进气预热对电控柴油机起动性能影响的研究

水边秀

1 前言

柴油机的起动过程分为4个阶段：预起动阶段､起动阶段､稳定运转阶段和暖机阶段[1]｡在电控柴油机的控制程序中，为了判断起动工况是否完成，需要设定一个起动结束标志转速点n1[2]｡在采用位置控制式电控分配泵（VP37）的管理系统中，在起动阶段的0转速至稳定运转阶段的起动结束标志转速点n1之间采用起动油量脉谱的供油方式；而在起动结束标志转速点n1之后采用PID自动控制供油方式｡阶梯状起动油量脉谱就是在起动结束标志转速n1不变的情况下，从起动油量脉谱的始点至某一油量切换点n2（n1>n2）的转速范围内增加供油量，从而提高电控柴油机的起动性能[5]｡

在电控柴油机的起动过程中，可以通过进气预热来改变燃料的着火条件和降低起动转矩，以达到迅速可靠地起动发动机并降低起动过程中HC排放的目的｡研究进气预热对电控柴油机起动性能的影响规律，对于满足日益严格的排放标准要求，提高发动机的经济性等具有重要意义｡

2 试验方法和试验方案

2.1试验方法

试验台架的布置如图1所示｡试验用发动机为一台4缸增压机，缸径×行程为98mm×105mm，排量为3.168L，功率为66kW（3400r/min），ω型燃烧室，最大扭矩为210N·m（2000r/min）｡应用上海恒协电子有限公司生产的GCA-Q-E-1500A型汽车起动电源代替蓄电池向起动机提供8个不同档位的起动电压｡应用AVL DiCom4000型废气分析仪测量起动过程中的HC排放容积比值｡VP37电控分配泵管理系统的硬件组成部分包括电控单元､接口单元MAC2和仿真单元ETK｡其中仿真单元ETK是电控单元ECU中的内存单元，与ECU集成一体，其上带有FLASH EPROM和RAM，可以通过改变仿真单元ETK中与起动相关的各参数值来考查其对电控柴油机起动性能的影响｡采用+5V稳压电源为电控单元供电｡


2.2 验方案

通过是否加装进气预热器的起动试验来研究进气预热对电控柴油机起动性能的影响规律｡

图2所示为试验用进气预热器，其额定功率为300～2500W，工作电压DC12V｡这种进气预热器安装在空气滤清器和进气歧管之间，采用正温度系数的热敏陶瓷作为发热体，以储热热交换方式工作，结构形式为同心分布多级串联散热片，散热片的工作温度可达950～1050℃｡通过对发热体的通电控制，实现对进入气缸内空气的预热｡


起动过程中的喷油定时主要由静态供油提前角决定， 验是在VP37泵的动态供油提前角固定不变､静态提前角为压缩上死点前14°曲轴转角的条件下完成的[2]｡本文试验没有特殊说明的HC排放值均指稳定运转阶段的峰值[5]｡

3 试验结果及分析

3.1进气预热对电控柴油机转速的影响

本次试验是在外界环境温度8℃下进行的｡图3､图4所示分别为起动脉谱油量70mg（n1=1000r/min，n2=650r/min）､80mg有预热及无预热情况下的转速曲线｡转速信号是利用磁电式转速传感器，通过均匀分布在飞轮端面的4个凹槽获取的，所以其采集频率为90°｡试验采用的进气预热器是利用+12V蓄电池作为电源加热进气，加热时间为30s，加热后发动机起动初始时刻的进气温度为24℃，起动结束时刻的进气温度为19℃｡



由图中可以看出： 在动脉谱油量的作用下，无预热的转速曲线在稳定运转阶段的峰值都在1200r/min左右，并且随着起动油量脉谱上的油量切换点n2前供油量的增加，起动发动机所需的循环数减少；随着切换点n2前､后供油量差值的增大，转速曲线的波动也增大｡由图还可以看出：对于有预热的发动机，尽管在起动油量脉谱中仍然存在切换点n2，但发动机转速并没有像无预热的那样在切换点n2处出现转速波动；并且尽管有预热的起动油量脉谱终点同无预热的起动油量脉谱终点一样都是1000r/min，但是有预热的发动机在稳定运转阶段的转速峰值并不是1200r/min，而是1400r/min｡产生上述试验结果的原因是，进气预热器使得相同供油量下气缸内的混合气浓度和混合气总量都较无预热的情况有一定程度的增加，气体膨胀对外做功的数量也有一定程度的增加，以至于n2后的混合气浓度足以使发动机转速保持以n2前的加速度继续运转｡

在起动过程中，当发动机转速达到n1时，起动脉谱油量就停止作用，取而代之的是相对较小的稳定运转阶段的自动控制油量；当电控单元根据转速信号检测到该供油量无法使发动机转速迅速升高到其内部程序设定的暖机转速（约为1000r/min）时，便自动增加供油量使发动机转速迅速升高到暖机转速，因此经过了一个约为200r/min的转速延迟后，发动机转速达到稳定运转阶段的第一个转速峰值点并出现了转速波动｡

