柴油机起动性能及烟度优化的试验研究

陈月春　吴心波　曾笑笑　马文娟　李素婷

摘要：为改善柴油机起动性能并降低起动过程的烟度，以某款国六轻型柴油机为研究对象，采用车载483烟度计实时测量起动过程烟度，开展起动转矩、轨压、主喷角度、起动过程开关废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）阀对柴油机起动性能和烟度影响的试验研究。试验结果表明：增大起动转矩能明显改善柴油机起动性能，轨压、主喷角度、起动过程开关EGR阀对起动性能影响不大；适当增大起动转矩、增大轨压、减小主喷角度、关闭EGR阀均能降低柴油机起动烟度。

关键词：柴油机；起动性能；烟度

中图分类号：TK421文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）05-0027-04

引用格式：陈月春，吴心波，曾笑笑，等. 柴油机起动性能及烟度优化的试验研究［J］.内燃机与动力装置，2023，40（5）：27-30.

CHEN Yuechun， WU Xinbo， ZENG Xiaoxiao， et al. Experimental study on optimization of starting performance and smoke for diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：27-30.

0 引言

柴油机具有热效率高、输出功率大、燃油消耗低等优点，被广泛应用在各个领域。随着柴油机的大量应用，柴油机排放导致的大气污染日益加剧。柴油机排放污染物中颗粒物（particulate matter，PM）较多，大气中超过20%的PM2.5来源于柴油机排放[1-2]。柴油机的起动性能不仅影响工作效率，还影响整车的烟度水平，是柴油机重要性能指标之一[3-5]。文献[6]中规定轻型车辆应进行常温下和低温下起动后的污染物试验，要求将起动阶段的排放污染物纳入计算，因此，在保证柴油机起动性能的基础上，降低起动过程中烟度尤为重要。

受进气及供油等综合因素影响，柴油机起动阶段冒黑烟的主要原因是进气量与供油量匹配不合理导致燃料不完全燃烧[7-11]。国内不少学者通过试验或仿真对降低柴油机烟度展开研究：楼狄明等[12]从增大供油提前角及起动转矩角度出发，提出了对起动过程滞速阶段改善的优化理念，提升了柴油机在高原环境下的起动性能；彭海勇[13]研究了废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）对柴油机起动过程的影响，指出柴油机起动阶段适当开启EGR阀，能有效改善缸内混合气的着火燃烧性能，可有效提升柴油机起动性能。

本文在已有研究成果基础上，以某轻型柴油机为研究对象，以保证柴油机起动性能及降低起动阶段碳烟的质量浓度（简称烟度）为研究目标，采用车载483烟度计对起动阶段烟度进行实时测量，开展发动机起动转矩（起动喷油量）、主喷角度、轨压及起动阶段开启、关闭EGR阀4个因素对柴油机起动性能及烟度影响的试验研究，为后续柴油机起动性能提升及烟度优化提供参考。

1 试验设备与试验方案

1.1 试验设备及样机

在某国六轻型样车上开展试验，试验样机为某国六轻型直列4缸、直喷四冲程、增压中冷、外置EGR、高压共轨柴油机。柴油机缸径为94 mm、行程为107 mm、排量为2.98 L、压缩比为17.5，后处理方式为氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）-颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）-选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR），起动方式为蓄电池带动起动机拖动。

采用AVL公司的车载483烟度计测量起动过程中的瞬态烟度。该483烟度计基于光声学方法测量碳烟，设备内部采用激光对炭黑颗粒进行周期性照射，炭黑颗粒受到照射后不断忽冷忽热，不停地膨胀、收缩。这种膨胀、收缩可视为一种声波，可通过麦克风采集成电压信号，通过调整不同的稀释比，实时测量不同环境下的烟度。

试验设备安装如图1所示。将车载483烟度计的采样探头固定在发动机排气管中，为保证测量准确性，采样探头应尽量靠近柴油機涡轮端，并尽可能提高车载烟度计的响应速度；为消除DPF对烟度测量结果的影响，车载烟度计探头安装在后处理总成前面，废气依次流过烟度计探头、DOC、DPF、SCR（废气流通方向如图1中箭头所示），保证测量的烟度为原排。试验采用连续测量模式，采样频率设定为10 Hz，烟度单位为mg/m3。

