進氣預熱對柴油機起動過程動力性能影響的試驗分析

杜巍，黃偉偉，何圣華，劉福水

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081； 2.中國兵器科學研究院，北京 100089)

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·性能研究·

進氣預熱對柴油機起動過程動力性能影響的試驗分析

杜巍1，黃偉偉1，何圣華2，劉福水1

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081； 2.中國兵器科學研究院，北京 100089)

為了改善某柴油機的起動特性，自行設計了柴油機進氣火焰預熱系統(tǒng)。利用基于時間的瞬時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測量了瞬時轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)燃燒壓力的變化規(guī)律，對不進氣預熱和進氣預熱條件下柴油機的起動特性進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明：采用進氣預熱系統(tǒng)后，進氣溫度升高了18.5 ℃，柴油機起動過程中轉(zhuǎn)速升高率增大，起動時間明顯縮短；輸出扭矩增大且波動明顯減小；各個循環(huán)的最大燃燒壓力升高且波動減小，燃油的著火滯燃期明顯縮短，其著火過程中發(fā)生后燃、循環(huán)失火的概率明顯減小，燃燒過程進行得更加充分，極大地改善了柴油機的起動性能。

柴油機； 進氣預熱； 起動； 扭矩； 燃燒壓力

冷起動性能是柴油機的一個重要性能指標，影響柴油機的使用可靠性和壽命[1-4]，受進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度、燃油特性、噴霧特性、蓄電池容量等多種因素的影響。特別是對于大功率柴油機，由于其質(zhì)量和體積較大，各摩擦副接觸面積大，起動過程中各摩擦表面很難得到充分的預潤滑，導致起動阻力增大；如果低溫下起動過程中的燃燒過程組織不好，就會造成起動困難。美國韋恩州立大學的H.Liu等[5]指出了柴油機冷起動困難的根本原因：發(fā)動機運轉(zhuǎn)的阻力參數(shù)和燃燒動力參數(shù)不相匹配，也就是當活塞達到上止點附近時，燃燒室內(nèi)沒有形成足夠數(shù)量的可燃混合氣對外做功，并克服外界阻力。為改善柴油機的冷起動特性，國內(nèi)外的研究人員對柴油機冷起動過程進行了仿真計算，建立冷起動過程的數(shù)學模型，探討轉(zhuǎn)速波動、燃燒等問題的反應機理，從而改善冷起動性能[6-9]；同時也開發(fā)了許多輔助裝置[10-11]，其中進氣預熱裝置能夠有效地提高進氣溫度，改善起動性能。

多年來，已有研究人員對柴油機的進氣預熱開展研究以改善低溫起動性能。江蘇大學的羅濤等在-35～20 ℃環(huán)境溫度下改變預熱塞的流量，對1臺4缸增壓柴油機進行預熱冷起動試驗，發(fā)現(xiàn)預熱塞的流量范圍在7～10 mL/min時，預熱效果最佳[12]。吉林大學的蘇巖等利用瞬時轉(zhuǎn)速及缸壓測試系統(tǒng)測量了某柴油機起動過程中的瞬時轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)燃燒壓力，研究了進氣溫度對柴油機起動過程燃燒不穩(wěn)定性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)提高進氣溫度能夠使冷機起動初始階段著火滯后期明顯減小，擴散燃燒增加，明顯改善著火條件，減少失火循環(huán)[13-14]。軍事交通學院的董素榮等計算了WD615.77柴油機在不同溫度下起動時進氣所需的加熱量及進氣預熱裝置的供熱量，發(fā)現(xiàn)溫度每下降10 ℃，WD615.77柴油機順利起動所需的進氣加熱量升高16%，火焰進氣預熱裝置的供熱量升高3%[15]。中國北方發(fā)動機研究所的冀樹德等研究了1臺12 缸柴油機在低溫條件下的起動方法，在-35 ℃低溫試驗環(huán)境下，使用“進氣預熱器+電熱塞”同時加熱進氣的方式確保升高進氣溫度，促使柴油機成功起動[16]。另外，吉林大學的梁金廣等也從起動油量脈譜優(yōu)化、燃燒狀況等方面對柴油機低溫起動特性進行了研究[17-22]。

