-43℃下多次喷射对柴油机冷起动特性的影响.pdf

第 44卷 第 5期2023年 10月Vol.44 No.5October 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering-43 下多次喷射对柴油机冷起动特性的影响董文龙，万明定，王正江，王晓宇，申立中（昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500）Effects of Multiple Injection on Cold Start Characteristics of A Diesel Engine at-43 DONG Wenlong，WAN Mingding，WANG Zhengjiang，WANG Xiaoyu，SHEN Lizhong（Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）Abstract：In order to improve the starting performance and idling stability of diesel engines under extremely cold conditions，a cold starting test was conducted at-43 based on a diesel engine towed by an integrated starter/generator motor.The effects of 3 injection modes，i.e.single injection，double injections（pilot injection 1+main injection）and triple injections（pilot injection 2+pilot injection 1+main injection）on the cold starting process and combustion characteristics of diesel engine were studied，and the effects of different injection combinations on the cold starting process of diesel engines under extreme cold conditions were analyzed.Results showed that at the ambient temperature of-43，the cold start performance of the diesel engine with triple injections was significantly better than that of single and double injections.With the increase in the number of injections，the peak values of in-cylinder pressure in the first cycle of starting combustion rose，the peak phase was advanced，the peak values of pressure rise rate and instantaneous heat release rate decreased significantly，and the ignition delay period was shortened.In the cold start process compared to single injection，the number of cycles required in the reversed towing stage and the acceleration stage was reduced by 9 and 22 for double and triple injections，respectively，and