1.2 试验方案

按照文献[14]的规定设计4种发动机起动性能及烟度对比试验方案，如表1所示。

在相同条件下进行试验，首次起动时环境温度为15 ℃，起动后怠速运行约6 s，水温温升速度为4.5 ℃/min，每个方案的单个试验项目结束后，水温可上升约0.5 ℃，车辆原地冷却20 min，以尽可能维持相同的燃烧边界。

试验操作步骤为：当车载483烟度计热机结束并处于测量模式时，试验车辆钥匙上电并拧动，起动机开始拖动发动机，当柴油机起动成功后（以电子控制单元控制逻辑切断状态跳变为标志判断是否起动成功），怠速运行6 s后熄火，记录整个起动过程的试验数据。

2 试验结果与分析

2.1 起动转矩对起动性能及烟度的影响

起动转矩为1.0M、0.6M、1.4M时，柴油机对应的每循环瞬时最大喷油量依次为39.8、23.8、55.0 mg。不同起动转矩下柴油机起动性能与烟度对比如图2所示。由图2可知：1）相同环境温度下，起动转矩为1.0M、0.6M、1.4M时起动时间分别为0.86、1.16、0.64 s，起动转矩为1.4M时起动性能较原始转矩提升了25.6%；2）起动转矩为1.0M、0.6M、1.4M，柴油机瞬态最大烟度分别为2.2、1.1、32.6 mg/m3时，起动后怠速过程的烟度维持在0.8 mg/m3左右。

适当加大起动过程起动转矩可以明显缩短柴油机起动时间，原因为柴油机的起动性能与缸内混合气质量密切相关，喷油量增大，缸内更易形成较浓混合气，分子之间碰撞机会增多，混合气形成速度加快，可有效缩短滞燃期，改善柴油机起动性能。原始起动转矩起动过程中，最大过量空气系数为1.35，缸内油、气比合理，燃烧时大部分燃油用于做功，并未產生较多黑烟；起动转矩为0.6M时，最大过量空气系数为2.28，缸内较稀薄的油、气在起动过程中几乎全部燃烧，排出机体外的黑烟很少；起动转矩为1.4M时，缸内有较多未充分燃烧的气体在排气行程被排出机外，烟度较高。

综上，适当增大起动转矩可以提升柴油机的起动性能，但存在起动过程瞬态烟度过大的问题。因此，存在一个最佳的起动油量，可以在保证柴油机起动性能基础上降低瞬态最大烟度。

2.2 主喷角度对起动性能及烟度的影响

主喷角度对起动性能及烟度影响对比如图3所示。

由图3可知：1）常温环境下，主喷角度为1.0β与1.4β时的转速曲线基本一致，主喷角度为0.6β下、1.5 s时转速较原始主喷角升高5.8%，原因为主喷角度为0.6β时，燃油在更接近上止点位置喷射，相比原始主喷角，缸内压缩温度升高，缸内瞬间放热率增大，爆发压力增大，导致转速升高；2）主喷角度为1.0β、0.6β、1.4β的起动时间分别为0.84、0.86、0.91 s；3）主喷角度为1.4β时的瞬态烟度最大，主喷角度为0.6β时烟度最小，但两者差异不大，分别为2.06、1.69 mg/m3。

主喷角度大，缸内油、气混合时间长，局部易形成过浓的混合气，导致过量空气系数偏小，起动过程产生较大黑烟；由于喷油时刻活塞顶面距离上止点较近，主喷角度过小时，燃油易喷射到活塞顶面不利于蒸发，可燃混合气相对较少，滞燃期加长，起动性能降低，同时后燃比例增大，燃烧不充分产生黑烟，导致瞬态烟度过大。因此，柴油机起动过程中存在一个最佳主喷角度，主喷角度过大或过小都使起动时间变长，同时瞬态最大烟度也非最佳。