本研究針對某增壓柴油機設計了火焰進氣預熱系統(tǒng)，利用基于時間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測量了柴油機起動過程中的瞬時轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)燃燒壓力，對比研究了不采用進氣預熱和采用進氣預熱時，柴油機轉(zhuǎn)速從0 r/min到怠速800 r/min整個起動過程的起動時間、輸出扭矩和循環(huán)燃燒壓力的變化規(guī)律。

1 試驗設備

試驗所采用柴油機為V型、直噴、廢氣渦輪增壓中冷柴油機。為該柴油機設計了火焰進氣預熱系統(tǒng)，主要包括低壓輸油泵、進油管、電磁閥、預熱繼電器、火焰預熱塞、限壓閥等，其中火焰預熱塞安裝在進氣總管的入口。

進氣預熱系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)組成見圖1。柴油泵將柴油從柴油箱泵入進油管路中，柴油泵出口中安裝有限壓閥，在起動過程中，油路中的絕對壓力可以保持在0.5 MPa左右；油路中的柴油經(jīng)過柴油精濾器到達噴油電磁閥，噴油電磁閥用于控制火焰預熱塞供油的通斷。

進氣預熱系統(tǒng)的電器系統(tǒng)見圖2。整個進氣火焰預熱系統(tǒng)由24 V蓄電池供電，發(fā)動機控制器(ECU)控制噴油電磁閥和預熱繼電器的通斷電。預熱繼電器接收ECU的指令，控制蓄電池對兩個火焰預熱塞供電，以實現(xiàn)對預熱塞加熱時間的控制。

進氣預熱油路中的絕對壓力為0.5 MPa時，預熱塞供油量為15 mL/min。當預熱塞通電加熱60 s后，供油電磁閥開啟，起動發(fā)動機，燃油到達預熱塞并被點燃，加熱進氣。經(jīng)試驗測量，在環(huán)境溫度為10 ℃、穩(wěn)定怠速800 r/min時，進氣道前的進氣溫度可以被加熱到28.5 ℃，與不使用進氣預熱時相比升高了18.5 ℃。

2 試驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理方法

2．1 試驗內(nèi)容

試驗過程中，保持柴油機機油溫度、冷卻液溫度、環(huán)境溫度一致，即都為10 ℃。分別在不采用進氣預熱和采用進氣預熱的情況下對柴油機進行起動試驗，采集柴油機的瞬時轉(zhuǎn)速和各循環(huán)燃燒壓力信號。試驗中主要的儀器設備包括DETROWN燃燒分析儀、KISTLER缸壓傳感器、電磁式轉(zhuǎn)速傳感器，測速齒盤安裝在柴油機的自由端。

2．2 數(shù)據(jù)處理方法

測速齒盤具有58個齒，每2個齒間隔6°，其中有2個齒間隔18°。齒盤旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)速傳感器就會輸出58個正弦電壓信號，經(jīng)過濾波處理，得到58個方波信號。燃燒分析儀基于時間采集方波的上升沿信號，計算出2個上升沿之間的時間，即可計算出柴油機的瞬時轉(zhuǎn)速n。然后根據(jù)公式(1)，可求出柴油機起動過程輸出的瞬時有效扭矩Me：

(1)

式中：Mi為指示扭矩；Mf為阻力矩；Me為有效扭矩；w為柴油機曲軸角速度；n為柴油機轉(zhuǎn)速；J為柴油機旋轉(zhuǎn)部件對曲軸中心線的當量轉(zhuǎn)動慣量[23]，當量轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)曲柄連桿機構(gòu)等運動件的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心利用PROE等軟件計算得到。當柴油機被電動機拖動時，燃料燃燒對外做功，克服各種機械阻力，有效扭矩促使發(fā)動機加速運轉(zhuǎn)。

在保證其他邊界條件一致的情況下，本研究進行了多次對比試驗，發(fā)現(xiàn)這些試驗結(jié)果規(guī)律性一致，故挑選了其中一組對比試驗數(shù)據(jù)展開分析研究。

