某型号柴油机低温起动性能优化

陈月春，李兰菊，王霞，李素婷

1. 内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2. 潍柴动力股份有限公司 发动机研究院，山东 潍坊 261061；3. 潍柴动力空气净化科技有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

柴油机可靠性高、经济性好,能适合各种作业环境，广泛应用于各类动力装置。低温起动性能直接影响柴油机在低温条件下的运行性能及寿命。我国地域辽阔，北方冬季气温较低，柴油机冷起动困难是制约其在低温环境下应用的重要因素。低温环境下，由于柴油机进气和机体温度低，压缩终点时的缸内温度偏低，缸内燃烧恶化，导致柴油机低温起动困难[1-2]。按照汽车起动性能试验方法[3], 柴油机低温起动试验的环境温度为 (-35±2) ℃，通常环境温度低于-20 ℃时，柴油机就会出现起动困难现象，当环境温度低于-40 ℃，若不采用其他辅助手段，柴油机将无法顺利起动[4-7]。研究柴油机低温起动影响因素，提出柴油机起动性能改善措施，对提高柴油机低温可靠性具有重要意义。

1 问题描述

某国六排放柴油机参数如表1所示。搭载该型号柴油机的试验车在海拉尔极限低温(环境温度约为-30 ℃)静置12 h后，起动试验中出现了起动困难、转速无法快速上升等现象，具体表现为起动机长时间拖动后，柴油机无法自行顺利着火，起动过程中排气管持续冒白烟等现象。

表1 柴油机参数

柴油机技术要求：温度高于-15 ℃时，起动时间不超过3 s；温度等于或低于-25 ℃时，起动时间不超过30 s。试验车的低温起动试验结果如图1所示。由图1可知，试验车的起动时间不满足技术要求，说明该柴油机存在低温起动困难。

图1 低温起动试验结果

2 原因分析

为了更进一步优化柴油机低温起动性能，对可能影响起动性能的因素进行分析。

通常柴油机起动必须具备的条件[7]：1)压缩终了温度必须足够高，即柴油机自燃温度要高于开始着火最低临界温度；2)必须形成易于着火的混合气。

影响柴油机低温起动的因素有：拖动转速低、燃烧参数匹配不合理、压缩比不合适、预热时间不够、进气温度低、漏气量大等，其中柴油机进气温度直接决定缸内燃烧状况，是影响柴油机低温起动的主要因素。低温环境下，柴油机进气温度低，气缸内压缩终点的温度也随之降低，气缸壁传热增大，导致压缩终点缸内压力下降[8]。提升柴油机低温起动性能需要尽可能改善缸内压缩终点的温度。将进入气缸的空气温度视为柴油机压缩始点的气体温度T1，则柴油机低温起动时压缩终点的气体温度[9]

T2=ε(k-1)(1-α)(1-β)k-1T1,

(1)

式中：ε为气体压缩比，ε=V1/V2，其中V1为气缸总容积，V2为燃烧室容积；k为绝热指数，k=Cp/Cv，其中Cp为等压比热容，Cv为等容比热容；α为压缩冲程的热量损失，0<α<1；β为压缩过程中漏气率。

由式(1)可知，进气温度高会提高柴油机压缩终点的气体温度，有利于缸内气体蒸发和雾化，促进可燃混合气的形成。

针对该型柴油机低温起动困难问题，本文中主要从提升柴油机进气温度出发，分析影响进气温度的因素，提出提高压缩比、采用分缸加热及优化气门间隙3种改进措施，并进行低温起动试验，验证改进效果。

3 改进措施及效果验证

3.1 提高压缩比

压缩比表示缸内气体的压缩程度，是影响柴油机低温起动性能的重要参数，压缩比直接影响柴油机循环有效压力、残余废气系数和充气效率等。在环境温度为-30 ℃、转速为250 r/min时，柴油机纯压缩过程不同压缩比下的缸内最高压缩温度如图2所示。由图2可知：柴油机缸内最高压缩温度随着压缩比增大逐步上升；压缩过程的缸内最高温度与压缩比呈线性关系；压缩比由17提升到18.5，缸内压缩温度升高14 ℃左右。

图2 不同压缩比下的缸内最高压缩温度

环境温度为-30 ℃时，不同压缩比的柴油机低温起动转速曲线如图3所示。由图3可知：与压缩比为17时相比，压缩比为18.5时发动机起动时间缩短7.2 s，起动效率提升32.7%。

图3 不同压缩比下起动转速曲线

提高压缩比有利于改善柴油机的低温起动性能。随着柴油机压缩比增大，气缸内压缩终点温度增高，有助于提升缸内燃烧质量，使缸内燃烧平稳；高压缩比时缸内更容易形成着火氛围，对柴油机低温起动性能有较大影响，因此提高压缩比对低温起动具有良好的效果，可改善柴油机低温起动性能。

