車用柴油機起動煙度試驗研究

孔祥鑫，張永青，冀樹德，姚春雷，李峰，劉逢春，劉志剛

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

車用柴油機起動煙度試驗研究

孔祥鑫，張永青，冀樹德，姚春雷，李峰，劉逢春，劉志剛

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

針對柴油汽車起動過程煙度較為嚴重的問題，以柴油機臺架試驗為研究手段，從改善燃燒過程以及燃料自身性能的角度出發(fā)對車用柴油機起動煙度的優(yōu)化進行了研究。結果表明：柴油機噴油起始轉速、起動供油量、燃料性能均對起動煙度存在直接影響；試驗條件下，適當提高噴油起始轉速、降低起動供油量、提升燃料十六烷值及含氧量，可以有效降低該柴油機起動煙度。

柴油機；煙度；臺架試驗；起動

研究表明，在目前被產(chǎn)業(yè)化應用的各種動力機械中，柴油機熱效率最高，能量利用率最好，同時其輸出功率大、適應性好、燃油消耗率低[1]，這使得柴油機在車用動力方面的優(yōu)勢尤為明顯，全球車用動力“柴油化”趨勢逐漸形成[2]。但由于柴油機自身的工作特點，其顆粒排放，尤其是煙度遠高于汽油機[3]，由此帶來的大氣能見度降低[4]與空氣污染致病等問題[5]十分嚴重。

眾多學者通過試驗及仿真分析等手段對如何減少柴油機煙度作了研究，并取得了一定進展，如燃油預噴射技術[6-7]、進氣增壓技術[8]、燃燒室與進氣道結構優(yōu)化[9-10]、增加后處理裝置[11]等，但研究針對的多是運行工況，實際上柴油機起動過程的煙度問題也十分突出，需要得到更大的重視。柴油機從開始起動到穩(wěn)定在怠速轉速運行的整個階段皆可看作起動過程[12]，這一過程中較低的環(huán)境溫度與噴油壓力等因素導致煙度問題十分嚴重，故有必要針對起動煙度的優(yōu)化進行深入研究。本研究以柴油機臺架試驗為研究手段，以起動過程為主要工況，以優(yōu)化柴油機噴油起始轉速、起動供油量及燃料性能為方向，研究柴油機起動煙度的優(yōu)化方法，探索了柴油汽車尾氣排放問題的解決方案。

1 試驗裝置與方法

1.1試驗系統(tǒng)與測試裝置

試驗系統(tǒng)由發(fā)動機、煙度計、測控系統(tǒng)、測功機等組成，其連接方式見圖1。發(fā)動機起動電機的電源由4塊12 V蓄電池兩兩串聯(lián)后并聯(lián)組成。試驗中發(fā)動機的起動方式以電機起動為主，增加測功機與發(fā)動機的連接可實現(xiàn)轉速測量且并不引入新的起動負載，同時測功機也能以拖動方式實現(xiàn)發(fā)動機的起動。試驗所用發(fā)動機的主要配置及參數(shù)見表1。

圖1 試驗系統(tǒng)示意

型式8缸V型四沖程冷卻方式水冷缸徑/mm150供油裝置電控噴油泵行程/mm160進氣方式增壓中冷排量/L22．6排放標準GB 17691—2005第Ⅲ階段

根據(jù)GB 17691—2005及GB 3847—2005的規(guī)定，車用柴油機煙度的測量應采用不透光煙度法[13]，采用該方法能對柴油機的瞬態(tài)炭煙和其他污染物的排放特性進行研究。本試驗選用的不透光煙度計為AVL439煙度計，其連接結構見圖2。采樣探頭可固定安裝在發(fā)動機排氣管上，樣氣能通過采樣管進入設備，再從設備回流到排氣管[14]。該煙度計測量室光學通道長0.43 m，采樣管路以溫控方式使測量室內(nèi)的溫度穩(wěn)定在100 ℃左右；該煙度計以膜片泵采樣，能夠保證以恒定流量收集發(fā)動機排氣[15]。試驗選擇連續(xù)測量模式，采樣頻率設定為10 Hz，測量值為不透光度N。

圖2 AVL439煙度計連接示意

1.2試驗條件與方法

本試驗中相關控制參數(shù)與邊界條件見表2。

表2 試驗控制參數(shù)與邊界條件

本試驗所用發(fā)動機怠速轉速為800 r/min，原機狀態(tài)下電控噴油起始轉速為60 r/min，起動過程控制油量的齒桿位移及其對應的實際供油量見表3。

表3 原機狀態(tài)起動過程供油量

在進行發(fā)動機起動試驗時，為確保數(shù)據(jù)的真實與準確性，每種工況至少間隔進行3次試驗，逐次記錄各起動過程中瞬態(tài)煙度(AVL439煙度計所測得的不透光度)的峰值。若3次峰值數(shù)據(jù)的重復性較好，則取3次數(shù)據(jù)的平均值，以此值作為煙度測試結果；若3次峰值數(shù)據(jù)的重復性不佳，則增加試驗次數(shù)，并剔除奇異值，取重復性較好數(shù)據(jù)的平均值作為測試結果。每次起動試驗的時間間隔以發(fā)動機油水溫度恢復到上一次起動前的溫度為準。