3 不采用進氣預熱和采用進氣預熱時試驗 結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)速變化對比

圖3和圖4示出了不采用進氣預熱和采用進氣預熱時柴油機轉(zhuǎn)速和循環(huán)燃燒壓力隨起動時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在0～800r/min升速過程中，0～190r/min為起動電機倒拖過程，190r/min以后起動電機自行脫開，缸內(nèi)燃油開始著火燃燒，向外做功，轉(zhuǎn)速快速上升。當不使用進氣預熱時，柴油機轉(zhuǎn)速從0r/min升高到190r/min歷經(jīng)6個循環(huán)，為純壓縮過程；轉(zhuǎn)速從190r/min升高到800r/min歷經(jīng)15個循環(huán)，1號缸從第7循環(huán)開始缸內(nèi)燃油開始燃燒，向外做功，歷時約3.7s。當采用進氣預熱時，轉(zhuǎn)速從0r/min升高到190r/min歷經(jīng)5個循環(huán)，為純壓縮過程；轉(zhuǎn)速從190r/min升高到800r/min歷經(jīng)9個循環(huán)，1號缸從第6循環(huán)開始缸內(nèi)燃油開始燃燒，向外做功；與不使用進氣預熱時相比，柴油機的轉(zhuǎn)速曲線變得更加陡峭，轉(zhuǎn)速升高率明顯增大，歷時約2.15s，減小了約42%。這是由于使用進氣預熱后，柴油機進氣溫度升高，使壓縮終點溫度提高，燃油容易蒸發(fā)霧化，各個氣缸更容易著火燃燒，循環(huán)失火的現(xiàn)象減少，做功能力增強，使柴油機轉(zhuǎn)速快速升高，且轉(zhuǎn)速波動減小。

3.2 輸出扭矩對比

圖5和6分別示出了不采用進氣預熱和采用進氣預熱時柴油機著火后輸出扭矩隨著起動時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當不采用進氣預熱時，柴油機著火后輸出扭矩的最大值可達1 002.1N·m，平均值達到911N·m；當采用進氣預熱后，柴油機著火后輸出扭矩的最大值可達1 060.8N·m，平均值達到987.5N·m，與不采用進氣預熱時相比，分別提高了5.9%和8.4%，且波動明顯減小，起動過程變得更加平穩(wěn)。輸出扭矩的增大將提高柴油機加速度，增大轉(zhuǎn)速升高率，使柴油機轉(zhuǎn)速迅速升高。

3.3 各循環(huán)燃燒壓力對比

圖7示出了不采用進氣預熱時1號缸各循環(huán)燃燒壓力隨起動時間的變化規(guī)律。從圖上可以看出，柴油機在前6循環(huán)沒有著火燃燒，而在以后的著火循環(huán)中，除了第8和第11循環(huán)外，其余各循環(huán)燃燒壓力曲線均出現(xiàn)2個峰值。第1個峰值較低，處在著火滯燃期，為壓縮過程，位于活塞壓縮上止點；第2個峰值處于快速燃燒期，為壓力值最高點，其數(shù)值明顯高于第1個峰值，且著火起始點均在上止點之后。各循環(huán)的燃燒壓力曲線形狀差異明顯，并在第11循環(huán)出現(xiàn)了較為嚴重的后燃現(xiàn)象，第2個峰值明顯小于第1個峰值壓力，其燃燒起始點更加滯后。由于柴油機冷起動是一個瞬變過程，此時進氣溫度、氣缸壁面溫度較低，導致壓縮終點溫度低，造成壁面激冷效應增強，燃油不易蒸發(fā)霧化，導致燃油與空氣不能快速混合，不能形成足夠數(shù)量的可燃混合氣；而且上一循環(huán)殘留的附壁燃油可能在后續(xù)的循環(huán)中隨著壁面溫度的升高而蒸發(fā)、霧化并參與著火燃燒，所以造成各循環(huán)的最高燃燒壓力值波動很大，燃燒非常不穩(wěn)定。另外，進氣溫度低造成燃油滯燃期變長，燃油在上止點附近不能正常著火燃燒，所以容易引起后燃現(xiàn)象。

