柴油机高原冷起动方法探讨与分析

时间：2024-08-31

杨艳庆

（伟博汽车科技有限公司，无锡214000）

0 引言

高原地区具有大气压力小，空气密度小，环境温度低、灰尘和沙石多等众所周知的明显特点。柴油机在高原地区工作时进入缸内的空气量减少，使缸内气体压缩终点的温度降低，柴油雾化不良，导致柴油机起动困难，而且这个问题会随着海拔高度的增高而越趋严重[1]。本文列举了在高原环境下柴油机冷起动困难的原因，并对影响柴油机高原冷起动能力的因素进行分析研究。

1 高原环境下柴油机冷起动困难的原因

柴油机可靠起动必须具备以下基本条件：一是燃油与空气混合成一定数量的可燃混合气体，二是可燃混合气达到一定的温度，三是着火温度保持时间必须足够长。造成柴油机冷起动困难主要有以下几点。

（1）压缩终了时缸内压力低。低温起动时，由于气缸传热量、漏气损失增加，造成压缩终了时的缸内压力偏低，混合气不易自燃，导致柴油机起动困难。

（2）_压缩终了时缸内温度低。由于柴油黏度大、蒸发性差，特别是当外界环境温度低时，柴油机吸入气缸的空气温度低，同时气缸壁、气缸盖和活塞顶的温度也低，加之柴油机起动时转速低，压缩终了时气缸内压力低，空气与燃油混合气的温度达不到自燃温度，柴油机难以起动。

（3）空气含氧量降低。随着海拔的升高，进气量减少，进入柴油机缸内的氧气减少，导致柴油机压缩压力降低，滞燃期急剧增加。其实际效果是推迟着火和降低燃烧速率，导致工质的热力状态极不稳定，初期着火时断时续，极易发生失火现象，使柴油机起动时间增长，造成起动困难。

（4）可燃混合气的组成及品质恶化。低温时，燃料的黏度增大，起动转速低，燃料的蒸发和雾化均恶化，喷入气缸内未蒸发的燃油附着在燃烧室表面，阻止了后续燃油的蒸发，影响压缩终了时的缸内温度，进而使缸内燃油的蒸发更加困难。

（5）摩擦阻力大。柴油机所使用的润滑油，其动力黏度随着温度的下降而增大。柴油机起动过程中外部环境温度低，润滑油的动力黏度增大，其流动性变差，造成柴油机的曲轴与轴瓦等摩擦面之间供油不足，形成半干摩擦或干摩擦，导致各运动副间的运动阻力増大[2]。

柴油机在低温起动过程及起动后的暖机过程中，因摩擦引起的磨损比例是总磨损的50%～75%。

（6）蓄电池性能下降。起动机起动力矩的大小与所用蓄电池的电容量有关。当蓄电池的电容量减小时，必然导致起动机的起动力矩减小，这也是严寒条件下柴油机起动困难的原因之一。目前常用的蓄电池是铅酸蓄电池，其电容量受温度变化影响大。蓄电池的电容量越小，其内阻越大，放电能力越低。当外界温度低时，蓄电池的电解液温度也低，导致其内阻增大，放电能力减小，因而造成起动机的起动力矩减小；而且蓄电池的电容量随温度下降的幅度更大。当电解液温度由20℃下降到-20℃时，起动机的起动力矩减小32%，而蓄电池的电容量减小大约60%。

2 柴油机冷起动性能影响因素的研究

许多学者对柴油机冷起动性能进行了大量的研究。由这些研究结果可知，影响柴油机冷起动性能的因素主要有环境条件（环境温度、发动机冷却液等）、喷油参数、拖动转速、燃油特性、压缩比、燃烧室设计等。

2.1 环境温度

环境温度是影响冷起动性能的主要原因之一。较低的环境温度直接对缸内压缩终了时的温度和压力产生不利影响。

Lindl等人提出了基于多变过程模型的经验公式（1）[3]，并对压缩比为17的柴油机在不同环境温度下压缩终了时的缸内温度进行计算。计算结果表明，不同的初始进气温度对压缩终了时的缸内温度有着非常显著的影响。

式中：TTDC为压缩终了时的缸内温度，Ta为不同环境温度，εc为柴油机压缩比，n1为压缩多变指数。

结合公式（1）简单地运用气体状态方程就可以知道，不同的初始进气温度对压缩终了时的压力同样有着非常显著的影响。Zadeh等人则通过在1台单缸4冲程直喷柴油机上进行试验而得到同样的结论。显然，这一温度与压力的变化，必然对缸内燃油的蒸发及混合气的滞燃期产生显著的影响。