the maximum combustion pressure was increased and the cycle variation rate was reduced by 37.7%and 46.8%，resulting in shortening of the start-up time by 0.88 s and 2.58 s，and reduction in cumulative oil volume by 511 mg and 1 290 mg.In the idling process after starting，the idle speed fluctuation rate was reduced by 54.2%and 82.2%，and the idle speed stability was significantly improved with the increase of injection number.The research results can provide a theoretical basis for the control and parameter calibration of diesel engine cold starting process under extremely cold conditions.摘要：为了改善极寒条件下柴油机的起动性能和怠速稳定性，基于起动/发电一体式电机拖动柴油机进行-43 下的冷起动试验，研究了单次、两次（预喷 1+主喷）和三次喷射（预喷2+预喷 1+主喷）3 种喷射方式对柴油机冷起动过程及燃烧特性的影响，分析了不同喷射组合对极寒条件下柴油机冷起动过程的影响规律。研究表明：在-43 环境温度下，柴油机采用三次喷射时，冷起动性能明显优于单次和两次喷射。随着喷射次数的增加，起动燃烧首循环文章编号：1000-0925（2023）05-0008-08440055收稿日期：2022-12-29修回日期：2023-02-05基金项目：国家自然科学基金项目（52066008）Foundation Item：National Natural Science Foundation of China（52066008）作者简介：董文龙（1996），男，硕士生，主要研究方向为柴油机电子控制技术，E-mail：；申立中（通信作者），E-mail：。内燃机工程2023年第 5期的缸内压力峰值升高，峰值相位提前，压力升高率和瞬时放热率峰值显著降低，滞燃期缩短；在冷起动过程中，相比单次喷射，两次和三次喷射时倒拖阶段和升速阶段所需时间分别减少 9 个循环和 22 个循环，最高燃烧压力升高，循环变动率分别降低 37.7%和 46.8%，使得起动时间分别缩短 0.88 s 和 2.58 s，起动累积油量分别减少 511 mg 和 1 290 mg；在起动后的怠速过程，怠速转速波动率分别降低 54.2%和 82.2%，随着喷射次数的增加，怠速稳定性显著提高。研究结果可为柴油机极寒条件下冷起动过程的控制和参数标定提供理论依据。关键词：柴油机；冷起动；多次喷射；燃烧；怠速稳定性Key words：diesel engine；cold start；multiple injection；combustion；idling speed stabilityDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.05.002中图分类号：TK4220概述柴油机具有输出转矩大、热效率高和环境适应性强等特点，被广泛应用于交通运输、工程机械和其他重要领域。中国地域辽阔，冬季南北温差较大，特别是北方地区，冬季平均温度在 0 以下，历史最低温达到-52.2。柴油机在低温环境下起动时，会出现起动困难及暖机过程怠速不稳等问题。传统起动喷油控制会通过增加喷油量来提高缸内混合气浓度，以促进起动过程的燃烧反应进行1，但喷油量过多会导致大量 HC 和 CO 排放。为了改善柴油机冷起动性能，国内外学者从辅助加热、提高压缩比和喷油策略等方面展开深入研究。文献 2 中研究发现，低温环境下柴油黏度增大，会导致燃油喷雾质量较差，混合气形成条件恶化。