燃燒參數對輕型柴油車高原冷機怠速穩定性影響的試驗研究

摘 要：為提高柴油車在高原寒冷地區的冷機怠速穩定性，基于INCA標定軟件，展開選擇不同的主噴提前角、預噴油量、預噴間隔、軌壓和預熱電壓的燃燒參數控制，對柴油車高原冷機怠速穩定性影響的試驗研究。試驗結果表明：在相同硬件配置下，采用最佳的主噴提前角、預噴油量、預噴間隔、軌壓、預熱電壓可以改善怠速穩性能。

關鍵詞：輕型柴油車 高原 低溫 怠速穩定性 燃燒參數 試驗研究

0 引言

柴油機因良好的經濟性、較高的熱效率、低速大扭矩等優點而廣泛應用于輕型皮卡當中。隨著國家西部大開發政策，2025年將基本建成西部陸海新通道[1]。新疆、西藏、青海等高原地區柴油皮卡逐年上漲。從大數據上看，2023年西南地區皮卡銷量占20%，排名第一，西北地區皮卡銷量占16%，排名第三[2]。隨著中國汽車的發展，人們對汽車的駕駛要求越來越高，通過高原售后反饋情況，客戶對高原冷機怠速穩性抱怨較大，為減少客戶抱怨，對高原冷機怠速穩定性進行試驗研究。

中國的高原區域面積廣闊，占國土面積約37%[3]。因氧濃度隨著海拔的增高而降低，所以高原為缺氧的環境。特殊的高原環境使得柴油機燃燒性能惡化，特別是低溫怠速穩定性能下降等問題。因此，為提高柴油機的性能，就需要合理地控制缸內的燃燒運動[4]。

柴油車高原冷機怠速的不穩定是阻礙柴油車在高原地區銷售的原因之一，因此有效改善車輛高原冷機怠速具有重要的現實意義。柴油車高原冷機怠速穩定性主要因素既有進氣溫度低、進氣氧含量低等外界條件，又有冷卻液溫度低、冷機燃燒穩定性差、燃油霧化不良、冷機阻力大等自身條件[5]。本文將從調整燃燒控制參數對某款輕型柴油車在西北高原地區進行冷機怠速性能研究，以達到車輛高原冷機怠速穩定的目標。

1 試驗車輛及方法

1.1 試驗車輛及設備

試驗用車輛為某知名上市公司生產的搭載2.5L柴油機的柴油皮卡車，其車輛基本參數如表1所示。試驗用設備有德國博世集團的ETAS 581及用于運行INCA環境并進行采集數據的筆記本電腦，數據采集及修改系統見圖1。

1.2 試驗方法

柴油本身的蒸發性和流動性都比汽油差，柴油機利用柴油的燃點較低，壓縮柴油和空氣混合氣使溫度升高至柴油的燃點，從而燃燒混合氣以推動活塞做功。柴油機要想在低溫下平穩的運行須得滿足以下三個條件：一是必須要有霧化效果好、濃度適宜的混合氣，二是保證氣缸內要有一定的壓力和溫度以滿足缸內穩定燃燒，三是要有合適的噴油時刻。本文從發動機燃燒控制參數的優化方面開展車輛在高原低溫環境下的冷機怠速穩定性的研究工作，主要思路是選擇一組基礎的燃燒參數和相同的硬件，而后在此燃燒參數條件下進行調整燃燒參數的測試。試驗調整的燃燒控制參數有主噴油提前角、預噴1油量、預噴1間隔、軌壓和預熱電壓，具體變化范圍如表2所示。

1.3 高原冷機怠速穩定性評價標準

柴油機的高原冷機怠速穩定性能是評價其性能優劣的重要指標之一，國內外學者在冷機燃燒過程及相關影響因素等方面進行了大量的研究以改善柴油機的冷機燃燒[6]，本文的試驗對象為柴油皮卡車，因此評價指標為冷機怠速轉速波動，即柴油機在靜置一段時間后（超過8小時），其內部冷卻液溫度與環境溫度大致一致情況下，冷機起動后至冷機怠速，需求怠速轉速和實際轉速的偏差至少滿足表3要求，偏差越小越好。圖2為冷機怠速過程示意圖。由圖2可見，在INCA記錄的數據中，怠速轉速偏差為冷機怠速穩定階段發動機轉速與需求的轉速偏差。表3為各環境溫度下冷機怠速轉速偏差工程目標值，實際情況下，怠速轉速波動越小，冷機怠速性能越佳。