圖8示出了采用進氣預熱時1號缸各循環(huán)燃燒壓力隨起動時間的變化規(guī)律。從圖上可以看出，與不使用進氣預熱時相比，只有第6循環(huán)燃燒壓力曲線出現(xiàn)了2個峰值，發(fā)生了比較明顯的后燃現(xiàn)象，其余各循環(huán)壓力曲線中都只出現(xiàn)一個峰值，這說明這些循環(huán)在活塞到達上止點之前可燃混合氣已經(jīng)開始著火燃燒。各循環(huán)的燃燒壓力曲線形狀差別明顯減小，并且1號缸各著火循環(huán)的最大燃燒壓力值均有所提高，燃燒進行得更加充分。采用進氣預熱后，進氣溫度明顯升高，導致壓縮終點溫度升高，燃油易于蒸發(fā)霧化，從而與空氣快速混合，活塞到達上止點附近時燃燒室內(nèi)混合氣的濃度和溫度達到著火要求。溫度升高使各循環(huán)噴入的燃油能進行較為充分的燃燒，所以各循環(huán)的最高燃燒壓力值波動減小，燃燒過程較為穩(wěn)定。此外進氣溫度的升高也使燃油滯燃期減小，燃油在上止點前能開始燃燒，減少了后燃現(xiàn)象的發(fā)生。

圖9示出了不采用進氣預熱和采用進氣預熱時柴油機著火后1號缸各循環(huán)最大燃燒壓力值的對比情況。從圖中可以看出，當不使用進氣預熱時，在1號缸著火燃燒的15個循環(huán)中，各個循環(huán)之間的最大燃燒壓力值相差很大，其中第11循環(huán)的最大燃燒壓力最小，為2.38MPa，第8循環(huán)的最大燃燒壓力最大，為8.97MPa，各循環(huán)的最大燃燒壓力平均值為6.06MPa；與不使用進氣預熱時相比，當使用進氣預熱時，第6循環(huán)的最大燃燒壓力最小，為6.26MPa，升高了約163%，第11循環(huán)的最大燃燒壓力最大，達到10.66MPa，升高了約18.8%，各循環(huán)的最大燃燒壓力平均值達到9MPa，升高了約48.5%。由此可以看出，當使用進氣預熱后，柴油機著火后各循環(huán)的燃燒壓力明顯升高，且各個循環(huán)之間的最大燃燒壓力值差別明顯減小，各個循環(huán)的燃燒更加均勻，燃燒情況更加穩(wěn)定。

4 結(jié)論

a) 與不采用進氣預熱相比，采用進氣預熱后，柴油機起動時間明顯減小，轉(zhuǎn)速上升過程波動較小，轉(zhuǎn)速升高率增大;

b) 采用進氣預熱后，柴油機起動過程中輸出扭矩的最大值和平均值都明顯升高，扭矩波動明顯減小;

c) 采用進氣預熱后，柴油機起動過程中的滯燃期縮短，著火過程中發(fā)生后燃、循環(huán)失火的概率明顯減小，最大循環(huán)燃燒壓力升高，同時各循環(huán)之間的最大燃燒壓力差值減小，燃燒過程明顯改善，極大地改善了柴油機的低溫起動性能。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 李德桃.柴油機冷起動的基礎研究和改善措施[M].北京：科學出版社，1998.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造：上冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 魏春源，張衛(wèi)正，葛蘊珊．高等內(nèi)燃機學[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[5]LiuH,HeneinNA,BryzikW.Simulationofdieselen-ginescold-start[C].SAEtransactions,2003,112(3):352-372.

[6] 趙楠，辛喆，謝斌，等.柴油機冷起動過程的建模與仿真[J].車用發(fā)動機，2010(1)：60-65.

