CN113898487B - 一种大功率米勒循环柴油机的冷启动方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，包括：在活塞单循环内实行燃油二次喷射，燃油二次喷射包括第一次预喷射燃油和第二次主喷射燃油，第一次预喷射燃油的预喷射供油提前角等于第二次主喷射燃油的主喷射供油提前角和供油间隔角度的和。本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法缩短采用米勒循环技术的机车柴油机的冷启动时间，确保冷启动成功率，在现有启动风缸容量下，达到尽可能多的启动次数。

Description

一种大功率米勒循环柴油机的冷启动方法

技术领域

本发明涉及柴油机领域，特别是涉及一种大功率米勒循环柴油机的冷启动方法。

背景技术

内燃机车应用时，往往要求其配置的柴油机启动迅速，时间短，启动容易，以便使机车尽快达到工作状态。但柴油机启动过程中往往出现启动时间过长或某次启动失败现象，特别是在气温比较低的环境下，由于受环境等因素影响，虽然启动时间过长或某次启动失败仍属于柴油机正常使用情况，但却存在极大的弊端。国内机车柴油机普遍采用风马达启动，需要使用压缩空气。机车空间有限，储存压缩空气的储风罐体积以及布置也受到了很大的限制。因此要求柴油机每次启动所需时间尽量短，所需风量尽量少，同时，如果柴油机启动时间过长或启动失败对柴油机本身也有一定的损伤，尤其是在低温环境下启动(此时柴油机的进气、燃油、机油、水等的温度在0～20℃之间)，简称“冷启动”。

国际上，随着绿色环保成为主流发展方向，柴油机的排放也逐渐成为人们关注的焦点。米勒循环技术作为降低柴油机NOx排放的有效措施之一，被越来越多地采用。米勒循环主要是通过在进气过程中，让进气阀门在下止点前关闭，使进气在下止点前经历一个膨胀冷却过程，以降低缸内燃烧温度，从而降低NOx排放。但是，其进气阀门的提前关闭会导致进气量减少。通常来说，对于采用米勒循环技术的柴油机，都会配合高增压系统，以保证其足够的进气量，从而达到在确保其动力性和经济性不变的情况下，有效地降低NOx排放。

目前，燃油二次喷射技术已被应用于柴油机正常运转过程中，有助于降低排放。但是燃油二次喷射技术对于大功率柴油机启动过程的应用研究比较少，对于采用米勒循环的大功率柴油机几乎没有。而该技术对于相关的喷射参数设定具有很强的依赖性，如果相关的喷射参数设定不合适，也会导致启动困难甚至启动失败。

针对于机车柴油机的现有冷启动技术是通过不断地增大循环供油量来实现，适用于不采用米勒循环技术的柴油机，因为其有足够的进气量来满足燃油燃烧的需求。但是对于采用米勒循环技术的柴油机来说，由于受到进气量的限制，过大的循环供油量一样无法实现柴油机的顺利启动，甚至启动失败，而且会增大燃油消耗，排放污染严重。启动过程困难导致的冷启动时间长还存在耗费启动风量大，油水温度低对柴油机运动件磨损较严重、耗费燃油较多的缺点。

但是，对于柴油机的启动过程，由于高增压系统未起作用，米勒循环所带来的进气量减少，进一步加剧了“冷启动”的困难程度。因此，对于采用米勒循环技术的柴油机来说，如何缩短“冷启动”的时间，提高“冷启动”的效率，是迫切需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，缩短采用米勒循环技术的机车柴油机的冷启动时间，确保冷启动成功率，在现有启动风缸容量下，达到尽可能多的启动次数。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，包括：在活塞单循环内实行燃油二次喷射，燃油二次喷射包括第一次预喷射燃油和第二次主喷射燃油，第一次预喷射燃油的预喷射供油提前角等于第二次主喷射燃油的主喷射供油提前角和供油间隔角度的和，并且满足以下关系式：