本试验的自动控制供油方式是在无预热的状态下设定的，因此发动机转速在超过n1后，电控单元仍然按照无预热状态供油，这种供油方式的供油量在有预热的情况下会造成发动机转速的继续上升｡当电控单元根据发动机转速的反馈发现转速并没有向暖机转速下降时，则继续降低供油量，如此循环反馈-降低供油量的过程，直至发动机转速下降到设定的暖机转速，并造成转速峰值和转速延迟的增加｡

所以，在经过起动结束标志转速n1后，如果在有预热的情况下采用无预热的供油控制方式，会造成起动脉谱油量延迟作用[5]的转速范围和转速峰值相对于无预热的情况有所增加｡

3.2 进气预热对电控柴油机起动时间的影响

图5 所示为起动时间-起动脉谱油量曲线｡


由图可以看出： 无预热的情况下，起动时间随起动脉谱油量的变化比较明显；在有预热的情况下，起动时间在起动脉谱油量的某一临界点之前的一定范围内，随起动脉谱油量增加而降低变化幅度较大｡

图6所示为试验用柴油机的空燃比-供油量曲线，特殊标记点为理论空燃比所在点｡


图5 示有预热的曲线临界点产生在起动脉谱油量约为50mg处，即为图6所示的空燃比20左右处｡在该试验条件下，空燃比为20是临界点，表明当混合气浓度大于临界点处的空燃比直至试验所作最大混合气浓度（过量空气系数约为0.78，90mg的起动脉谱油量）范围内，起动时间降低到一个不随起动脉谱油量的增加而降低的最低点，这个最短的起动时间是该发动机的固有特性决定的｡当混合气浓度小于临界点处的空燃比直至试验所作最小混合气浓度（过量空气系数约为1.75，40mg起动脉谱油量）范围内，起动时间随起动脉谱油量的减小而呈线性规律增加｡

图5所示无预热曲线上，90mg的起动脉谱油量处的起动时间已经达到了最低点，这是因为随着供油量的增加，气缸内部可燃混合气的数量也增加，所以该曲线上也应该存在一个起动时间的临界点，只是由于试验用油泵最大供油量的原因，无法将供油量继续增加｡

3.3进气预热对电控柴油机HC排放的影响

图7所示为HC排放-起动脉谱油量曲线｡由图可以看出：在有预热的情况下，HC排放随起动脉谱油量的变化也存在一个临界点，在临界点之前HC排放随起动脉谱油量的增加幅度与无预热的情况类似，其增加幅度较小；当起动脉谱油量增加到该临界点后的一定范围内，HC排放随起动脉谱油量的增加幅度较大｡

图7所示有预热时临界点产生在起动脉谱油量约为70mg处，即为图6所示的柴油机理论空燃比附近｡当混合气浓度小于理论空燃比，直至试验所作最小混合气浓度（过量空气系数约为1.75，40mg的起动脉谱油量）范围内，进气预热器使得空气与燃油能够较好地混合并得到较为完全的燃烧｡只是由于起动初期，起动机拖动发动机运转的速度较低以及由于可燃混合气局部过浓､过稀等其它因素，造成燃油未能燃烧或未充分燃烧，使得HC排放随起动脉谱油量的增加而略有增加｡


当混合气浓度大于理论空燃比， 至试验所作最大混合气浓度（过量空气系数约为0.78，90mg的起动脉谱油量）的范围内，HC排放随起动脉谱油量的增大而增加且幅度较大｡在这个范围内HC排放的变化率相对于无预热的情况要大｡这是因为：进气预热器使得有预热的情况下混合气的混合率要比无预热时大，并且随着起动脉谱油量的增大，混合气的空燃比与理论空燃比之间的差值也不断增加｡由于这个范围内的空燃比均小于理论空燃比，因此随着起动脉谱油量的增加，混合气的浓度也不断增大，未充分燃烧的数量就越多，加上起动初期起动机拖动发动机运转速度较低而造成燃油未能充分燃烧等因素，使得HC的排放随着起动脉谱油量的增大而大幅度增加｡

由图7还可以看出：在无预热的情况下，可燃混合气的空燃比在试验供油量范围内始终达不到图6所示的理论空燃比，造成70mg起动脉谱油量前HC排放大于有预热的情况；在70mg起动脉谱油量后，附着在排气道内表面的未燃燃油随着供油量的增大而增加，造成相同供油量下无预热的HC排放测量值较有预热的情况低｡

4 结束语

对装有位置控制式电控分配泵的电控柴油机起动试验研究，得出以下结论：

a.在起动结束标志转速n1后的起动过程中，如果在有预热的情况下采用无预热的供油控制方式，会造成起动脉谱油量延迟作用[5]的转速范围增加｡

b.起动过程中，在起动脉谱油量某临界点前的范围内，HC排放的增加幅度较小；当起动脉谱油量增加到某临界点直至其后的一定范围内，HC排放的增加幅度较大｡

c.进气预热器可以起到降低起动时间-起动脉谱油量曲线上临界点处的供油量的作用，实质是提高了可燃混合气的混合率｡

自由的葵

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wpcye

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snail

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fd2003

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denghang

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