2 試驗結果與分析

2.1噴油起始轉速對起動煙度的影響

圖3至圖8分別示出不同電控噴油起始轉速下發(fā)動機起動(3次)瞬態(tài)煙度曲線。柴油機從開始升速到穩(wěn)定在怠速轉速運行的整個階段皆可看作起動過程，在試驗各狀態(tài)下，起動過程瞬態(tài)煙度的峰值均出現(xiàn)在升速階段結束后的怠速運行初期階段，而后隨著怠速階段的持續(xù)，煙度值再次下降。

統(tǒng)計各狀態(tài)下發(fā)動機3次起動過程的瞬態(tài)煙度均峰值，根據(jù)結果繪制趨勢圖(見圖9)。

圖3 原機狀態(tài)起動瞬態(tài)煙度

圖4 噴油起始轉速70 r/min下的起動瞬態(tài)煙度

圖5 噴油起始轉速80 r/min下的起動瞬態(tài)煙度

圖6 噴油起始轉速90 r/min下的起動瞬態(tài)煙度

圖7 噴油起始轉速100 r/min下的起動瞬態(tài)煙度

圖8 噴油起始轉速110 r/min下的起動瞬態(tài)煙度

圖9 煙度均峰值隨噴油起始轉速的變化

由圖9可見：在一定范圍內(nèi)，柴油機起動煙度隨噴油起始轉速的提高而降低。究其原因，低轉速時噴入缸體內(nèi)的燃油以液態(tài)形式存在且逐漸累積的時間較長，在柴油機的初始著火循環(huán)中混合氣濃度較大，煙度也較大。因此，適當提高噴油起始轉速可作為該柴油機起動煙度優(yōu)化的一種措施。但在實際應用中需要考慮到，過高的噴油起始轉速對車輛起動電機的功率也提出了更高的要求，因此，應從煙度以及起動電機性能的角度綜合考慮，為發(fā)動機選擇合適的噴油起始轉速。

2.2起動供油量對起動煙度的影響

在2.1節(jié)分析結果的基礎上，固化電控噴油起始轉速為110 r/min，并將控制供油量的齒桿位移按照表4所示的方案進行設置，進行起動試驗，以探究起動供油量對該柴油機起動煙度的影響。

圖10至圖14分別示出不同供油量(齒桿位移)下的發(fā)動機起動(3次)瞬態(tài)煙度曲線。統(tǒng)計各方案發(fā)動機3次起動過程的瞬態(tài)煙度均峰值，根據(jù)結果繪制趨勢圖(見圖15)。

由圖15可見：在一定范圍內(nèi)，該柴油機起動煙度隨著起動供油量的減少而降低。究其原因，發(fā)動機在起動初期存在多次失火循環(huán)，缸內(nèi)燃油較多導致不完全燃燒情況較為嚴重，煙度較高。因此，適當降低起動供油量可作為該柴油機起動煙度優(yōu)化的一種措施。但在實際應用中需要考慮到，發(fā)動機起動時缸內(nèi)溫度和壓力較低，渦流較弱，供油噴射壓力也較低[16]，起動供油量過低時混合氣太稀，可能導致起動失敗，或因多次噴射造成循環(huán)噴油量增大，積存的燃油反而造成排氣煙度增加[17]。因此，應從煙度以及發(fā)動機起動油量需求的角度綜合考慮，選擇合適的起動供油量。

表4 起動齒桿位移/供油量方案

圖10 方案1起動瞬態(tài)煙度

圖11 方案2起動瞬態(tài)煙度

圖12 方案3起動瞬態(tài)煙度

圖13 方案4起動瞬態(tài)煙度

圖14 方案5起動瞬態(tài)煙度

圖15 煙度均峰值隨起動齒桿位移的變化

2.3燃料性能對起動煙度的影響

表5列出本試驗原燃料及另外選取的3種燃料的性能指標。試驗原燃料為-10號柴油，在其基礎上，通過添加一定比例的十六烷值改進劑以及含氧添加劑，得到燃料A，B，C。4種燃料的主要差異項為十六烷值與含氧量，以其為變量研究燃料性能對起動煙度的影響。

表5 燃料性能指標對比表

燃料A，B，C均進行原機狀態(tài)和優(yōu)化狀態(tài)試驗。優(yōu)化狀態(tài)噴油起始轉速設置為110 r/min，齒桿位移設置為方案5。圖16至圖21分別示出燃用不同燃料時的發(fā)動機起動(3次)瞬態(tài)煙度曲線。

