不同进气预热装置对柴油机起动性能的影响研究

陈月春，耿国芳，李兰菊，王 霞，王兴元

(潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000)

柴油机低温起动能力是评价柴油机性能优劣的一个重要指标[1]。低温环境下，由于柴油机进气温度低会导致上止点压缩终了时混合气温度低，不利于达到柴油自燃条件，柴油机起动过程中拖动转速会变低，较低的起动转速将影响缸内气体的压缩效果，诸多因素相互关联、相互影响,最终造成了柴油机低温起动困难[2-4]。为了保证柴油机在低温下具备快速、可靠的起动性能，通常需要安装冷起动预热装置[1]，并有相关人员开展了进气预热对改善柴油机低温起动性能的研究[5-9]。目前，提高柴油机进气温度的进气预热装置有火焰预热和进气加热格栅预热[10],两者均是对进入缸内的空气进行加热,以提高缸内混合气温度。本文在某型号柴油机上开展了两种预热装置低温起动性能对比试验。

1 柴油机冷起动预热技术

1.1 火焰预热装置

火焰预热是将一个电热塞安装在柴油机进气管入口处，电热塞上安装有柴油进油接头，从低压油路中获取柴油。当接通电源后，电热塞中的电阻丝发热，杆身受热伸长，使球阀打开，柴油流出并着火燃烧，形成火焰预热空气。通过火焰预热器点燃柴油加热进气管中的空气，进而提升起动时的进气温度。

采用火焰预热可使进气温度上升,但燃油在进气管中燃烧，要消耗气管内部分新鲜空气,必然会减少进入气缸的新鲜空气,同时预热燃烧后的废气也会进入气缸，导致气缸内氧气浓度下降,会给低温起动带来更不利的影响。

1.2 进气加热格栅预热装置

进气加热格栅通常安装在进气管上，格栅为铝制外壳，内部加热材料为镍铬材料。通过外部电源加热自身，可以在 40 s内将进气管内格栅附近温度加热到 850 ℃左右，进气加热格栅加热时间决定了进气温升。ECU通过对各种温度(如进气温度、水温、机油温度等)监测，控制加热继电器来控制格栅加热进气，提升进气温度，使喷射的燃油与空气更好地混合，改善发动机冷起动性能。

本文对以上两种进气预热装置的柴油机起动性能开展了对比试验，从柴油机低温起动性能、最高进气温升及缸压方面对不同预热装置进行对比。

2 对比试验及结果分析

2.1 试验测量设备

对比试验在低温环境舱中进行,该环境舱内部尺寸为5 m×3.2 m×3 m，舱内温度由制冷机组控制，最大可支持排量为30 L的柴油机冷起动试验。试验时环境舱内的温度可在-45 ℃～+25 ℃之间设定,静态下温度波动误差不超过±0.5 ℃。

发动机起动过程中的转速信号用转速传感器采集,进气温度、润滑油温度信号用柴油机自带传感器采集。试验用发动机是潍柴六缸增压中冷直喷式电控国Ⅳ柴油机，试验用柴油机型号为WP12，排量11.596 L。

2.2 试验方案

当环境温度低于-15 ℃时,要使得柴油机缸内混合气在压缩终了温度达到着火要求,必须要对进气管中的空气进行适当预热。本次起动试验方法参考GB/T 12535—2007《汽车起动性能试验方法》[11],分别对安装火焰预热装置(下文记为方式A)、进气加热格栅预热装置(下文记为方式B)的柴油机进行了低温起动试验。试验目的是研究两种方式对柴油机低温起动性能影响，同时对比两种预热方式下柴油机进气管温升情况。试验前将供油提前角设置为相同角度，将环境舱温度依次设置为不同温度，起动对比试验时外部控制条件(蓄电池、机油牌号、柴油牌号等)均保持一致。

2.3 试验结果分析

2.3.1 起动时间对比分析

柴油机分别采用上述两种预热方式，在不同环境舱温度下的冷起动结果见表1。

表1 不同预热方式下起动时间对比

通过分析不同环境温度下，采用不同加热装置的起动试验数据可知：采用进气加热格栅预热装置更能满足极低温度环境下的柴油机起动要求。

起动时间差异的可能原因分析：使用两种预热方式后，柴油机的进气温度均会有所升高，缸内压缩终点温度提高，燃油更容易蒸发雾化，各个气缸更容易着火燃烧，做功能力增强，但由于火焰预热装置需要消耗进气管内的新鲜空气，使进气管内气体中氧气含量变少，且火焰燃烧产生的废气中含有许多不利于燃烧的组分，导致采用火焰预热装置的起动时间比进气加热格栅预热装置的起动时间长，效果不如进气加热格栅预热装置。