0°<θ₁<6°，14°<Δθ<17°

P＝(450+5×T)×B

dP≥200

其中：θ₁—主喷射供油提前角；Δθ—供油间隔角度；α—进气阀门关闭提前角；D—柴油机缸径(mm)；S—柴油机活塞冲程(mm)；CR—柴油机活塞压缩比；T—柴油机进气温度；A—总喷射燃油量取值范围控制系数；Q₁—第一次预喷射燃油量(mg/str)；Q₂—第二次主喷射燃油量(mg/str)；P—燃油喷射压力(bar)；B—燃油喷射压力取值范围控制系数；dP—燃油喷射压力上升率(bar/s)。

进一步地，第一次预喷射燃油使燃油与气缸内空气充分混合进行引燃预热。

进一步地，第二次主喷射燃油使燃油燃烧作功。

进一步地，总喷射燃油量取值范围控制系数取值范围为0.975～1.025。

进一步地，总喷射燃油量取值范围控制系数取值1。

进一步地，燃油喷射压力取值范围控制系数取值范围为0.95～1.40。

进一步地，燃油喷射压力取值范围控制系数取值1。

进一步地，主喷射供油提前角取值3°。

进一步地，供油间隔角度取值17°。

本发明的另一方面提供一种大功率米勒循环柴油机，采取上述大功率米勒循环柴油机的冷启动方法。

本发明的有益效果为：

本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，缩短了冷启动时间、提高了启动成功率、减小了风缸用量、提高了柴油机的经济效益和社会效益。缩短采用米勒循环技术的机车柴油机的冷启动时间，确保冷启动成功率，在现有启动风缸容量下，达到尽可能多的启动次数。

附图说明

图1显示本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法的流程简图；

图2显示本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法的实施例和对比例的柴油机转速与时间的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对于机动柴油机，现有的冷启动技术：采用电子控制燃油喷射系统，通过调整单次喷射的喷射压力和供油提前角来实现。喷射压力的增加以及供油提前角的提高(喷油过早)会增加燃油的雾化，但是燃油的雾化需要吸热，对于冷启动来说，会降低压缩终点温度，不利于燃油的燃烧。因此，在冷启动过程中，应选取较低的喷射压力和较小的供油提前角。现有的针对于采用米勒循环技术的柴油机的冷启动技术方案，柴油机启动参数：柴油机油水温度10℃，进气温度≥0℃时，柴油机采用单次喷射，燃油喷射压力P＝600bar，供油提前角θ＝9°。启动时极其困难，按启动按钮后，柴油机需5秒左右(或更长时间)才能发火。发火后，在转速(n)上升至惰转过程中，有时会在某一转速下转速波动一段时间(波动时间最长超过60s)后再继续上升，甚至无法达到惰转转速，导致启机失败。同时某些气缸内还会出现“假燃”现象，既该缸内油气混和物燃烧，但不充分，无法达到该缸启动的状态，致使该缸排出大量黑烟。现有技术的缺点是：耗费启动风量大，油水温度低对柴油机运动件磨损较严重；耗费燃油较多；存在“假燃”现象，排气污染较严重；严重影响柴油机的经济效益及社会效益，特别是在要求柴油机快速启动的工作状况下。

本发明提供的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，如图1所示，包括：在活塞单循环内实行燃油二次喷射，燃油二次喷射包括第一次预喷射燃油和第二次主喷射燃油，第一次预喷射燃油的预喷射供油提前角θ₂等于第二次主喷射燃油的主喷射供油提前角θ₁和供油间隔角度Δθ的和，并且满足以下关系式：

0°<θ₁<6°，14°<Δθ<17°

P＝(450+5×T)×B

dP≥200

其中：θ₁—主喷射供油提前角；Δθ—供油间隔角度；α—进气阀门关闭提前角(相对于活塞运行至下止点)；D—柴油机缸径(mm)；S—柴油机活塞冲程(mm)；CR—柴油机活塞压缩比；T—柴油机进气温度；A—总喷射燃油量取值范围控制系数；Q₁—第一次预喷射燃油量(mg/str)；Q₂—第二次主喷射燃油量(mg/str)；P—燃油喷射压力(bar)；B—燃油喷射压力取值范围控制系数；dP—燃油喷射压力上升率(bar/s)。