文献3 中采用了进气预热的方式改善了混合气形成条件，加速起动燃烧进程。文献 4 中研究发现，通过对冷却液加热可以有效缩短起动时间和降低 HC 和NOx的排放。文献 5 中通过冷起动热力学数值计算模型，研究了不同压缩比下的传热损失和气体泄漏率对低温柴油机压缩压力和温度的影响，发现提高压缩比可以有效改善柴油机冷起动性能。文献 6 中基于低压缩比柴油机的研究发现，常温下采用多次喷射可以提高缸内温度和压力，缩短主喷点火延迟，提高燃烧稳定性和降低有害物的排放。文献 7 中通过定容燃烧室（constant volume combustion chamber，CVCC）试验，对比分析了 20 和-20 下多种喷射策略对柴油雾化和燃烧过程的影响，结果表明预喷射释放的少量热量有利于主喷燃油的蒸发，并综合分析了两次、三次和四次喷射在两个温度点的试验结果，最终选择三次喷射策略作为冷起动条件下的最佳喷射策略。文献 8 中基于直喷汽油机展开研究，发现相比单次喷射，两次喷射可以有效改善-30 下的缸内混合气形成条件，实现汽油机冷起动工况的快速起动并提高怠速燃烧稳定性。上述研究主要针对常规车用发动机在-30 以上 的 冷 起 动 试 验 研 究，而 对 特 种 车 辆 而 言，要 求-43 环境下的柴油机能够正常起动，然而对于-43 下柴油机冷起动试验研究鲜有报道。同时中国对柴油机电控技术方面起步较晚，关于低温环境下柴油机多次喷射技术研究也较少。基于此，本研究中在不改变柴油机本体结构、不对冷却液和润滑油辅助加温的前提下，通过改变喷射次数来提升极寒条件下柴油机的起动性能。在-43 下的冷起动试验中，对比分析了不同喷射次数对柴油机冷起动过程及燃烧特性的影响，为后续改善柴油机高原冷起动性能研究提供参考。1试验设备及方案1.1试验设备柴油机冷起动试验台架如图 1 所示，试验发动机为一台 2 缸四冲程小型柴油机，主要参数见表 1。此外，低温环境舱温度控制范围为-60 30，控制精度为1。图中，ECU 为电子控制单元（electronic control unit），CAN 为局域网控制器（controller area network）。图 1冷起动试验台架 92023年第 5期内燃机工程通过控制器局域网总线通讯建立标定软件 INCA与发动机 ECU 的连接，实现对柴油机起动过程的数据采集与标定。通过 CAN 通讯建立电机启动控制系统与发动机 ECU 的数据传输，应用电机控制软件控制变频驱动器对电机进行供电。其他测试设备有 AVL 622 燃烧分析仪、AVL 365C 角标仪（精度0.01）、AVLGHP13 缸压传感器（精度0.01 MPa）、PT100 温度传感器（精度0.1）等。1.2试验方案为了研究-43 下不同喷射次数对柴油机冷起动性能的影响，设计了如表 2 所示的 3 种喷射方式。其中喷射参数是基于前期标定试验结果来确定的，同时还考虑了多次喷射协调控制系统中两次喷射的最小时间间隔角的限值条件9，具体喷射方式如图 2所示10。表 2 中，PiI2和 PiI1分别为预喷 2 提前角和预喷 1 提前角，MI为主喷提前角，qPiI1和 qPiI2分别为预喷 1 和预喷 2 的预喷油量，qMI为主喷油量。本文中曲轴转角为相对于上止点的角度，负值表示上止点前，正值表示上止点后。柴油机冷起动过程是指电机拖动柴油机转动至稳定进入怠速的过程1112，具体如图 3 所示。依据瞬时转速变化，将柴油机起动过程划分为倒拖阶段、升速阶段和调节阶段，并定义起动时间为柴油机起动 过 程 倒 拖 阶 段、升 速 阶 段 和 调 节 阶 段 的 时 间总和。如图 3 所示，起动结束标志转速是用于判断起动结束的转速阈值，当发动机转速达到标志转速后，喷油量进入怠速比例积分微分（proportion integration differentiation，PID）闭环调节控制12。倒拖阶段为电机拖动柴油机转动至发动机转速开始自行上升为止；升速阶段为发动机转速开始自行上升到起动结束标志转速为止；调节阶段从怠速 PID 介入调节到发动机转速稳定进入怠速为止；怠速过程为发动机转速稳定维持在怠速转速的过程。每次试验前，先将试验发动机放在环境温度为-43 的试验舱中静置 8 h。