发动机起动过程的影响因素试验及分析

王 龙, 王宪成*, 张永峰

(1.陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072；2. 陆军装甲兵学院蚌埠校区，蚌埠 233000)

柴油发动机作为车辆的核心，其起动过程是衡量车辆动力性能的重要指标之一[1]。随着使用摩托小时的增加，特别是长期在高原等恶劣的工作条件下，发动机各系统零部件的技术状况逐渐劣化，从而起动性能降低[2-4]，导致发动机动力性、经济性大幅下降，甚至出现起动失败无法使用。

许多学者都对柴油机起动过程的影响进行了研究。Liu等[5]研究发现发动机冷起动和暖机条件的缸内燃烧差异在新欧洲行驶工况(new european driving cycle，NUDC)早期阶段非常明显，冷起动时的进气压力更高，缸内废气占循环气体总和的比例降低，燃烧温度降低，燃烧阶段推迟并延长。Zare等[6]研究了含氧生物燃料在起动过程中的废气排放，与柴油相比，冷起动时的NOx排放高达125%，而热起动时仅为13.9%，除冷起动的某些工作模式下，颗粒排放物均有所降低。纪常伟等[7]研究了某型氢内燃机的起动过程，发现随着过量空气系数减小，冷起动过程的转速峰值升高，起动时间减少。刘来等[8]研究了液助燃对柴油机起动性能的影响，在进气道预喷助燃燃料可减小低温起动过程的粗暴性，缩短起动时间。马宁等[9]通过试验对比平原环境下的柴油机起动过程，发现高原环境下起动时间延长，转速波动增大，滞燃期延长，燃烧滞后。

现通过对6台不同工作条件下的某型车辆发动机的起动过程进行测试，提取发动机起动过程的转速特征，分析影响发动机起动性能的影响因素。

1 试验方案

对不同工作环境、不同摩托小时的相同型号的6台某型车辆柴油发动机的起动过程进行试验，测量发动机的缸压、瞬时转速随时间的变化规律，检测发动机的起动性能。试验条件如表1所示。

表1中，平原海拔高度为42 m，测得大气压力为103 kPa，温度8 ℃；高原海拔3 650 m，测得大气压力为67 kPa，温度20 ℃。柴油发动机的主要性能参数如表2所示。

表1 试验条件Table 1 Test conditions

表2 柴油发动机主要性能参数Table 2 Main performance parameters of diesel engine

试验过程中，油门位置固定在20%，水温、油温控制在30 ℃左右，测量对象为某一气缸的起动性能参数。数据采集系统的采样频率为80 kHz；缸压的测量采用H82294-Q光纤压力传感器，精度为0.5%FS(full scale)，安装在空气气动阀位置；曲轴转角的测量采用JX71Z-N16磁阻转速传感器，安装在曲轴齿圈处；上止点的标定采用DEFURO霍尔转速传感器，磁片安装在曲轴上，传感器安装在距离磁片约 3 mm处。具体安装位置如图1所示。

图1 传感器安装位置Fig.1 Sensor installation places

2 转速特征参数分析

发动机起动过程指起动电机接通至加速到稳定转速的过程，可分为倒拖阶段、加速阶段(含滞速阶段)、过渡阶段和稳定阶段[10]，具体划分如图2所示。

图2 发动机起动过程阶段划分Fig.2 Stage division of engine starting process

发动机的起动性能主要体现在加速阶段，因此主要对该阶段进行分析，并提出以下转速特征参数：

最低着火转速，指发动机顺利起动时首次着火缸上止点前、后30°CA间的最小转速，表征起动过程中加速阶段的起点。此时起动电机脱离曲轴，气缸开始燃烧做功，发动机转速逐渐上升。

单缸升速度，指各缸上止点前、后30°CA的转速差，表征起动过程中的加速性能。循环中气缸压缩时负扭矩越小，膨胀时正扭矩越大，则加减速越快，综合效果即单缸升速度，其值越大，加速性能越好。

3 影响分析

3.1 起动环境的影响

选择摩托小时相近、起动环境不同的1号与4号、2号与5号两组车辆发动机，分别分析起动过程的缸压和转速，并在滞速处标记，结果如图3所示。

图3 车辆发动机起动过程Fig.3 The starting process vehicle engine

由图3可知，相比高原环境下的起动过程，平原环境下的起动过程中起动电机脱离时的曲轴转速较小，加速阶段较短，缸压峰值较大，滞速期较短。

在第1组中，1号车辆发动机最低着火转速为116 r/min，平均单缸升速度为24 r/min；4号车辆最低着火转速为72 r/min，平均单缸升速度为 44 r/min。在第2组中，2号车辆最低着火转速为127 r/min，平均单缸升速度为30 r/min；5号车辆最低着火转速为87 r/min，平均单缸升速度为 45 r/min。