3.2 分缸加热

进气温度是影响柴油机低温起动性能的关键因素之一[10-11]，不同进气温度下柴油机缸内最高压缩温度如图4所示。由图4可知，缸内最高温度与进气温度基本呈线性关系，进气温度每增加10 ℃，缸内最高温度增加约10 ℃。因此，低温环境下对进气进行加热，通过升高进气温度可以有效提高柴油机的缸内工质温度，改善各缸燃烧状况，提升柴油机的冷起动性能。

图4 不同进气温度下缸内最高压缩温度

原柴油机采用进气加热格栅结构，为了提高进气温度，改善起动性能，本文中对柴油机进气道结构进行更改。柴油机原进气管路结构如图5所示。原结构的加热格栅距离进气孔道距离较远，加热后气体与进气道管壁之间存在散热损失，且进气加热格栅仅能加热稳压腔和进气道的气体，无法加热中冷器与稳压腔入口之间的气体，加热气体量有限。新结构增大进气稳压腔容积，取消进气加热格栅，在原结构4个进气孔道处增加分缸加热器。改进的进气管路新结构如图6所示。分缸加热器安装在进气孔道处，减少了散热损失，更利于提升缸内压缩温度。增大进气稳压腔容积后，第1、2缸涡流比均得到提升，其中1缸涡流比较原方案提升30%，2缸涡流比提升3%，1缸涡流比得到大幅提升，有助于改善1缸的燃烧，且各缸进气流量系数均得到提升，有助于增加进气量。

图5 进气管路原结构 图6 进气管路新结构

为了比较进气加热格栅与分缸加热对起动性能的影响，本文中进行了冷仓起动效果对比试验，试验环境温度均设置为-30 ℃，分缸加热器与进气加热格栅总加热功率和加热时间相同，不同加热方式的起动试验结果如图7所示。由图7可知：采用分缸加热时，柴油机转速上升迅速；采用格栅加热时，由于起动初始阶段进气温度相对较低，缸内着火氛围不好，柴油机转速上升缓慢。2种加热方式的进气温度变化如图8所示。由图8可知，采用分缸加热器起动的进气温度较高，且用时较短，效果明显优于采用进气加热格栅，在一定程度上改善了柴油机低温起动性能。

图7 不同加热方式起动效果对比

图8 不同加热方式下进气温度

3.3 优化气门间隙

气门间隙过大时，气门升程不足，易导致进气不充分、排气不彻底；气门间隙过小时，气门关闭不严，易造成漏气。为了保证起动时进气充足，排气干净，应调整和优化气门间隙[12-14]。本文中选取2种气门间隙方案开展对比试验，方案1为原机气门间隙，进气门间隙为0.03 mm、排气门间隙为0.04 mm；方案2为改进后的气门间隙，进气门间隙为0.07 mm、排气门间隙为0.04 mm。试验结果显示，在纯压缩过程中，方案1、2的缸内最高压缩温度分别为440 ℃、441.5 ℃，方案2的缸内最高温度较方案1升高约1.5 ℃。可见通过优化气门间隙在一定程度上可以提升缸内温度，而缸内温度的提升对缩短滞燃期有积极作用。

在低温环境仓开展了2种气门间隙方案的低温起动性能对比试验，2种方案的起动试验曲线如图9所示。由图9可知：2种方案的起动时间基本一致；方案2柴油机在起动初期缸内着火速度比方案1更快；方案2的指示平均有效压力从第15循环开始比方案1增大，但从第55循环后，方案1的指示平均有效压力优于方案2。

图9 2种气门间隙方案起动性能对比 图10 2种气门间隙方案燃烧持续期

燃烧持续期长意味着缸内瞬时燃烧放热速率降低，缸内不完全燃烧过程减少，对提升起动性能有利。2种方案的燃烧持续期对比如图10所示。由图10可知：起动循环的第20～30循环，方案2的燃烧持续期较方案1长，增幅约为45%；但随着循环数增加，方案2的燃烧持续期无明显优势。因此通过优化气门间隙不能明显提升柴油机起动过程的缸内温度和低温起动性能。

4 结论

1)提高柴油机压缩比，有助于提升气缸内压缩终点温度和燃烧质量，改善低温起动性能。

2)采用分缸加热能进一步提升进气温度，起动用时较短，效果明显优于进气格栅加热，可一定程度改善起动性能。

3)优化气门间隙方案仅能轻微提高压缩温度，对燃烧的改进有限，不能改善柴油机低温起动性能。