[7] 王新宅.柴油機起動過程試驗與仿真研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[8] 袁源，崔毅，彭海勇，等.未著火循環(huán)廢氣改善柴油機冷起動的燃燒[J].內(nèi)燃機學報，2012，30(3):227-233.

[9] 劉瑞林，靳尚杰，孫武全，等.提高柴油機低溫起動性能的冷起動輔助措施[J].汽車技術(shù)，2007(6):5-8.

[10] 胡玉貴，栗彥輝.柴油機低溫啟動的影響因素和改善措施[J].移動電源與車輛，2004(1):29-32.

[11] 何西常，張眾杰，張云飛，等.柴油機冷起動研究現(xiàn)狀[J].柴油機，2012(4):1-4.

[12] 羅濤，王忠，王林.采用進氣火焰預熱柴油機低溫起動的研究[J].內(nèi)燃機工程，2006，27(5):37-40.

[13] 蘇巖，劉忠長，郭亮.利用瞬時轉(zhuǎn)速對柴油機起動過程的分析[J].汽車工程，2006，28(4):340-342.

[14] 蘇巖，劉忠長，韓永強，等．進氣溫度對直噴式柴油機冷起動初期燃燒和排放的影響[J].內(nèi)燃機工程，2007，28(6):28-32.

[15] 董素榮，張恒超，靳尚杰，等．進氣預熱對車用柴油機低溫起動性能影響的研究[J].軍事交通學院院報，2009，11(6):41-44.

[16] 冀樹德，王天太，李寧，等.12缸柴油機低溫條件下的起動方法研究[J].車用發(fā)動機，2013(4):71-74.

[17] 梁金廣，于秀敏，高躍，等．進氣預熱條件下電控柴油機起動油量脈譜優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2008，39(4):30-33.

[18] 梁金廣，于秀敏，高躍，等．電控柴油機起動油量脈譜的優(yōu)化[J].內(nèi)燃機工程，2007，28(4):23-27.

[19] 劉忠長，郭亮，蘇巖，等.柴油機起動油量控制策略優(yōu)化對燃燒的改善[J].燃燒科學與技術(shù)，2009，15(6):491-496.

[20] 蘇巖，劉忠長，許允，等.冷卻液溫度對柴油機起動首循環(huán)燃燒的影響[J].內(nèi)燃機學報，2007，25(3):28-32.

[21] 蘇巖，劉忠長，朱昌吉．直噴式柴油機起動過程燃燒分析[J].燃燒科學與技術(shù)，2006，12(2):126-130.

[22] 莫瑋，鄂加強，趙延明.嚴寒條件下車輛柴油機冷啟動性能研究[J].內(nèi)燃機工程，2002,23(5)：65-67.

[23] 茍秉聰，胡海云.大學物理：上冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[編輯: 李建新]

Effects of Intake Preheating on Diesel Engine Power Performance during Starting Process

DU Wei1, HUANG Wei-wei1, HE Sheng-hua2, LIU Fu-shui1

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2.China Research and Development Academy of Machinery Equipment, Beijing 100089, China)

In order to improve the starting performance of diesel engine, the inlet flame preheating system of diesel engine was designed based on the flame preheating plugs.The instantaneous speed and cylinder combustion pressure were measured with the instantaneous data acquisition system and the starting performance of diesel engine with and without intake preheating was researched.The experimental results showed that the speed rise rate increased and the starting time shortened when the intake temperature increased by 18.5 ℃ by the preheating system.The output torque in the starting process also increased but with less fluctuation.The maximum combustion pressure at each cycle increased with the less fluctuation, the ignition delay period shortened, the probability of post-combustion and misfire phenomenon dropped, the combustion of mixture was more complete and therefore the starting performance of diesel engine improved.

diesel engine; intake preheating; starting; torque; combustion pressure

2014-10-20;

2014-11-04

國家部委預研項目(40402020101)

杜巍(1974—)，男，副教授，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機性能仿真與測試；dwei@bit.edu.cn。

劉福水(1964—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向新型發(fā)動機及內(nèi)燃機燃燒；fushui_liu@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.006

TK411.3

B

1001-2222(2015)02-0028-05