某小排量高压共轨柴油机冷起动改善

陈荣章，杜立

（同济大学汽车学院，上海201804）

某小排量高压共轨柴油机冷起动改善

陈荣章，杜立

（同济大学汽车学院，上海201804）

冷起动时间较长是小排量高压共轨柴油机所面临的问题之一。研究改善小排量高压共轨柴油机的冷起动时间的同时，考虑满足相应的排放要求。以某排量为1 L的柴油机为研究对象，提出柴油机冷起动改进的方案，并对预热部件、飞轮、燃油系统进行优化与改进进行了相关的试验。试验结果表明，这些措施改善了柴油机的冷起动性能，同时也满足了排放要求。

柴油机高压共轨冷起动改进

1 概述

某小排量高压共轨系统柴油机在北方寒冷地区，冬季冷起动时间较长。针对这个问题，对此款柴油机进行了一些改进和优化，比如改变预热塞、更换大飞轮、优化预热时间、优化主喷时间、增加起动油量等以改善冷起动性能；并通过分析实验数据验证这些措施的可行性。

本研究的目的在于改善小排量高压共轨柴油机的冷起动时间，以期提高其冷起动性能的同时并满足相应的排放要求。如何合理匹配高压共轨系统是满足柴油机性能、可靠性及排放要求的关键。

2 柴油机试验设备和试验方案

2.1 柴油机基本参数

该柴油机的基本参数如表1所示。

表1 柴油机基本参数

2.2 试验方案

因为项目进展和时间的限制，起动时间的优化着重是在-25℃时柴油机的起动性能，并且在安装大飞轮和陶瓷预热塞的情况下进行。

起动时间是衡量低温起动性能的一个重要参数。起动时间可以通过标定来优化[1]。发动机由静止状态过渡到工作状态，需要外力转动曲轴，在外力作用下曲轴从开始转动到发动机开始自动怠速运转的全过程，称为发动机的起动。

发动机起动时，必须克服气缸内被压缩气体的阻力和发动机本身及其附件相对运动零件之间的阻力和惯性力。克服这些阻力和惯性力所需要的力矩称为发动机的起动转矩，保证发动机顺利起动所必需的曲轴转速为起动转速。

试验方案如下：

预热时间优化；

主喷时间优化；

起动油量优化；

轨压优化；

2种硬件配置对冷起动时间的影响。

3 优化实验结果与分析

3.1 预热时间优化

如图1所示，预热15 s时起动时间为44 s，预热25 s时起动时间降为37 s，但是烟度从20%增加为36%[2]。综合考虑，预热时间设定为15秒。

图1 预热时间对冷起动的影响

从试验的结果看，在-27℃下，采用金属预热塞和小飞轮起动失败；采用陶瓷预热塞和大飞轮的起动时间在36.5秒。在-17℃的情况下，起动时间改善更为明显。大飞轮可以储存更多动能以克服发动机的摩擦，减缓发动机转速降低太快。采用陶瓷预热塞可以改善燃烧有助于起动[3]。关于怠速，发动机起动前转动时间长有助于怠速的稳定。起动前较长时间的转动降低了发动机的摩擦，所以怠速会比较稳定。相同的起动前转动时间，安装大飞轮和陶瓷预热塞后发动机的怠速相比安装小飞轮的稳定。

3.2 主喷时间优化

电控高压共轨系统能实现多次喷射功能，从而大大提高了柴油机的综合性能。多次喷射可分为:预喷（PⅠ）、主喷（MⅠ）和后喷（PoⅠ）。

本次试验中，共选择了4种主喷提前角，分别为上止点前1、2、3和4.5℃A.。从图2中可以看到，主喷提前角上止点前1℃A时起动时间为37 s，2℃A时起动时间为44 s，3℃A时为41 s，4.5℃A时为35 s。其中1℃A和4.5℃A都可以缩短起动时间，降低起动烟度[4]。综合考虑烟度和起动时间，最终主喷提前角选取上止点前4.5℃A。

图2 喷油定时对冷起动的影响

3.3 起动油量优化

起动油量对冷起动的影响如图3所示。50 mg和60 mg的起动油量对起动时间影响很小；但是60 mg起动油量的烟度略高于50 mg时的烟度，因此选取起动油量为50 mg。

3.4 高压油轨轨压优化

高压共轨轨压对冷气动的影响如图4所示。当高压油轨轨压由32 MPa调整到37 MPa时，虽然烟度有所增加，但是起动时间由44 s缩短到38 s，改善十分明显，因此轨压选择37 MPa。

