陳月春　吳心波　曾笑笑　馬文娟　李素婷

摘要：為改善柴油機(jī)起動(dòng)性能并降低起動(dòng)過程的煙度，以某款國六輕型柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用車載483煙度計(jì)實(shí)時(shí)測量起動(dòng)過程煙度，開展起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、軌壓、主噴角度、起動(dòng)過程開關(guān)廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）閥對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能和煙度影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能明顯改善柴油機(jī)起動(dòng)性能，軌壓、主噴角度、起動(dòng)過程開關(guān)EGR閥對(duì)起動(dòng)性能影響不大；適當(dāng)增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、增大軌壓、減小主噴角度、關(guān)閉EGR閥均能降低柴油機(jī)起動(dòng)煙度。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；起動(dòng)性能；煙度

中圖分類號(hào)：TK421文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）05-0027-04

引用格式：陳月春，吳心波，曾笑笑，等. 柴油機(jī)起動(dòng)性能及煙度優(yōu)化的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，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

柴油機(jī)具有熱效率高、輸出功率大、燃油消耗低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。隨著柴油機(jī)的大量應(yīng)用，柴油機(jī)排放導(dǎo)致的大氣污染日益加劇。柴油機(jī)排放污染物中顆粒物（particulate matter，PM）較多，大氣中超過20%的PM2.5來源于柴油機(jī)排放[1-2]。柴油機(jī)的起動(dòng)性能不僅影響工作效率，還影響整車的煙度水平，是柴油機(jī)重要性能指標(biāo)之一[3-5]。文獻(xiàn)[6]中規(guī)定輕型車輛應(yīng)進(jìn)行常溫下和低溫下起動(dòng)后的污染物試驗(yàn)，要求將起動(dòng)階段的排放污染物納入計(jì)算，因此，在保證柴油機(jī)起動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，降低起動(dòng)過程中煙度尤為重要。

受進(jìn)氣及供油等綜合因素影響，柴油機(jī)起動(dòng)階段冒黑煙的主要原因是進(jìn)氣量與供油量匹配不合理導(dǎo)致燃料不完全燃燒[7-11]。國內(nèi)不少學(xué)者通過試驗(yàn)或仿真對(duì)降低柴油機(jī)煙度展開研究：樓狄明等[12]從增大供油提前角及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩角度出發(fā)，提出了對(duì)起動(dòng)過程滯速階段改善的優(yōu)化理念，提升了柴油機(jī)在高原環(huán)境下的起動(dòng)性能；彭海勇[13]研究了廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過程的影響，指出柴油機(jī)起動(dòng)階段適當(dāng)開啟EGR閥，能有效改善缸內(nèi)混合氣的著火燃燒性能，可有效提升柴油機(jī)起動(dòng)性能。

本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，以某輕型柴油機(jī)為研究對(duì)象，以保證柴油機(jī)起動(dòng)性能及降低起動(dòng)階段碳煙的質(zhì)量濃度（簡稱煙度）為研究目標(biāo)，采用車載483煙度計(jì)對(duì)起動(dòng)階段煙度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，開展發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（起動(dòng)噴油量）、主噴角度、軌壓及起動(dòng)階段開啟、關(guān)閉EGR閥4個(gè)因素對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能及煙度影響的試驗(yàn)研究，為后續(xù)柴油機(jī)起動(dòng)性能提升及煙度優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及樣機(jī)

在某國六輕型樣車上開展試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)為某國六輕型直列4缸、直噴四沖程、增壓中冷、外置EGR、高壓共軌柴油機(jī)。柴油機(jī)缸徑為94 mm、行程為107 mm、排量為2.98 L、壓縮比為17.5，后處理方式為氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）-顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）-選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR），起動(dòng)方式為蓄電池帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

采用AVL公司的車載483煙度計(jì)測量起動(dòng)過程中的瞬態(tài)煙度。該483煙度計(jì)基于光聲學(xué)方法測量碳煙，設(shè)備內(nèi)部采用激光對(duì)炭黑顆粒進(jìn)行周期性照射，炭黑顆粒受到照射后不斷忽冷忽熱，不停地膨脹、收縮。這種膨脹、收縮可視為一種聲波，可通過麥克風(fēng)采集成電壓信號(hào)，通過調(diào)整不同的稀釋比，實(shí)時(shí)測量不同環(huán)境下的煙度。