2.3.2 起动过程转速对比分析

图1为环境舱温度-35 ℃下，采用两种不同预热装置时柴油机起动过程转速对比图。

图1 不同加热装置起动曲线对比

从图1可知，火焰预热装置在该温度下起动失败。主要原因是采用火焰预热装置，柴油机起动初始阶段进气温度上升较慢，导致缸内压缩上止点处混合气温度不满足柴油自燃条件，此时喷入缸内的燃油无法快速燃烧，会有部分燃油聚集在活塞底部，造成湿壁现象，且火焰预热装置消耗进气管内的新鲜空气，且产生的废气进入气缸，以上因素均不利于低温下缸内着火燃烧。另外，采用火焰预热装置，柴油机起动过程转速出现了锯齿状波动，说明缸内未形成利于持续着火的燃烧条件，导致最后起动失败。

采用进气加热格栅预热装置，柴油机在起动初始阶段进气温度较高，利于缸内气体的混合，且加热格栅预热装置仅是对进气管内新鲜空气进行加热，不消耗新鲜空气。柴油机在低温起动过程中，转速上升平稳，经过一段时间能自行着火燃烧。

2.3.3 起动后烟度对比分析

图2为环境舱温度-25 ℃下采用火焰预热装置与格栅预热装置，柴油机起动过程的烟度情况。对比两个预热装置下柴油机起动阶段烟度可知：采用火焰预热装置时，起动过程中缸内温度并未达到柴油最佳燃烧温度，且由于火焰预热消耗了气管内部分新鲜空气，导致气缸内氧气浓度不足，进一步加剧了燃烧恶化，导致柴油机起动后产生大量灰黑烟；而采用格栅预热装置，由于预热过程并未消耗进气管内空气，柴油机起动后烟度明显优于柴油机采用火焰预热装置时的烟度。

(a) 方式A

2.3.4 进气温度分析

在不同环境温度下，采用两种进气预热装置的柴油机最高进气温度统计结果见表2。

表2 起动过程中最高进气温度 ℃

从表2可知，相同环境温度下，格栅预热装置能达到的最高进气温度要高于火焰预热装置，且随着环境温度的降低，两个预热装置对进气温度的加热效果基本趋于一致。

图3是采用不同进气预热装置的柴油机转速及进气温升曲线。从进气温度曲线趋势中可知，火焰预热装置后加热时间长，进气温度缓慢上升且维持的时间较长；而采用加热格栅预热装置，起动过程中的进气温升斜率较火焰预热装置温升斜率大。由于柴油机低温起动初期，采用加热格栅预热装置的进气温度较采用火焰预热装置高，因此柴油机起动迅速，起动过程中无明显的转速波动；但由于加热格栅预热装置后加热时间短，柴油机起动后进入怠速时，气缸内进气温度迅速下降，对怠速下柴油机转速稳定性有一定不利影响。

图3 不同预热装置转速及温升曲线

2.3.5 各循环燃烧压力分析

在环境温度-30 ℃下，测量了采用两种加热装置的柴油机低温起动过程的缸压变化曲线，如图4所示。从图上方式A可知，在前10个循环，缸内未有明显的着火燃烧迹象，缸内压力基本稳定在20 bar附近。由于柴油机冷起动为一个瞬变过程，进气温度、气缸壁面温度均较低，壁面的激冷效应增强，燃油不易蒸发雾化，不能形成足够数量的可燃混合气，且由于火焰预热初期温度较低，更不利于缸内快速形成着火氛围，导致滞燃期变长，燃油在缸内压缩上止点时无法正常着火，缸内压力基本为压缩缸内空气压力。

图4 两种方式柴油机缸压曲线

从图4中采用加热格栅后的柴油机缸压曲线方式B可知，进气温度明显升高，尽管第1个循环也未能成功着火，但压缩压力较方式A有明显提升。从第3个循环开始，缸内逐渐着火燃烧，缸内压力也基本稳定在110 bar左右。原因是由于使用加热格栅预热装置时，起动前期进气温度升高速度快，导致压缩上止点温度高，燃油易于蒸发雾化，活塞在上止点附近时燃烧室内的混合气浓度、温度均满足柴油自燃条件，因此随着循环数的增加，滞燃期明显缩短，燃烧更加稳定。

3 结束语

相同试验环境下，采用加热格栅预热方式的柴油机起动时间比采用火焰预热方式的短，起动更顺利；且采用加热格栅预热装置，起动过程中柴油机的烟度要小于采用火焰预热装置的。因此，低温环境下采用进气加热格栅预热方式更利于柴油机低温起动性能提升。