2.3 轨压对起动性能及烟度影响

不同起动轨压下柴油机起动性能与烟度对比如图4所示。由图4可知：起动轨压为1.0p、0.6p、1.4p时起动时间分别为0.85、0.90、0.83 s；起动轨压为1.0p、0.6p、1.4p的起动过程中，瞬态最大烟度分别为1.6、2.0、1.5 mg/m3。

常温下起动阶段较高轨压可以改善缸内雾化效果，随着喷油压力增加，燃油运动速度加快，燃油与缸内空气间的扰动作用加强，促进缸内油滴雾化和蒸发，燃烧更加充分。与原轨压相比，起动轨压为1.4p时起动性能提升了2.35%，烟度降低了6.25%。起动过程中适当增大轨压可以降低起动瞬态最大烟度，同时可以略微提升柴油机起动性能。

2.4 EGR阀对起动性能及烟度影响

环境温度为15 ℃时，起动过程中开启、关闭EGR阀对柴油机起动性能及烟度的影响如图5所示。

由图5可知： 环境温度为15 ℃时，EGR阀全开、关闭的柴油机起动时间分别为0.83、0.85 s；2种状态下的柴油机转速曲线基本重合；开启EGR阀起动时，柴油机瞬态最大烟度为2.35 mg/m3，且在柴油机怠速运行过程中，烟度也高于正常怠速烟度水平；关闭EGR阀起动时，瞬态最大烟度为2.0 mg/m3，随着柴油机怠速运行，烟度呈现逐渐降低趋势，起动后经过6 s左右，烟度降至约1.0 mg/m3。常温下，柴油机起动过程中开启、关闭EGR阀对柴油机起动性能无明显改善，但起动过程中开启EGR阀时瞬态烟度明显增大，这是因为EGR废气与新鲜空气混合后，缸内混合气不均匀，造成缸内燃烧恶化，使某缸内碳烟浓度过高或燃烧不稳定，对柴油机排放产生不利影响。

3 结论

1）适当增大起动转矩能提升柴油机的起动性能，但存在起动过程瞬态烟度过大的现象。

2）调节主喷角度对改善起动性能效果不明显；适当减小起动阶段主喷角，可降低起动阶段的烟度。

3）增大轨压可以降低柴油机起动的瞬态最大烟度，并略微提升柴油机起动性能。

4）起动阶段EGR阀开启、关闭对提升起动性能效果不明显，但关闭EGR阀能明显降低起动过程及怠速阶段的烟度。

参考文献：

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Experimental study on optimization of starting performance and

smoke for diesel engine

CHEN Yuechun1，2， WU Xinbo1，2， ZENG Xiaoxiao1，2， MA Wenjuan1，2， LI Suting3

1. State Key Laboratory of Engine Reliability， Weifang 261061， China; 2. Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China;

3.Weichai Power Emission Solutions Technology Co.， Ltd.， Weifang 26106 China

Abstract：In order to improve the starting performance of diesel engines and reduce smoke level during the starting process， a CHINA 6 light diesel engine is taken as the study object. A real-time smoke emissions are measured by an onboard 483 smoke meter. Experimental study is conducted on the effects of starting torque， rail pressure， main injection angle， and exhaust gas recirculation（EGR） on the starting performance and smoke emissions. The experimental results show that increasing the starting torque can significantly improve the starting performance of diesel engines， while rail pressure， main injection angle， and the opening and closing of the EGR valve during the starting process have little effect on the starting performance. Starting torque， rail pressure， and opening and closing the EGR valve have a direct impact on the transient maximum smoke level during the starting process. Increasing the starting torque， increasing rail pressure， reducing the main injection angle， and closing the EGR valve can all reduce the starting smoke level of diesel engines.

Keywords：diesel engine; starting performance; smoke intensity（责任编辑：郎伟锋）

收稿日期：2023-06-21

基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFD2000302）

第一作者简介：陈月春（1983—），男，山东潍坊人，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为内燃机性能开发及优化，E-mail： chenyc@weichai.com。