3.5 飞轮和预热塞更改

飞轮惯量和预热塞预热性能对冷起动的影响如图5所示。大飞轮+陶瓷预热塞比小飞轮+金属预热塞对改善冷起动时间有明显的效果。

图3 起动油量对冷起动的影响

图4 高压轨压对冷起动的影响

4 结论

本文围绕小排量高压共轨系统柴油机冷起动的优化展开讨论，并最终通过相关实验对此进行了相关验证，得到主要结论如下：

（1）高压共轨燃油系统在喷油压力、喷油定时、喷油规律和喷油量上可以实现灵活、准确控制，因而能够很好地满足柴油机对燃油系统的要求[5]。燃油系统是提高柴油机经济性和排放性的关键技术之一，故高压共轨燃油系统对发展先进的柴油机意义巨大。

（2）冷起动时间较长是小排量高压共轨柴油机所面临的问题之一。本课题的意义在于如何改善小排量高压共轨柴油机的冷起动时间，以期提高其冷起动性能的同时满足相应的排放要求。

图5 飞轮和预热塞对冷起动的影响

（3）本文以某1.0 L增压直喷式柴油机为研究对象，采用计算与试验研究相结合的方法，提出柴油机冷起动的改进方案，并进行了相关的试验。为了使柴油机冷起动性能达到最佳，进行了关键部件的优选及匹配。具体措施是预热部件的改进（金属预热塞改为陶瓷预热塞）、起动部件的改进（小飞轮改为大飞轮）和优化冷起动时间（预热时间优化、主喷时间优化、起动油量优化、轨压优化）[6]。试验证明，通过各部件的优选与匹配以及标定优化，改善了柴油机的冷起动性能，同时满足了排放要求。

（4）研究过程中采用AⅤL测量系统，实施了以上各方案，并对各实验结果进行了比较详细的对比研究。最终成功地使这款1.0 L柴油机达到预期性能目标，并达到了排放法规的要求。

1李德桃著．柴油机冷起动的基础研究和改善措施[M]．北京：科学出版社，1997．

2Li D,Zhu X,He X,et al．Transient Combustion Process of an IDI Diesel Engine with Dual-Throat Jet at Cold-Starting[C]．SAE 960029．

3 Li D T,et al.,An Analysis of the Unsteady Combustion at Starting in a Swirl ChamberDiesel Engine in Cold starting,Proceeding of 2nd-APISCEU，1993.185-189.(Transactions of CSICE,Vol.1 2．(1994)No.1,29-35.)．

4 Zhu X G,Li D T．Investigation on Ignition and Combustion at Starting in a Swirl Chamber Diesel Engine with a Starting Throat,Proceedings of the Fifth International Pacific Conference on Automotive Engineering:Beijing,China,November 5-11,1989 Society of Automotive Engineers of China．

5蒋德明.高等内燃机原理[M]．西安：西安交通大学出版社，2002．

6梁金广，于秀敏，王云开.进气预热对电控柴油机起动性能的研究[J]．汽车技术，2007（2）：30-32．

图5 活塞第一道环槽优化的机油耗试验结果

图6 活塞头部间隙优化和活塞第一道环槽优化的机油耗试验结果

参考文献

1王启航，侯方，韩祖豪等．CA4DC2-10E4皮卡国IV排放样车的开发[J]．柴油机设计与制造，2012（4）．

2王启航，韩祖豪，陈然等．匹配皮卡车型的半电控VE泵柴油机的开发[J]．柴油机，2012（3）．

3王启航，王永红，苏庆运等．现代车用柴油机实用技术[M]．大连：大连理工大学出版社，2012．

Ⅰmprovement of Cold Starting of Diesel Engine with High Pressure Common Rail Fuel System

Chen Rongzhang,Du Li
（Automotive School of Tongji University,Shanghai 201804,China）

Ⅰt usually takes longer time to start a small diesel engine with high pressure common rail system.To tackle this problem,the improvement of engine cold starting while meeting emissions regulation is carried out on a small diesel engine of one liter with some measures to intake heating device,flywheel inertia,common rail system,etc.And verification of the measures is made with relevant tests.The test results show that the measures are effective to the improvement of cold starting while the engine satisfies the emissions regulation.

diesel engine,high pressure common rail,cold starting,impromenet

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.007

来稿日期：2013-11-08

陈荣章（1956-），男，工程师，主要研究方向为汽车产品营销与管理、汽车后市场。