高原环境下的发动机最低着火转速比平原环境高，这是因为大气压力随着海拔的升高而降低，空气密度逐渐减小，气缸在进气过程中的过量空气系数减小，导致压缩过程缸内的压力和温度峰值降低，因此需要提高转速达到着火条件。

高原环境下的发动机平均单缸升速度比平原环境低，这是因为过量空气系数减少，导致缸内混合气体的燃烧条件变差，滞燃期延长，燃烧始点和重心后移，燃烧速率降低，缸内燃烧压力降低，传递到曲轴上的扭矩减小，因此单缸升速度减小。

3.2 摩托小时的影响

选择相同起动环境、不同摩托小时的3～6号车辆发动机，分别分析起动过程的缸压和转速；根据气缸着火顺序和间隔，计算出发动机的单缸升速度。结果如图4所示。

由图4可知，3～6号发动机的最低着火转速分别为63、72、87、103 r/min，随着摩托小时的增加而升高。这是因为发动机技术状况随着摩托小时的升高而逐渐下降，主要体现在气缸磨损导致气密性变差，喷油器喷孔积碳和针阀开启压力减小等。气缸气密性变差后漏气量增加，工质质量损失增加，压缩行程中的压力和温度降低；喷油器喷孔积碳和喷油压力减小，导致喷油量减少和雾化质量变差。以上情况破坏了缸内燃烧发生的准备条件，导致发动机达着火困难，因此需要提高最低着火转速。

3.3 喷油器技术状况的影响

由于6号车辆发动机的摩托小时最长，因此选择该发动机作为喷油器技术状况的研究对象。取下该车发动机的12个气缸内喷油器，观察到其喷孔处存在积碳，其中2个气缸内的喷油器喷嘴表面如图5所示。

对拆卸的喷油器进行针阀开启压力检测，结果如表3所示。由表3可知，喷油器的针阀开启压力普遍降低，平均值为16.18 MPa，最小值为14 MPa，比新喷油器(21 MPa)降低7 MPa。

更换该发动机12个气缸的喷油器后，再次测量起动过程的转速，如图6所示。

表3 各缸喷油器针阀开启压力Table 3 Needle valve opening pressure of each cylinder injector

图4 车辆起动过程Fig.4 The starting process of vehicle

图5 6号车辆喷油器喷嘴形貌Fig.5 Nozzle appearance of No. 6 vehicle fuel injector

图6 6号车辆更换喷油器后的起动过程Fig.6 The starting process of No. 6 vehicle after replacing the fuel injector

对比图4(d)、图6可知，更换喷油器前，发动机最低着火转速为103 r/min；更换喷油器后为 89 r/min，比更换前降低了14 r/min。这是因为喷油器技术状况劣化，针阀开启压力减小导致喷油压力、速度以及流量的减小，喷孔积碳导致雾化质量变差，燃油与缸内空气混合速度减慢，影响燃烧放热效果。转速升高后，缸内混合气体形成的速度加快，燃烧效果得到改善，因此更换喷油器前需要更高的最低着火转速。

根据气缸工作顺序和间隔，计算出各缸着火的单缸升速度，如图7所示。

图7 更换喷油器前、后的各缸着火单缸升速度Fig.7 Lifting speed of each cylinder on ignition before and after replacing the injector

喷油器更换后，单缸升速度的平均值明显提高。这是因为新喷油器使发动机的喷雾和燃烧质量提高，做功能力增强，曲轴扭矩增大，加速能力增强。

图8为该发动机喷油器更换前后，分别在转速为600 r/min时测得的燃烧放热率。

由图8可知，喷油器更换后，燃烧效果整体变好；燃烧放热率峰值达到290 J/℃A，比喷油器更换前的97 J/℃A提高了198.97%。这是因为随着发动机摩托小时增加，喷油器技术状况劣化导致供油量减少，喷雾质量变差，与空气形成混合气的速度降低，滞燃期延长，因此燃烧速率降低。

图8 更换喷油器前、后的燃烧放热率Fig.8 Combustion heat release rate before and after replacing the injector

4 结论

主要通过试验的方法，对6台不同环境和技术状况下的某型车辆发动机进行测量，主要结论如下。

(1)相比平原和高原起动环境，高原起动环境下的发动机起动过程中最低着火转速较高，缸压峰值较小，加速阶段的平均单缸升速度较低。

(2)平原环境下，随着摩托小时的增加，起动过程中的最低着火转速较高。

(3)喷油器技术状况劣化后，喷孔出现积碳，针阀开启压力降低，导致发动机起动过程的最低着火转速较高；更换喷油器后，单缸升速度平均值提高，燃烧效果变好，燃烧放热率峰值提高。