在发送起动指令时，先采用预热塞进行缸内预热，预热策略为起动前预热 25 s加起动过程持续预热。其中，电机拖动转速、起动结束标志转速和怠速分别设置为 500 r/min、1 300 r/min 和1 200 r/min。最后，每组试验在相同条件下重复进行 3次后取试验结果平均值。2试验结果与分析2.1多次喷射对冷起动燃烧特性的影响2.1.1首循环缸内燃烧分析图 4 为冷起动工况下不同喷射次数对首循环燃烧特征参数的影响。燃烧始点 CA10 和燃烧重心CA50 分别为累积放热率 10%、50%时对应的曲轴转角，并定义滞燃期为主喷提前角至 CA10 所经过的曲轴转角。相比单次喷射，两次和三次喷射时发动机的 CA10 分别提前 3.72和 7.15；滞燃期分别缩短3.72和 7.15；CA50 分别提前 2.55和 4.91。这是因为预喷射可以有效提高缸内温度和压力，促进油气混合，显著缩短滞燃期，进而使得 CA50 提前13。表 2不同喷射方式的喷射参数喷射次数123喷油量/mgqMI37.034.532.0qPiI12.52.5qPiI22.5喷油时刻/（）MI-5.0-5.0-5.0PiI1-12.5-12.5PiI2-20.0表 1柴油机主要技术参数项目型式缸径/mm行程/mm压缩比排量/L最大功率/kW标定功率/kW参数高压共轨增压中冷819717.20.9915635（3 200 r/min）图 2三次喷射方式定时图图 3柴油机冷起动过程划分 10内燃机工程2023年第 5期图 5 为冷起动工况下不同喷射次数对首循环缸内压力及放热率的影响。在单次喷射下，缸压曲线随曲轴转角的变化呈现双峰，第 1 峰为上止点压缩压力，第 2 峰为燃烧过程的最大燃烧压力；与多次喷射相比，单次喷射时的压力峰值最小，峰值相位推迟，放热率峰值最高。这是因为单次喷射滞燃期较长，燃烧发生在活塞下行阶段，此时缸内压力和温度开始降低，导致缸内峰值压力降低。另外，滞燃期的延长会导致预混燃烧比例增加，着火后可燃混合气几乎同时燃烧，使得放热率峰值升高。在多次喷射下，随着预喷次数的增加，着火和燃烧相位提前并接近上止点，首循环缸内压力峰值升高，放热率峰值随之降低。相比两次喷射，三次喷射的缸内压力和瞬时放热率在预喷阶段有明显提高，对应的燃烧相位提前，主喷阶段压力峰值提高 0.34 MPa，峰值相位提前 2.83，同时放热率峰值降低 8.2%。这主要是因为第 1 次预喷的氧化反应释放少量热量，有助于第 2 次预喷的蒸发和点火，使得两次预喷燃烧反应更激烈7，提高了主喷前缸内温度和压力，有助于低温环境下主喷燃油的蒸发及与空气混合，使得更多的混合气在上止点附近参与燃烧，缸内压力峰值升高。图 6 为冷起动工况下不同喷射次数对首循环缸内压力升高率的影响。随着喷射次数的增加，压力升高率不断降低。相比单次喷射，两次和三次喷射时的压力升高率峰值分别降低了 28.7%和 33.9%；相比两 次 喷 射，三 次 喷 射 时 压 力 升 高 率 峰 值 降 低 了7.3%。这是因为采用多次喷射后，滞燃期缩短，预混燃烧比例减少，压力升高率降低。采用多次喷射可以有效降低压力升高率，使燃烧柔和，改善极寒条件下柴油机工作粗暴和燃烧噪声。图 7 为冷起动工况下不同喷射次数对首循环缸内温度的影响。与两次喷射相比，单次喷射在主喷燃烧开始前的缸内温度出现大幅降低，同时燃烧过程的温度升高速率更快，峰值更大。原因在于缸内燃油的蒸发需要消耗热量，两次喷射的少量预喷燃油的先期氧化反应释放了少量热量14，提高了缸内温度，使得主喷燃烧开始前缸内温度下降幅度小于单次喷射。另外，由于低温环境下单次喷射的滞燃期较长，参与预混燃烧的油量增多，在着火之后迅速燃烧，缸内温度快速增加。此外，相比单次和两次喷射，三次喷射在第 2 次预喷时缸内温度明显提高，同时整个燃烧过程的缸内温度相对较高。2.1.2起动过程燃烧分析图 8 为不同喷射次数对柴油机冷起动过程滞燃期的影响。随着喷射次数的增加，起动过程的滞燃期显著减小。在单次喷射下起动过程的滞燃期呈现先减小后缓慢增大的趋势。