2 試驗結果與分析

2.1 燃燒控制參數的優化

在車輛搭10W-40機油、80Ah蓄電池、-10#柴油和有預熱塞等硬件下，通過調整主噴噴油提前角、預噴油量、預噴間隔、預熱電壓和軌壓以獲得試驗車輛最優高原冷機怠速穩定性能的燃燒參數。

2.1.1 預噴油量和間隔的確定

預噴是一種在主噴射之前將小部分燃油噴入氣缸的技術，這可以在缸內發生預混合或部分燃燒，從而縮短主噴射的著火延遲期。這種操作有助于降低缸內壓力升高率和峰值壓力，使發動機工作更加緩和。此外，預噴射還可以降低失火的可能性，改善高壓共軌系統的燃燒穩定性。

如圖3為不同的預噴油量對高原冷機怠速的影響。本文對預噴油量共測試四個：0.8mg/hub、2mg/hub、3.5 mg/hub和5 mg/hub；由圖可知采用預噴油量3.5mg/hub時高原冷機怠速波動-10～10rpm，怠速波動最小；怠速過程總油量較小，一般小于15mg/hub，高原怠速一般采用2次預噴，因此預噴油量不能過大，過大后主噴油量太小，導致燃燒不穩定；高原冷機空氣氧含量低，缸內溫度也較低，因此預噴油量太小，起不到預熱缸內溫度和提前充分預混合作用，因此選擇合適的預噴油量對高原冷機怠速穩定性影響較大。本車輛的高原冷啟動預噴油量選擇3.5mg/hub。

如圖4為不同預噴間隔對高原冷機怠速的影響，本文在采用兩次預噴的策略下，對預噴間隔共測試四個：1300us、1500us、1700us和2000us；由圖可知采用預噴間隔為1500us時高原冷機怠速波動-6～6.5rpm，怠速波動最小；預噴間隔太大時，主噴噴射時預噴已經燃燒完，缸內溫度已經降低，無法起到混合或部分燃燒縮短主噴射的著火延遲期；預噴間隔太小時，預噴油量還未燃燒預熱氣缸就已經噴射主噴，無法降低缸內壓力升高率和峰值壓力，無法改善冷機怠速穩定穩定性；本車輛的高原冷啟動預噴間隔選擇1500us。

2.1.2 主噴油提前角的確定

主噴油提前角是指噴油器開始主噴油時，活塞從上止點開始的曲軸轉角。主噴油提前角對柴油機的運行狀況有很大的影響，如果噴油提前角過大，會導致待機時間過長，造成發動機工作粗暴。如果噴油提前角過小，燃燒過程會延遲太多，最大壓力值降低，會明顯降低柴油機的熱效率。因柴油機在高原低溫冷機運行時轉速較低，著火溫度也只能在壓縮上止點附近才能達到，因此過早或過晚的提前角均不利于穩定燃燒。過早噴油的話，柴油由于缸內溫度低，氧含量低，會導致待機時間過長，造成發動機工作粗暴，缸內燃燒穩定性變差。過晚噴油的話，燃燒過程會延遲太多，最大壓力值降低，會明顯降低柴油機的熱效率，高原冷機本身發動機內部阻力大，燃燒效率變差后，燃燒穩定性會受影響。本文在采用兩次預噴的策略下，對主噴提前角共測試六個：-7℃A BTDC、-5℃A BTDC、-3℃A BTDC、-1℃A BTDC、5℃A BTDC和7℃A BTDC。圖3為柴油機在冷卻液溫度大致在-11～-9℃、大氣壓725hpa時不同主噴提前角的怠速穩定性對比圖。從圖5中可看出，上止點前開始主噴的怠速穩定性能優于上止點后。這是因為上文提到的預噴引燃作用，可提高主噴的混合氣均勻性，主噴角度在上止點前，這樣可有效地發揮預噴的引燃作用，從而利于車輛的穩定燃燒，確保怠速的穩定性。a.主噴提前角-7℃A BTDC，怠速偏差-52.5～69.5rpm；b.主噴提前角-5℃A BTDC，怠速偏差-98.5～72.5rpm；c.主噴提前角-3℃A BTDC，怠速偏差-40～23rpm；d. 主噴提前角-1℃A BTDC，怠速偏差-88.5～5rpm；e. 主噴提前角5℃A BTDC，怠速偏差-7.5～7rpm；f. 主噴提前角7℃A BTDC，怠速偏差-6～5rpm；因此本車輛的高原冷機怠速選用上止點前7℃A BTDC進行主噴燃油，怠速轉速偏差最小。