試驗(yàn)設(shè)備安裝如圖1所示。將車載483煙度計(jì)的采樣探頭固定在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中，為保證測量準(zhǔn)確性，采樣探頭應(yīng)盡量靠近柴油機(jī)渦輪端，并盡可能提高車載煙度計(jì)的響應(yīng)速度；為消除DPF對(duì)煙度測量結(jié)果的影響，車載煙度計(jì)探頭安裝在后處理總成前面，廢氣依次流過煙度計(jì)探頭、DOC、DPF、SCR（廢氣流通方向如圖1中箭頭所示），保證測量的煙度為原排。試驗(yàn)采用連續(xù)測量模式，采樣頻率設(shè)定為10 Hz，煙度單位為mg/m3。

1.2 試驗(yàn)方案

按照文獻(xiàn)[14]的規(guī)定設(shè)計(jì)4種發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能及煙度對(duì)比試驗(yàn)方案，如表1所示。

在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)，首次起動(dòng)時(shí)環(huán)境溫度為15 ℃，起動(dòng)后怠速運(yùn)行約6 s，水溫溫升速度為4.5 ℃/min，每個(gè)方案的單個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，水溫可上升約0.5 ℃，車輛原地冷卻20 min，以盡可能維持相同的燃燒邊界。

試驗(yàn)操作步驟為：當(dāng)車載483煙度計(jì)熱機(jī)結(jié)束并處于測量模式時(shí)，試驗(yàn)車輛鑰匙上電并擰動(dòng)，起動(dòng)機(jī)開始拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)成功后（以電子控制單元控制邏輯切斷狀態(tài)跳變?yōu)闃?biāo)志判斷是否起動(dòng)成功），怠速運(yùn)行6 s后熄火，記錄整個(gè)起動(dòng)過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)起動(dòng)性能及煙度的影響

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.0M、0.6M、1.4M時(shí)，柴油機(jī)對(duì)應(yīng)的每循環(huán)瞬時(shí)最大噴油量依次為39.8、23.8、55.0 mg。不同起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下柴油機(jī)起動(dòng)性能與煙度對(duì)比如圖2所示。由圖2可知：1）相同環(huán)境溫度下，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.0M、0.6M、1.4M時(shí)起動(dòng)時(shí)間分別為0.86、1.16、0.64 s，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.4M時(shí)起動(dòng)性能較原始轉(zhuǎn)矩提升了25.6%；2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.0M、0.6M、1.4M，柴油機(jī)瞬態(tài)最大煙度分別為2.2、1.1、32.6 mg/m3時(shí)，起動(dòng)后怠速過程的煙度維持在0.8 mg/m3左右。

適當(dāng)加大起動(dòng)過程起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以明顯縮短柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間，原因?yàn)椴裼蜋C(jī)的起動(dòng)性能與缸內(nèi)混合氣質(zhì)量密切相關(guān)，噴油量增大，缸內(nèi)更易形成較濃混合氣，分子之間碰撞機(jī)會(huì)增多，混合氣形成速度加快，可有效縮短滯燃期，改善柴油機(jī)起動(dòng)性能。原始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)過程中，最大過量空氣系數(shù)為1.35，缸內(nèi)油、氣比合理，燃燒時(shí)大部分燃油用于做功，并未產(chǎn)生較多黑煙；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.6M時(shí)，最大過量空氣系數(shù)為2.28，缸內(nèi)較稀薄的油、氣在起動(dòng)過程中幾乎全部燃燒，排出機(jī)體外的黑煙很少；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.4M時(shí)，缸內(nèi)有較多未充分燃燒的氣體在排氣行程被排出機(jī)外，煙度較高。

綜上，適當(dāng)增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以提升柴油機(jī)的起動(dòng)性能，但存在起動(dòng)過程瞬態(tài)煙度過大的問題。因此，存在一個(gè)最佳的起動(dòng)油量，可以在保證柴油機(jī)起動(dòng)性能基礎(chǔ)上降低瞬態(tài)最大煙度。

2.2 主噴角度對(duì)起動(dòng)性能及煙度的影響

主噴角度對(duì)起動(dòng)性能及煙度影響對(duì)比如圖3所示。

由圖3可知：1）常溫環(huán)境下，主噴角度為1.0β與1.4β時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線基本一致，主噴角度為0.6β下、1.5 s時(shí)轉(zhuǎn)速較原始主噴角升高5.8%，原因?yàn)橹鲊娊嵌葹?.6β時(shí)，燃油在更接近上止點(diǎn)位置噴射，相比原始主噴角，缸內(nèi)壓縮溫度升高，缸內(nèi)瞬間放熱率增大，爆發(fā)壓力增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速升高；2）主噴角度為1.0β、0.6β、1.4β的起動(dòng)時(shí)間分別為0.84、0.86、0.91 s；3）主噴角度為1.4β時(shí)的瞬態(tài)煙度最大，主噴角度為0.6β時(shí)煙度最小，但兩者差異不大，分別為2.06、1.69 mg/m3。