其原因为：在倒拖阶段，随着转速快速上升，通过活塞环的漏气损失及散热损失减少，压缩温度和压力升高，喷油压力增大，这些因素使燃油雾化得到改善，促使着火准备过程加图 4燃烧首循环燃烧特征参数对比图 6燃烧首循环缸内压力升高率对比图 5燃烧首循环缸内压力及放热率对比图 7燃烧首循环缸内温度对比 112023年第 5期内燃机工程快，使得滞燃期随转速上升而减小；进入升速阶段，由于电机自动脱离，转速下降后上升速度相对较慢，气体运动较弱，进气温度和燃烧室温度较低，导致混合气形成条件恶化，滞燃期增加。图 9 为不同喷射次数起动过程的最高燃烧压力对比，从第 56 个循环开始单次喷射稳定进入怠速。图中闭环控制点对应倒拖阶段和升速阶段结束后进入怠速的时刻。在单次喷射起动过程中，倒拖阶段和升速阶段一共经历了 44 个循环，使发动机转速从升速阶段到调节阶段平稳过渡并顺利进入怠速，最高燃烧压力随循环数的增加而先增大后缓慢减小，且波动较大。采用两次喷射后，起动过程的最高燃烧压力显著提高，循环波动也得到改善，相比单次喷射，两次喷射时倒拖阶段与升速阶段缩短了 9 个循环；采用三次喷射后，起动过程的最高燃烧压力普遍较高且比较稳定，相比单次和两次喷射，三次喷射时倒拖阶段与升速阶段所需循环数最少，仅为 22 个循环。此外，相比单次喷射，两次和三次喷射时调节阶段结束时经历的总时长分别减少 5 个和 15 个循环。在起动过程中，最高燃烧压力都有回落和超调的现象15。这是因为喷油量进入怠速 PID 闭环调节控制，喷油量相对较小，最高燃烧压力瞬间降低，随后加 大 喷 油 量，最 高 燃 烧 压 力 增 大，转 速 回 调 进 入怠速。图 10 为不同喷射次数冷起动过程的最高燃烧压力循环变动率 Cpcp，其定义如式（1）所示。Cpcp=j=1n(pmax，j-pmax)2n-pmax（1）式中，Cpcp为最高燃烧压力循环变动率；n 为起动过程中最高燃烧压力的采样循环数量；pmax，j为第 j 个循环的最高燃烧压力；-pmax为 n 个循环最高燃烧压力平均值。相比单次喷射，两次和三次喷射时 Cpcp分别降低 37.7%和 46.8%；相比两次喷射，三次喷射时Cpcp降低 14.5%。这是因为预喷射可以有效提高缸内温度，促进燃油与空气的混合，利于混合气的形成与 分 布，显 著 缩 短 滞 燃 期，进 而 使 得 循 环 波 动 率降低。2.2多次喷射对冷起动瞬态特性的影响图 11 为不同喷射次数起动过程的瞬时转速变化。转速上冲量定义为起动过程的峰值转速与结束标志转速之差。随着喷射次数的增加，冷起动过程转速上升越快，起动结束时转速上冲量越大，调节阶段的转速下降越小。进入升速阶段后，由于失去电机拖动力矩，发动机在内部阻力较大的条件下出现图 8不同喷射次数冷起动过程的滞燃期对比图 9不同喷射次数冷起动过程的最高燃烧压力对比图 10不同喷射次数冷起动过程的循环变动率对比 12内燃机工程2023年第 5期转速下降阶段，但随着喷射次数的增加，做功能力增强，使得转速下降得到显著改善。在调节阶段，由于喷油量进入怠速 PID 闭环调节控制，导致发动机转速出现急剧下降。另外，在起动过程中，由于单次喷射的滞燃期较长，燃烧发生在活塞下行阶段，导致做功能力较差，起动过程转速上升缓慢，升速阶段持续时间较长。图 12 为喷射次数对起动时间和转速上冲量的影响。随着喷射次数的增加，倒拖阶段时间差异较小，升速阶段时间显著缩短，但起动结束后转速上冲量增大，导致调节阶段的时间延长。单次喷射起动时，倒拖阶段、升速阶段和调节阶段的时间分别为0.94 s、5.22 s 和 1.37 s；两次喷射起动时，起动时间明显缩短，与单次喷射相比，倒拖阶段和升速阶段的时间分别缩短 0.02 s 和 1.16 s，但由于转速上冲量的增大，调节阶段反而增加 0.30 s；三次喷射起动时起动时间最短，相比单次和两次喷射起动时间分别减少 2.58 s 和 1.70 s，但转速上冲量较大，导致调节时间最长，为 1.93 s。由以上分析可知，在冷起动过程中采用多次喷射的方式对缩短升速阶段的时间效果最明显。这是因为预喷射可以提高缸内温度和压力，混合气形成条件得到改善，滞燃期缩短，燃烧重心 CA50 提前，做功能力增强，进而有效缩短起动时间。图 13 为不同喷射次数对起动累积油量的影响。起动累积油量定义为起动过程消耗的燃油量之和。