此外，环境温度过低还会造成燃油喷雾过程恶化。研究表明，冷起动条件下的缸内气体密度与正常工况的相比较低，导致燃油喷射破碎距离增大，雾化性能变差，附着壁面上的燃油量增多。Steven等人采用高速摄影方法对1台2冲程直喷柴油机冷起动过程进行研究，结果也表明了这一点，且由于燃烧室壁面温度较低，使得附着壁面上的燃油难以蒸发，造成缸内燃油蒸发量减少，起动性能力能变差[4]。

以上研究均表明，在较低的环境温度下，缸内混合气形成品质变差，混合气滞燃期变长，混合气燃烧压力不足，使得柴油机冷起动着火困难，甚至无法起动。

2.2 喷油正时

喷油正时是影响冷起动过程中缸内混合气形成及着火性能的重要因素。在冷起动过程中，发动机转速较低，虽然缸内压缩压力和温度较低造成滞燃期变长，但相同燃油喷射持续时间所转过的曲轴转角变小。这时适当推迟喷油，有利于燃油的雾化蒸发，提高冷起动性能。若过早喷油时，缸内的压力和温度很低，导致滞燃期较长，且使得燃油喷射贯穿距离变长，会导致严重的燃油附着壁面现象。若喷油时刻过迟，则滞燃期持续到膨胀行程中，此时活塞下行，缸内容积逐渐增大，混合气的着火反应速度减小，滞燃期拉长，使得着火时刻落在膨胀行程中而远离上止点的位置，造成燃烧着火性能变差。若喷油时刻进一步延迟，则会导致混合气在膨胀行程中着火前的反应中止，无法着火燃烧，出现失火现象。研究表明，在压缩行程中的活塞运动将使得滞燃期缩短，而使滞燃期在膨胀行程迅速增大。在一定的环境温度及转速下，喷油正时存在一个能保证顺利着火燃烧的区域，当喷油正时落在此区域外时，燃烧将会严重恶化，甚至出现失火现象[5]。

2.3 拖动转速的影响

冷起动过程中，拖动（外力带动发动机转动）转速对起动性能也有着非常重要的影响。通常，拖动转速增大可以在一定程度上提高缸内压缩终了时的温度和压力，这将有利于改善缸内混合气的着火性能。如果拖动转速过低，由于缸内散热及漏气损失严重导致缸内温度和压力很低，缸内气体运动速度降低，使得混合气形成困难，滞燃期变长，着火过程难于进行，甚至无法着火燃烧。拖动转速对混合气着火性能还会产生另一方面的影响。拖动转速增大，会导致上止点附近压力和温度较高区域的持续时间减少，这对混合气着火前的反应过程产生不利的影响。Phatak等人的研究表明，当转速过高时，混合气着火前的反应时间减少，这对缸内混合气着火性能的影响将大大超过提高压缩终了时的温度和压力所产生的影响。Han等人的研究结果同样表明，当拖动转速过高时，虽然此时缸内压缩压力和温度提高，使得滞燃期有所减小，但其所占的曲轴转角数值却变大，将滞燃期延伸至膨胀行程中。当燃烧始点远离上止点（TDC）时，也会导致着火困难甚至出现失火。因此，柴油机冷起动过程应存在一个较佳的拖动转速，可以使发动机获得较好的冷起动性能；但Phatak等人的研究也表明，在柴油机冷起动性能和拖动转速之间并不能建立描述这种影响的确切的关系式。

2.4 燃料特性的影响

燃料特性对冷起动过程的影响主要是十六烷值和燃料挥发性。较好的燃料挥发性有利于缸内可燃混合气的形成，提高柴油机的着火燃烧性能。十六烷值主要影响混合气的滞燃期。当十六烷值由50变到60时，其对滞燃期的影响很小；而当十六烷值降到50以下时，滞燃期将随十六烷值的降低而迅速增大。

2.5 压缩比的影响

压缩比是影响缸内压缩压力和温度的一个最重要因素。提高压缩比，增大缸内压缩终了时的压力和温度，一方面有利于改善燃油喷雾性能，减小燃油附壁量，促进油滴蒸发，另一方面有利于提高混合气着火前的反应速率、缩短滞燃期。Tsunemoto等人的研究也表明了这一点，较高的压缩压力和温度能够有效缩短混合气的滞燃期，且可以显著减小燃油的附壁量。虽然提高压缩比有利于改善柴油机的冷起动性能，但选择压缩比时必须综合考虑柴油机的经济性、排放及结构强度。

