乙醚助燃對柴油機冷起動性能影響的試驗研究

劉來，陳文，胥昌懋，張武高

(1.上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240；2.船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 200240)

目前柴油機在軍用車輛和中重型載重汽車上應用廣泛，由于柴油凝點較高，揮發性較差，在低溫下難以與空氣形成可燃混合氣，而且柴油機是壓縮著火，環境溫度降低引起壓縮上止點溫度難以達到柴油的著火溫度，導致柴油機在寒冷高緯度地區的使用受到限制[1-2]。為了縮短柴油機高寒條件下冷起動所需時間，提高冷起動性能，國內外學者通過在新鮮工質內摻混特定燃料作為起動液[3-5]，加快了焰前反應速率,改善主燃燒過程，進而改變原機的起動著火和排放規律。研究認為，使用起動液助燃是一種安全可靠的改善柴油機低溫起動性能的方法[6-8]。起動液一般使用低沸點、高十六烷值的乙醚，在柴油機起動時向進氣管內注入少量起動液，起動液迅速蒸發并在壓縮過程中與空氣中的氧發生激烈的氧化反應，增加了燃燒室內油氣混合物溫度和活性分子濃度，縮短了焰前反應時間，實現柴油機迅速可靠的起動[9]。

在低溫起動工況下，如-30 ℃以下的低溫時，為了能夠順利起動著火，柴油機通常采用加濃噴射的策略，起動噴油量幾乎是常溫(25 ℃)冷起動的兩倍，會導致起動初期缸內燃料累積過多，最初幾個著火循環內可燃混合氣過濃引起燃燒粗暴，對發動機造成損傷，甚至燒蝕氣缸與活塞頂，嚴重影響發動機的使用壽命[10]，同時起動過程伴隨大量濃煙排放，對環境造成嚴重污染[11-12]。另一方面，由于低溫狀態下機油的黏度顯著增大，流動性變差，活塞與氣缸等摩擦面之間潤滑油不足，各摩擦件間的運動阻力增大，導致發動機起動阻力矩增大，引起從起動到正常怠速運轉之間的時間延長[13]。

針對柴油機低溫起動的問題，本研究在一臺小型高速柴油機上，開發出針對乙醚的電控預噴射系統，研究了定時定量預噴助燃燃料對柴油機起動過程的影響規律，在此基礎上采用預噴助燃燃料同時降低起動油量的方式以改善起動初期燃燒粗暴性，并進一步研究了增加起動阻力矩時預噴助燃燃料對柴油發動機低溫起動性能的影響。

1 試驗裝置和方法

試驗臺架的測控系統包括電渦流測功機(含測控柜)、發動機機油恒溫系統、發動機冷卻液恒溫系統、燃燒分析儀、尾氣分析儀等，其中燃燒分析采用法國D2T Osiris燃燒分析儀，尾氣分析儀包括AVL Digas4000五氣分析儀和傅里葉紅外光譜儀。試驗臺架見圖1。

圖1 發動機試驗臺架結構示意

起動試驗用發動機為一臺D19TCI小型高速柴油機，發動機主要技術參數見表1。試驗發動機燃用的柴油及乙醚的特性參數見表2。

表1 D19TCI發動機主要技術參數

表2 試驗用柴油和乙醚的特性參數

為了降低起動初期的粗暴性并模擬低溫起動工況，試驗中將減小起動噴油量并增加起動時阻力矩，起動電機運轉前以恒定頻率15 Hz向柴油機進氣總管以不同脈寬預噴不同質量流量的乙醚，研究了進氣道預噴助燃燃料乙醚對柴油機冷起動過程的影響。試驗中，冷起動時的環境溫度、機油溫度、冷卻水溫度均保持在(22±1) ℃。各次試驗前，確保發動機起動前所處熱狀態相同。起動循環數定義為起動電機運轉后發動機轉速首次達到并能穩定到怠速轉速900 r/min的循環數。