冷启动大功率米勒循环柴油机。

进气阀门关闭提前角α、柴油机缸径D、柴油机活塞冲程S、柴油机活塞压缩比CR是与柴油机有关的定值。总喷射燃油量取值范围控制系数A取值范围为0.975～1.025，优选取值1。燃油喷射压力取值范围控制系数B取值范围为0.95～1.40，优选取值1。主喷射供油提前角θ₁优选取值3°，供油间隔角度Δθ优选取值17°。柴油机进气温度T需要进行实际监测，柴油机进气温度T优选大于等于0℃；第一次预喷射燃油量Q₁、第二次主喷射燃油量Q₂、燃油喷射压力P根据柴油机进气温度T计算获得，属于柴油机的设定值。

在柴油机启动的开始阶段，燃油的喷射压力需要有一个建立燃油压力(燃油压力上升)的过程。燃油喷射压力上升率dP越大，建立燃油压力的时间越短，越快达到冷启动需求的燃油喷射压力P，否则会影响冷启动时间。根据柴油机的启动特性(燃油喷射压力P开始上升，即柴油机转速开始上升，至燃油开始喷射之间有一个时间间隔)，为确保首次燃油喷射时，燃油喷射压力P可以达到(或者接近)设定的目标燃油喷射压力，因此对于燃油喷射压力上升率dP有以上需求公式。

本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，根据大量的实验数据，采用活塞单循环内燃油二次喷射的方法，并不断拟合冷启动相关各项参数，使供油提前角、燃油喷射压力、喷射燃油量等参数相互拟合达到最优启动状态，从而供油提前角、燃油喷射压力、喷射燃油量满足冷启动的要求。单循环内燃油二次喷射的方法，即在活塞单循环中，第一次预喷射燃油使燃油与气缸内空气充分混合进行引燃预热，然后进行第二次主喷射燃油使燃油燃烧作功。柴油机的供油提前角(主喷射供油提前角θ₁、预喷射供油提前角θ₂)是指喷油泵开始向气缸内供油时活塞顶部距上止点所对应的曲轴转角，供油间隔角度Δθ指的是第一次预喷射燃油时的曲轴转角角度和第二次主喷射燃油时的曲轴转角角度的差值。其中总喷射燃油量Q为第一次预喷射燃油的第一次预喷射燃油量Q₁和第二次主喷射燃油的第二次主喷射燃油量Q₂之和。第一次预喷射燃油的预喷射供油提前角θ₂等于第二次主喷射燃油的主喷射供油提前角θ₁和供油间隔角度Δθ的和，达到完全启动气缸的目的。

根据上述各参数来确定柴油机冷启动状态下各项设置，可以达到柴油机冷启动时间短，启动成功率高的良好效果。

对一采用米勒循环技术的大功率柴油机实施本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，包括：在活塞单循环内实行燃油二次喷射，不断拟合采用米勒循环技术的大功率柴油机冷启动相关各项参数，采用米勒循环技术的大功率柴油机冷启动各参数拟合修订后进行冷启动，冷启动各参数按如下关系式确定：

0°<θ₁<6°，14°<Δθ<17°

P＝(450+5×T)×B

dP≥200

其中：θ₁—主喷射供油提前角；Δθ—供油间隔角度；α—进气阀门关闭提前角(相对于活塞运行至下止点)；D—柴油机缸径(mm)；S—柴油机活塞冲程(mm)；CR—柴油机活塞压缩比；T—柴油机进气温度；A—总喷射燃油量取值范围控制系数；Q₁—第一次预喷射燃油量(mg/str)；Q₂—第二次主喷射燃油量(mg/str)；P—燃油喷射压力(bar)；B—燃油喷射压力取值范围控制系数；dP—燃油喷射压力上升率(bar/s)。总喷射燃油量取值范围控制系数A取值1，燃油喷射压力取值范围控制系数B取值1，主喷射供油提前角θ₁取值3°，供油间隔角度Δθ取值17°，柴油机进气温度T大于等于0°。