2.6 缸内累积燃油的影响

Liu等人采用仿真的方法对1台单缸直喷柴油机进行研究，结果表明缸内累积的附壁燃油对实际空燃比产生一定的影响，且由于附壁燃油的蒸发，将使得缸内总的燃油蒸汽浓度增大，这些因素将有利于促进缸内混合气的着火。Phatak等人也分别通过试验发现，在冷起动过程中，前一循环不着火或着火性能较差而滞留的燃油蒸发，将对此循环的空燃比产生一定的影响，从而影响此循环缸内混合气的着火燃烧性能。

3 改善冷起动的措施

目前，对于改善柴油机冷起动性能的研究主要集中在优化柴油机结构参数和改进冷起动辅助施2个方面。

为了提高柴油机的冷机起动性能，国内外许多学者提出了各种冷起动辅助措施。所有这些措施本质上均是通过以下2个方面来改善冷起动过程缸内混合气的着火性能：一是促进柴油机冷起动过程缸内混合气的形成，一是改善缸内混合气的着火条件，缩短混合气的滞燃期。

3.1 优化喷油参数

燃油对柴油机冷起动性能的影响主要是其蒸发和雾化性能。喷油供油量、供油提前角，柱塞参数、出油阀型式，及怠速调速率对喷雾质量具有重要的影响。同时，燃油系统中的喷油泵作为柴油机的一个独立部件，改动相对简单而且成本也低。通过分析喷油泵参数对柴油机冷起动性能的影响，在不影响柴油机其他工况性能的前提下，通过优化喷油参数来提高冷起动性能。

Osuka等人研究了燃油预喷射对柴油机起动性能的影响。他们的研究结果表明，燃油预喷射使得柴油机的冷起动时间、白烟排放等都得到了很好的改善。他们认为这主要是预喷射的冷着火反应提高了主喷射燃油的着火性能。Bielaczyc等人在1台直喷柴油机上，通过采用在起动过程的前5 s切断燃油供给的方法，使得冷起动过程的一氧化碳（CO）、碳氢（HC）和颗粒（PM）排放比正常起动过程的分别降低了62%、41%和58%[5]。

上海交通大学王政等人为了解决直喷柴油机4DX冷起动困难的问题，从喷油泵着手进行改进，对起动油量、供油提前角，柱塞参数、出油阀型式，及怠速调速率对起动性能影响的规律进行了研究，并通过试验对这些参数进行优化匹配。结果表明，通过对喷油泵参数优化，提高了柴油机的冷起动性能，同时保证其他工况性能不受影响，满足了车用柴油机的实际使用要求。

供油提前角和供油量对柴油机冷起动性能的影响较为明显，但是需要对其进行精确控制。电控共轨燃油系统不仅可以实现喷油量和喷油定时的精确控制调节，还可以实现喷油压力和喷油规律的精确调节和适时控制。

3.2 调节排气门关闭正时

缸内残余废气量对燃烧过程有着非常重要的影响。除热效应外，缸内残余废气对进气氧含量的稀释效应及其不同组分的化学动力效应都将对缸内混合气的燃烧性能产生影响。在冷起动过程中，缸内残余废气中含有大量的HC、燃油蒸气及一些氧化产物。如果增大冷起动过程的缸内残余废气量，残余废气的热效应及废气中活化成分的化学动力效应将可能有利于缩短混合气的滞燃期，提高柴油机的着火燃烧性能，降低冷起动过程的排放。

2007年，上海交通大学内燃机研究所彭海勇等人在1台安装了高压共轨燃油系统的单缸直喷柴油机上进行试验，分析了不同排气门正时条件对柴油机冷起动过程燃烧及排放的影响。结果表明，通过调节排气门关闭正时，适当増大缸内残余废气量，可显著改善起动过程中初始着火循环的着火燃烧性能，提高起动过程缸内燃烧的稳定性。不同排气门关闭条件对起动过程的排放有着非常重要的影响。适当提前排气门关闭时刻，可以显著降低冷起动过程的碳烟排放，特别是降低冷起动过程初始阶段的碳烟排放。

通过调节排气门正时来改善柴油机冷起动性能，必须实现排气门正时的精确控制和连续控制，可变气门技术可以满足此要求。全可变气门机构能实现发动机配气定时和气门升程的连续可变，是可变气门技术的发展趋势。