2 試驗結果及分析

2.1 預噴乙醚對柴油機冷起動循環數和最高缸壓的影響

在標定起動油量下，向進氣總管預噴不同質量流量的乙醚，分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s，乙醚從進氣總管進入到各缸，則單個循環各缸預混乙醚熱值約占起動首循環標定柴油量熱值的0%，10%，20%。

如圖2所示，在標定油量下，進氣道預噴少量助燃乙醚對起動循環轉速沒有明顯影響，但起動過程最高缸壓顯著增大，初始循環缸壓變化率顯著增大，振動噪聲加大，起動過程異常粗暴；從圖2b至圖2d可以看出，在不預噴乙醚的情況下，初始循環最高缸壓、累計放熱量明顯較小，表明該循環沒有完全燃燒，導致油氣累積，使第2、3循環缸壓變化率和累計放熱量顯著增大，起動循環累計放熱量變化規律基本一致，累計放熱量沒有顯著變化，且起動初始循環時起動電機的動力矩起主要作用，所以起動循環發動機轉速沒有明顯變化。

圖2 標定油量下預噴乙醚對起動過程的影響

2.2 減少起動油量條件下預噴乙醚對柴油機冷起動循環數的影響

為了避免起動燃燒過于粗暴對發動機造成損傷，在進氣道噴射乙醚助燃前需要先合理地減少起動油量。

圖3a示出不同起動油量時起動循環對應的轉速變化。由圖3a可見，減少起動噴射油量后，起動循環數增加，尤其是60%噴油量時，起動循環數從4個增加到9個。試驗過程中可以明顯發現柴油機起動困難，并伴有異常噪聲。由圖3b可見，減少噴油量后循環最高缸壓降低，可以避免預噴乙醚后起動燃燒過于粗暴對發動機造成損傷。

在60%起動油量下，向進氣總管預噴不同質量流量的乙醚，分別為0 mg/s，20 mg/s，40mg/s，起動過程見圖4。

圖3 減少起動噴油量后起動過程對比

圖4 在60%噴油量下預噴乙醚對起動過程的影響

如圖4a所示，在噴射不同質量流量的乙醚后，起動循環數分別從9個循環變為7個循環、5個循環。圖4b示出在60%噴油量下起動過程中最高缸壓隨乙醚預噴量增大而增大，但相比標定油量100%時的最高缸壓得到了有效降低，起動過程變得安靜平穩。如圖4c所示，在起動循環噴油量相同的情況下，進氣道噴射助燃燃料使得燃料的總能量增加，每循環的平均有效壓力增大，即每循環做功能力更強，所以起動后轉速上升和穩定得更為迅速。

如圖5所示，噴油量減少為60%后進氣道噴射乙醚的起動循環轉速和80%噴油量不噴乙醚的循環轉速變化基本一致，前5個循環累計放熱量無明顯差距。說明在進氣道預噴乙醚，可以使發動機在相對較少噴油量的情況下達到相同的起動效果，這樣可以在低溫起動過程中適當減少噴油量，避免油量累積過多，燒蝕氣缸。

圖5 減少起動噴油量下預噴乙醚對循環轉速的影響

2.3 附加阻力矩條件下預噴乙醚對柴油機冷起動循環數的影響

為了更廣泛地研究助燃乙醚對柴油機冷起動循環數的影響，試驗中在減小起動油量的同時增加起動阻力矩。考慮到增加阻力矩導致的起動困難，起動油量不宜太小，在減少油量至60%時附加阻力矩，發動機無法正常起動，因此試驗中采用在80%起動油量的情況下增加阻力矩。圖6a示出不同阻力矩時的轉速循環。由圖6a可以看出，增加阻力矩后起動循環數明顯變大，尤其是當施加28 N·m阻力矩時，起動循環數從5個增加到10個，表明此時起動困難。