冷启动采用米勒循环技术的大功率柴油机。

在采用米勒循环技术的大功率柴油机实施本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法的实施例1和实施例2中，检测采用米勒循环技术的大功率柴油机的油水温度在10℃左右，采用米勒循环技术的大功率柴油机处于“冷启动”低温环境下，其它检测温度及设定参数如表1所示。在采用米勒循环技术的大功率柴油机未采用本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法的对比例中，进气温度4℃。

表1 检测温度及设定参数

采用米勒循环技术的大功率柴油机的冷启动均顺利启机，实施例1、实施例2以及对比例中的采用米勒循环技术的大功率柴油机转速与时间的关系曲线在图2中显示。在图2中还示出风缸压力与时间的关系曲线，其中实施例1、实施例2以及对比例采用的都是该同一个风缸压力曲线。该风缸压力曲线为实施例和对比例采用的风马达启动系统安装在实施例和对比例的采用米勒循环技术的大功率柴油机上的固有特性曲线。

从图2可以看出，采用米勒循环技术的大功率柴油机采用本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法后，启动时间由原来的3.7s缩短至2.3s。相应地，启动所需风缸压力降也从2.83bar降到1.9bar，即风马达在冷启动时所消耗的压缩空气量大幅减少。通过找到采用米勒循环技术的大功率柴油机转速第二次上升点(柴油机喷油着火点)，通过图2中箭头1和箭头2显示，找到对应的时间点(x轴)以及风缸压力值(风缸压力曲线)，对应于转速第二次上升点时的时间为启动时间，风缸压力的初始值(x轴为0时的值)与对应于转速第二次上升点时的风缸压力值的差值为风缸压力降。另外，冷启动过程中，采用本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法后，采用米勒循环技术的大功率柴油机升至惰转的时间也大幅降低，由16s降至9s左右，而且过程中没有某一转速产生一定时间的波动。采用米勒循环技术的大功率柴油机的惰转转速为600rpm，16s对应于对比例从转速为0rpm升至600rpm的时间，9s对应于实施例(包括实施例1和实施例2)从转速为0rpm升至600rpm的时间。

本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，缩短了冷启动时间、提高了启动成功率、减小了风缸用量、提高了柴油机的经济效益和社会效益。缩短采用米勒循环技术的机车柴油机的冷启动时间，确保冷启动成功率，在现有启动风缸容量下，达到尽可能多的启动次数。

本发明还提供可以采用本发明的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法的大功率米勒循环柴油机。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，包括：在活塞单循环内实行燃油二次喷射，所述燃油二次喷射包括第一次预喷射燃油和第二次主喷射燃油，所述第一次预喷射燃油的预喷射供油提前角等于所述第二次主喷射燃油的主喷射供油提前角和供油间隔角度的和，并且满足以下关系式：

0°<θ₁<6°，14°<Δθ<17°

P＝(450+5×T)×B

dP≥200

其中：θ₁—主喷射供油提前角；Δθ—供油间隔角度；α—进气阀门关闭提前角；D—柴油机缸径(mm)；S—柴油机活塞冲程(mm)；CR—柴油机活塞压缩比；T—柴油机进气温度；A—总喷射燃油量取值范围控制系数；Q₁—第一次预喷射燃油量(mg/str)；Q₂—第二次主喷射燃油量(mg/str)；P—燃油喷射压力(bar)；B—燃油喷射压力取值范围控制系数；dP—燃油喷射压力上升率(bar/s)。

2.根据权利要求1所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述第一次预喷射燃油使燃油与气缸内空气充分混合进行引燃预热。

3.根据权利要求2所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述第二次主喷射燃油使所述燃油燃烧作功。

4.根据权利要求3所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述总喷射燃油量取值范围控制系数取值范围为0.975～1.025。

5.根据权利要求4所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述总喷射燃油量取值范围控制系数取值1。

6.根据权利要求4所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述燃油喷射压力取值范围控制系数取值范围为0.95～1.40。

7.根据权利要求6所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述燃油喷射压力取值范围控制系数取值1。

8.根据权利要求7所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述主喷射供油提前角取值3°。

9.根据权利要求6所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法，其特征在于，所述供油间隔角度取值17°。

10.一种大功率米勒循环柴油机，其特征在于，采取权利要求1-9中任一项所述的大功率米勒循环柴油机的冷启动方法。

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