是启动前的预热电压，后预热电压是启动后的预热电压，本文主要试验的是后预热的电压，预热电压过低预热塞预热温度低，影响高原冷机怠速稳定性，如果预热电压过高，预热塞温度会过高，容易烧坏预热塞；本文主要试验确认保证怠速稳定的最低电压。本文试验共测试四个电压：0mV、2000mV、4000mV，5600mV。如图8，不同预热电压的怠速转速波动试验结果可知，预热电压采用5600mV时，怠速转速波动范围-8.5～12rpm，怠速转速满足要求。

3 结论

柴油机要想在冷机高原下稳定的保持怠速须得满足以下三个条件：一是必须要有雾化效果好、浓度适宜的混合气；二是保证气缸内要有一定的压力以满足混合气可稳定燃烧；三是保证进气和缸内有合适温度。本文从燃烧参数控制的优化方面开展车辆在低温高原条件下的冷机怠速稳定的研究工作，得出以下结论：

（1）合适的预喷油量和间隔，由于预喷的引燃作用，缸内的压力和温度在主喷之前就已经升高，有利于主喷燃油的雾化蒸发，提高了主喷的混合气均匀性，合适的预喷油量和预喷间隔使预喷滞燃期和主喷滞燃期的重叠期缩短，从而利于车辆的燃烧稳定。

（2）低温冷机怠速过程中，发动机的转速较低，此时气流的运动较弱，高轨压下喷入的油束易粘附在缸套上而不能与空气充分混合，可燃混合气形成速度慢，不利于缸内燃烧，另外高轨压意味着高压油泵需要消耗更多的起动能量，从而使得燃烧不稳定，轨压过低，喷油雾化不好缸内混合不均匀，缸内燃烧不好，从而使得燃烧不稳定，因此车辆高原冷机怠速需选择合适的轨压。

（3）高原低温下发动机各机体均过冷且进气温度也低，在有预热塞的条件下，燃烧室内形成雾化良好的混合气温度更高，燃烧更稳定，使车辆怠速更稳定。

（4）高原冷机状态，氧含量低且进气温度和缸内温度低，适当加大主喷提前角可以提高缸内温度，减少缸内压力，减少缸内粗暴燃烧，有利于缸内燃烧，使缸内燃烧更稳定，进而使怠速更稳定。

参考文献：

[1]中国发展改革委.《西部陆海新通道总体规划》[EB/OL].[2019-8-16].https：//www.ndrc.gov.cn/fggz/zcssfz/zcgh/201908/t20190816_1145788.html.

[2]中国皮卡网.《2023年全国31省皮卡终端销量详解》[EB/OL].[2024-1-24].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1788837847032250127&wfr=spider&for=pc.

[3]张建军.柴油喷射正时对天然气/柴油双燃料发动机燃烧特性的影响[J].2019，235：838-846.

[4]刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究[M].北京：北京理工大学出版社，2013：2-12.

[5]郭亮.车用柴油机起动工况燃烧过程的研究[D].长春：吉林大学，2006.

[6]苏岩.柴油机起动工况燃烧和排放的逐循环和全过程研究[D].长春：吉林大学，2007.