主噴角度大，缸內(nèi)油、氣混合時(shí)間長，局部易形成過濃的混合氣，導(dǎo)致過量空氣系數(shù)偏小，起動(dòng)過程產(chǎn)生較大黑煙；由于噴油時(shí)刻活塞頂面距離上止點(diǎn)較近，主噴角度過小時(shí)，燃油易噴射到活塞頂面不利于蒸發(fā)，可燃混合氣相對(duì)較少，滯燃期加長，起動(dòng)性能降低，同時(shí)后燃比例增大，燃燒不充分產(chǎn)生黑煙，導(dǎo)致瞬態(tài)煙度過大。因此，柴油機(jī)起動(dòng)過程中存在一個(gè)最佳主噴角度，主噴角度過大或過小都使起動(dòng)時(shí)間變長，同時(shí)瞬態(tài)最大煙度也非最佳。

2.3 軌壓對(duì)起動(dòng)性能及煙度影響

不同起動(dòng)軌壓下柴油機(jī)起動(dòng)性能與煙度對(duì)比如圖4所示。由圖4可知：起動(dòng)軌壓為1.0p、0.6p、1.4p時(shí)起動(dòng)時(shí)間分別為0.85、0.90、0.83 s；起動(dòng)軌壓為1.0p、0.6p、1.4p的起動(dòng)過程中，瞬態(tài)最大煙度分別為1.6、2.0、1.5 mg/m3。

常溫下起動(dòng)階段較高軌壓可以改善缸內(nèi)霧化效果，隨著噴油壓力增加，燃油運(yùn)動(dòng)速度加快，燃油與缸內(nèi)空氣間的擾動(dòng)作用加強(qiáng)，促進(jìn)缸內(nèi)油滴霧化和蒸發(fā)，燃燒更加充分。與原軌壓相比，起動(dòng)軌壓為1.4p時(shí)起動(dòng)性能提升了2.35%，煙度降低了6.25%。起動(dòng)過程中適當(dāng)增大軌壓可以降低起動(dòng)瞬態(tài)最大煙度，同時(shí)可以略微提升柴油機(jī)起動(dòng)性能。

2.4 EGR閥對(duì)起動(dòng)性能及煙度影響

環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，起動(dòng)過程中開啟、關(guān)閉EGR閥對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能及煙度的影響如圖5所示。

由圖5可知： 環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，EGR閥全開、關(guān)閉的柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間分別為0.83、0.85 s；2種狀態(tài)下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線基本重合；開啟EGR閥起動(dòng)時(shí)，柴油機(jī)瞬態(tài)最大煙度為2.35 mg/m3，且在柴油機(jī)怠速運(yùn)行過程中，煙度也高于正常怠速煙度水平；關(guān)閉EGR閥起動(dòng)時(shí)，瞬態(tài)最大煙度為2.0 mg/m3，隨著柴油機(jī)怠速運(yùn)行，煙度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，起動(dòng)后經(jīng)過6 s左右，煙度降至約1.0 mg/m3。常溫下，柴油機(jī)起動(dòng)過程中開啟、關(guān)閉EGR閥對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能無明顯改善，但起動(dòng)過程中開啟EGR閥時(shí)瞬態(tài)煙度明顯增大，這是因?yàn)镋GR廢氣與新鮮空氣混合后，缸內(nèi)混合氣不均勻，造成缸內(nèi)燃燒惡化，使某缸內(nèi)碳煙濃度過高或燃燒不穩(wěn)定，對(duì)柴油機(jī)排放產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

1）適當(dāng)增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能提升柴油機(jī)的起動(dòng)性能，但存在起動(dòng)過程瞬態(tài)煙度過大的現(xiàn)象。

2）調(diào)節(jié)主噴角度對(duì)改善起動(dòng)性能效果不明顯；適當(dāng)減小起動(dòng)階段主噴角，可降低起動(dòng)階段的煙度。

3）增大軌壓可以降低柴油機(jī)起動(dòng)的瞬態(tài)最大煙度，并略微提升柴油機(jī)起動(dòng)性能。

4）起動(dòng)階段EGR閥開啟、關(guān)閉對(duì)提升起動(dòng)性能效果不明顯，但關(guān)閉EGR閥能明顯降低起動(dòng)過程及怠速階段的煙度。

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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（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-21

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD2000302）

第一作者簡介：陳月春（1983—），男，山東濰坊人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)性能開發(fā)及優(yōu)化，E-mail： chenyc@weichai.com。