統(tǒng)計各狀態(tài)發(fā)動機3次起動過程的瞬態(tài)煙度均峰值，根據(jù)結果繪制趨勢圖(見圖22)。

圖16 燃料A原機狀態(tài)起動瞬態(tài)煙度

圖17 燃料A優(yōu)化狀態(tài)起動瞬態(tài)煙度

圖18 燃料B原機狀態(tài)起動瞬態(tài)煙度

圖19 燃料B優(yōu)化狀態(tài)起動瞬態(tài)煙度

圖20 燃料C原機狀態(tài)起動瞬態(tài)煙度

圖21 燃料C優(yōu)化狀態(tài)起動瞬態(tài)煙度

圖22 煙度均峰值隨燃料性能的變化

由圖22可見，相同條件下，4種燃料的起動煙度呈遞減趨勢。結合表5可知，十六烷值及含氧量是影響各燃料起動煙度的主要因素，即在一定范圍內(nèi)，燃料的十六烷值越高、含氧量越高，發(fā)動機的起動煙度越小。這是因為十六烷值相對較高的燃料，芳香烴及不飽和烴含量相對較少，碳氫比較低，揮發(fā)性和著火性相對較好，在燃燒條件惡劣的起動工況下，燃燒室內(nèi)混合氣的均勻性相對更好，使發(fā)動機煙度相對較低[18]。但也需注意烷烴燃燒需要較長的時間，十六烷值過高也會造成排氣煙度增大，并引起油耗增大，經(jīng)濟性下降。而含氧量相對較高的燃料，其自供氧功能更好，可以在一定程度上降低燃料混合區(qū)的缺氧程度，抑制發(fā)動機起動炭煙的形成[19]。綜上，從適當提高十六烷值及含氧量入手改善燃料性能，可作為該柴油機起動煙度優(yōu)化的一種有效措施。

3 方案對比與優(yōu)化

上述分析中，未考慮起動方式(測功機和起動電機)對試驗結果的影響，也未考慮潤滑油對試驗結果的影響。實際上，第2.2節(jié)中，起動方案1和方案3采用了測功機起動，方案2和方案4采用了起動電機起動，盡管測功機和起動電機的功率覆蓋和響應特性不同，但發(fā)動機瞬態(tài)轉速變化趨勢以及煙度達到峰值的響應時間基本是一致的(見圖23、圖24)，因此可不考慮其對結果的影響。而對于潤滑油來說，發(fā)動機的起動過程是一致的，認為其在缸壁的附著也是一致的，可忽略缸內(nèi)燃燒變化對起動煙度的影響。

圖23 不同起動方式下的瞬態(tài)轉速

圖24 不同起動方式下的瞬態(tài)煙度

綜合起動煙度的不同優(yōu)化方法，對結果進行對比與分析，結果見表6。其中方案Ⅲ是對起動供油量的單一優(yōu)化，即固化噴油起始轉速60 r/min，齒桿位移按表4方案設置進行起動試驗，其結果見表6。

表6 不同優(yōu)化方法起動煙度對比分析

通過表6可見，噴油起始轉速、起動供油量和燃料性能的優(yōu)化都能改善起動煙度，但改善效果不同。噴油起始轉速或起動供油量的單一優(yōu)化對煙度的改善均不超過30%，而優(yōu)化燃料性能對煙度的改善達到93.9%。相比于燃料性能對起動煙度的改善，噴油起始轉速或起動供油量對煙度的改善可忽略不計，這一點通過表6中方案Ⅳ和方案Ⅵ的結果對比可以驗證。同時，按照GB 17691—2005第Ⅳ階段的規(guī)定，煙度要求不高于0.5 m-1(相當于20%)，按此要求噴油起始轉速或起動供油量的優(yōu)化都無法滿足，必須改善燃料性能。然而，改善燃料性能意味著成本增加，對用戶來說是不愿意接受的。相比之下，噴油起始轉速和起動供油量的調整不會產(chǎn)生成本的增加，且二者的綜合優(yōu)化對煙度的改善能達到41.2%，在此基礎上，對燃料性能稍作改善即可達到目標，可作為兼顧排放要求與經(jīng)濟性的較為合適的起動煙度優(yōu)化方式。

4 結論

a) 在考慮起動電機性能的前提下，適當提高噴油起始轉速可以一定程度地降低柴油機起動煙度；

b) 適當減少起動供油量可以一定程度地降低柴油機起動煙度，但過低的起動供油量可能導致排氣煙度惡化或起動失敗；

c) 適當提高燃料的十六烷值及含氧量，可以有效降低柴油機起動煙度，但需考慮由此帶來的成本增加。

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ExperimentalInvestigationonOptimizationMethodofStartingSmokeforVehicleDieselEngine

KONG Xiangxin,ZHANG Yongqing,JI Shude,YAO Chunlei,LI Feng,LIU Fengchun,LIU Zhigang

(China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China)

For the serious smoke emissions of diesel engine during the starting process, the starting smoke was optimized by improving combustion process and fuel property on a test bench. The results show that the speed of injection beginning, fuel injection quantity of starting and fuel property have direct impact on the smoke of starting process. Under the test conditions, increasing the speed of injection beginning, reducing the fuel injection quantity of starting and increasing the cetane number and oxygen content of fuel appropriately can reduce the starting smoke effectively.

diesel engine;smoke;bench test;starting

2017-05-25；

2017-07-10

孔祥鑫(1990—)，男，助理工程師，碩士，主要研究方向為柴油機試驗技術與測試方法；kxxbuct@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.015

TK421.5

B

1001-2222(2017)05-0077-06

[編輯： 袁曉燕]