随着喷射次数的增加，起动累积油量明显减少。相比单次喷射，两次和三次喷射时起动累积油量分别减少511 mg 和 1 290 mg，减少了 12.5%和 31.5%；相比两次喷射，三次喷射时起动累积油量减少 779 mg，减少了 21.7%。原因是单次喷射的滞燃期较长，燃烧发生在活塞下行阶段，膨胀比较低，释放的热量不能被有效利用，导致做功能力较差，运行时间较长，进而导致起动累积油量较多。2.3多次喷射对怠速稳定性的影响图 14 为怠速工况下不同喷射次数对怠速转速的影响。单次喷射下，怠速过程的转速波动最大，最大波动幅度为200 r/min；两次喷射下，怠速过程的转速波动显著降低，最大转速波动幅度减少至85 r/min；三次喷射下，怠速过程的转速波动最小且 稳 定，三 次 喷 射 时 最 大 转 速 波 动 幅 度 减 少 至25 r/min。另外，单次和两次喷射时怠速过程的转速波动均呈现先增大后缓慢减小的趋势。这是因为进入怠速后，循环喷油量减少，混合气形成条件恶化，缸内燃烧稳定性和各缸燃烧一致性变差8，进而导致怠速过程的转速波动较大；随着运行时间的增加，燃烧室温度逐渐升高，混合气形成条件逐渐得到改善，怠速过程的转速波动逐渐减小。图 15 为怠速工况下不同喷射次数的怠速转速波动率，其定义如式（2）所示。COVv=SD(v)v 100%（2）式中，COVv为怠速转速波动率16；v 为怠速转速；v 为怠速转速平均值；SD（v）为怠速转速的样本标准偏差，其定义如式（3）所示。SD(v)=1mi=1m(vi-v )2（3）式中，m 为怠速过程中的样本转速采样数量，采样时间为 0.01 s；vi为怠速转速样本中的第 i 个值。相比单次喷射，多次喷射可以有效降低怠速过程的转速波动。相比单次喷射，两次喷射和三次喷射的怠速图 11不同喷射次数冷起动过程的发动机转速图 12不同喷射次数冷起动过程的起动时间和转速上冲量图 13不同喷射次数的起动累积油量对比 132023年第 5期内燃机工程转速波动率分别降低了 54.2%和 82.2%；相比两次 喷 射，三 次 喷 射 的 怠 速 转 速 波 动 率 降 低 了61.1%。结合以上分析，在极寒条件下采用三次喷射可以有效提高发动机的怠速稳定性。图 16 为怠速工况下不同喷射次数对循环喷油量的影响。相比单次喷射，多次喷射在怠速闭环控制过程中的循环喷油量显著减小。这是因为增加预喷射可以提高怠速过程的燃烧稳定性和燃油经济性。另外，单次喷射在 25 s 时出现持续加大喷油量的现象。这是因为单次喷射在极寒条件下的燃烧稳定性较差，导致进入怠速后转速出现严重下降现象，为了防止发动机熄火，通过 PID 调节增加喷油量来提高缸内混合气浓度，促进怠速过程的燃烧反应，从而使发动机稳定运行。3结论（1）相比单次喷射，两次和三次喷射时起动首循环缸内压力峰值升高，峰值相位提前，放热率和压力升高率峰值显著降低；在起动过程中，滞燃期显著缩短，燃烧重心 CA50 提前，最高燃烧压力升高，循环变动率显著降低。（2）相比单次喷射，两次和三次喷射时起动过程的倒拖阶段分别缩短 0.02 s 和 0.03 s，升速阶段分别缩短 1.16 s 和 3.11 s，但转速上冲量增大，导致调节阶段分别增加 0.30 s 和 0.56 s；起动累积油量分别减少 511 mg 和 1 290 mg；怠速转速波动率分别降低 54.2%和 82.2%。图 14不同喷射次数的怠速转速对比图 15不同喷射次数的怠速转速波动率对比图 16不同喷射次数的怠速过程循环喷油量对比 14内燃机工程2023年第 5期（3）综合对比 3 种喷射方式在-43 下的起动过程和燃烧特性得出，三次喷射可以有效改善极寒条件下柴油机的冷起动性能。参考文献：1 ZHONG L R，GRUENEWALD S，HENEIN N A，et al.Lower temperature limits for cold starting of diesel engine with a common rail fuel injection systemC/OL/SAE Technical 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