2.1.3 軌壓的確定

本文的軌壓共測試四個：200bar、260bar、360bar和450bar。圖6為柴油機在冷卻液溫度大致在-10℃時不同軌壓的高原冷機怠速對比圖。從圖6中可看出，200bar軌壓的怠速波動-89～102rpm，260bar軌壓的怠速波動-51～31rpm，360bar軌壓的怠速波動-10.5～12.5rpm，460bar軌壓的怠速波動-26～26rpm，360bar軌壓的怠速波動最小。因為適當的軌壓，燃燒越穩定，怠速波動越小。穩態工況下，軌壓越高，噴霧質量越好，可燃混合氣形成速度越快，怠速時發動機的轉速較低，此時氣流的運動較弱，過大的軌壓下噴入的油束易粘附在缸套上而不能與空氣充分混合，可燃混合氣形成速度慢，不利于缸內燃燒，另外過高軌壓意味著高壓油泵需要消耗更多的能量，從而使得轉速不穩定，因此本車輛的高原冷機怠速選用360bar的軌壓。

2.1.4 預熱電壓的確定

本文的預熱塞采用的12V的低壓預熱塞，控制方式如圖7，ECU接收發動機冷卻液溫度，當溫度低于設定溫度后，ECU根據不同的轉速和油量設定不同的預熱電壓，提高發動機進氣溫度，以改善發動機的燃燒，保證發動機怠速的穩定性。發動機的預熱電壓分前預熱電壓和后預熱電壓，前預熱電壓是啟動前的預熱電壓，后預熱電壓是啟動后的預熱電壓，本文主要試驗的是后預熱的電壓，預熱電壓過低預熱塞預熱溫度低，影響高原冷機怠速穩定性，如果預熱電壓過高，預熱塞溫度會過高，容易燒壞預熱塞；本文主要試驗確認保證怠速穩定的最低電壓。本文試驗共測試四個電壓：0mV、2000mV、4000mV，5600mV。如圖8，不同預熱電壓的怠速轉速波動試驗結果可知，預熱電壓采用5600mV時，怠速轉速波動范圍-8.5～12rpm，怠速轉速滿足要求。

3 結論

柴油機要想在冷機高原下穩定的保持怠速須得滿足以下三個條件：一是必須要有霧化效果好、濃度適宜的混合氣；二是保證氣缸內要有一定的壓力以滿足混合氣可穩定燃燒；三是保證進氣和缸內有合適溫度。本文從燃燒參數控制的優化方面開展車輛在低溫高原條件下的冷機怠速穩定的研究工作，得出以下結論：

（1）合適的預噴油量和間隔，由于預噴的引燃作用，缸內的壓力和溫度在主噴之前就已經升高，有利于主噴燃油的霧化蒸發，提高了主噴的混合氣均勻性，合適的預噴油量和預噴間隔使預噴滯燃期和主噴滯燃期的重疊期縮短，從而利于車輛的燃燒穩定。

（2）低溫冷機怠速過程中，發動機的轉速較低，此時氣流的運動較弱，高軌壓下噴入的油束易粘附在缸套上而不能與空氣充分混合，可燃混合氣形成速度慢，不利于缸內燃燒，另外高軌壓意味著高壓油泵需要消耗更多的起動能量，從而使得燃燒不穩定，軌壓過低，噴油霧化不好缸內混合不均勻，缸內燃燒不好，從而使得燃燒不穩定，因此車輛高原冷機怠速需選擇合適的軌壓。

（3）高原低溫下發動機各機體均過冷且進氣溫度也低，在有預熱塞的條件下，燃燒室內形成霧化良好的混合氣溫度更高，燃燒更穩定，使車輛怠速更穩定。

（4）高原冷機狀態，氧含量低且進氣溫度和缸內溫度低，適當加大主噴提前角可以提高缸內溫度，減少缸內壓力，減少缸內粗暴燃燒，有利于缸內燃燒，使缸內燃燒更穩定，進而使怠速更穩定。

參考文獻：

[1]中國發展改革委.《西部陸海新通道總體規劃》[EB/OL].[2019-8-16].https：//www.ndrc.gov.cn/fggz/zcssfz/zcgh/201908/t20190816_1145788.html.

[2]中國皮卡網.《2023年全國31省皮卡終端銷量詳解》[EB/OL].[2024-1-24].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1788837847032250127&wfr=spider&for=pc.

[3]張建軍.柴油噴射正時對天然氣/柴油雙燃料發動機燃燒特性的影響[J].2019，235：838-846.

[4]劉瑞林.柴油機高原環境適應性研究[M].北京：北京理工大學出版社，2013：2-12.

[5]郭亮.車用柴油機起動工況燃燒過程的研究[D].長春：吉林大學，2006.

[6]蘇巖.柴油機起動工況燃燒和排放的逐循環和全過程研究[D].長春：吉林大學，2007.