圖6 附加阻力矩條件下的助燃乙醚對柴油機冷起動循環數的影響

在80%起動油量，施加28 N·m阻力矩工況下，向進氣總管預噴不同質量流量的乙醚，分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s，如圖6b所示，在噴射不同質量流量的乙醚后，起動循環數分別從10個循環減小到9個循環、7個循環。表明在80%油量時附加阻力矩，發動機起動惡化，起動噪聲大，噴射乙醚可以改善此類工況。

2.4 預噴乙醚對起動階段燃燒排放特性的影響

為了進一步分析乙醚助燃對起動階段的影響，在60%起動油量下，向進氣道預噴質量流量分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s的乙醚，分別提取前兩個循環的缸壓曲線進行比較，結果見圖7。

對比第1個循環缸壓曲線可見，隨著乙醚噴射量的增加，起動首循環的燃燒由失火變為著火(不完全燃燒)。對比第2個循環缸壓曲線可見，增大乙醚濃度對于著火時刻的影響更為明顯，著火延遲期縮短，著火始點明顯提前到上止點前25°左右，最大缸壓也進一步增大。

發動機起動進入怠速后，繼續以恒定速率向進氣道噴射不同質量流量的乙醚(0 mg/s， 20 mg/s， 40 mg/s)，采集100個循環的缸壓曲線取平均值，并計算得到缸壓變化率和放熱率等參數，分析進氣道噴射乙醚對怠速階段燃燒特性的影響。

圖7 在60%噴油量時預噴乙醚起動前 兩個循環缸壓曲線對比

由圖8a可以看出，隨著乙醚噴射量的增大，缸壓曲線在上止點前30°開始出現較明顯的預混燃燒放熱現象，缸內壓力呈現雙峰曲線，最高缸壓增大。從圖8b可見，預噴乙醚后缸壓變化率略有增大。乙醚早燃使缸內溫度升高導致缸壓變化，改善了柴油著火前期的熱氛圍，從而有助于主噴燃油更為充分穩定地燃燒。

柴油機冷起動期間，未燃HC，CO排放在總排放中所占比例最大[14-16]，試驗中主要針對乙醚對起動過程未燃HC，CO排放影響進行研究。在60%起動油量下，向進氣道預噴質量流量分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s的乙醚，對冷起動過程排放特性進行分析。

圖8 怠速階段噴射不同濃度乙醚對 發動機燃燒特性的影響

由圖9a可以看出，起動時刻噴射不同質量流量乙醚后HC排放的峰值逐漸升高，且峰值增幅越來越大。進入怠速后停止噴射乙醚，HC排放曲線趨于一致。可見，預噴乙醚有效改善了發動機起動期間的缸內燃燒狀態，但是由于乙醚預混進入燃燒室，造成壁面附近形成較多的過稀乙醚空氣混合氣，形成不燃燒或不完全燃燒的火焰淬熄層，在排放沖程產生較多未燃HC排出。

圖9b示出噴射不同濃度乙醚后起動過程前100個循環的CO排放對比。由圖9b可知，隨著乙醚噴射濃度的增加，起動后CO排放逐漸增大，原因與HC排放增加一致。

圖9 預噴乙醚對柴油機冷起動過程排放特性的影響

3 結論

a) 在標定起動油量下，進氣道預噴少量助燃乙醚對起動循環數沒有明顯影響，但起動過程最高缸壓顯著增大，起動過程變得粗暴；

b) 預噴乙醚并減小起動噴油量能有效改善柴油機的低溫起動粗暴性；

c) 減少起動噴油量并增加起動阻力矩時，在進氣道預噴乙醚，流量為起動首循環標定油量熱值的20%時，可以將起動時間提前3～5個循環，有效加快起動過程；

d) 進氣道預噴乙醚能使放熱提前，燃燒放熱率峰值減小，缸壓變化率略有增大，燃燒過程更平穩，但預噴乙醚會導致起動過程HC和CO排放增多。