1、同济大学 硕士学位论文 摘要I硕士学位论文（专业学位）柴油机高原冷机起动排放特性研究姓 名：学 号：所在院系：汽车学院职业类型：工程专业领域：动力工程指导教师： 年 月同济大学 硕士学位论文 柴油机高原冷机起动排放特性研究II摘要柴油机由于其可靠性好、热效率高、燃油经济性好等特点，广泛应用于工业、运输、农业等领域。起动阶段排放是柴油机排放控制的重点，目前针对柴油机平原环境起动排放的研究很多。我国高原地区约占国土面积的三分之一，具有面积大、分布广的特点，进行柴油高原起动排放研究，采取措施控制柴油机高原排放，具有重要的学术意义和参考价值。本文以某型电控直列泵六缸柴油机为研究对象，进行了 0m450
2、0m 海拔的冷机起动排放试验，分析了海拔高度、冷却液温度、供油策略对柴油机起动排放的影响。在试验研究的基础上，采用 CHEMKIN-PRO 软件，利用正交设计法，对该柴油机 3000m 和 4500m 海拔水平下的起动排放进行了仿真计算，得到了该柴油机的低起动排放最优控制参数组合。主要结果如下：1) 试验研究了海拔高度、冷却液温度、供油策略对柴油机起动气态污染物排放的影响。结果表明：海拔升高导致柴油机起动时间增长，燃烧温度降低，CO 和 HC 瞬态排放浓度升高，NO X 浓度降低，导致 CO 和 HC 排放显著增加，NOX 排放降低。海拔每升高 1000m，CO 排放增加 24.4%，HC 排
3、放增加40.0%；冷却液温度升高，缸内燃烧热氛围变好，起动时间缩短，CO 和 HC 排放降低，NO X 升高，冷却液温度 60时该机起动产生的 CO、HC 和 NOX 分别为 11.6g、2.9g 和 0.43g；与原策略（A 策略）比较，高原起动时， 500r/min 以下低转速减油策略（B 策略） 、500r/min 以下低转速和 800r/min 以上高转速减油策略（C 策略） 、0r/min800r/min 全过程减油策略（D 策略）的起动时间缩短，CO 和 HC 排放降低。2) 试验研究了海拔高度、冷却液温度和供油策略对柴油机起动颗粒物排放的影响。结果表明：海拔升高，起动时间增长，虽
4、然核态颗粒和聚集态颗粒数浓度减少，但颗粒物总质量排放增加，颗粒平均几何粒径增大。冷却液温度升高，核态颗粒浓度增加，聚集态颗粒浓度降低，颗粒总质量排放降低，颗粒平均几何粒径减少。与原策略（A 策略）比较，减油策略（ B、D 策略）的核态颗粒浓度减小，聚集态颗粒浓度增加，颗粒总质量排放增加，颗粒平均几何粒径增大；减油策略（C 策略）的核态颗粒浓度增加，聚集态颗粒浓度减小，颗粒总质量排放减小，颗粒平均几何粒径降低，3000m 和 4500m 海拔，500r/min800r/min 中转速减油（C 策略）的颗粒物排放最低。3) 建立了该机起动排放仿真模型，仿真分析压缩比对该机起动排放的影响。以压缩比、
5、冷却温度、供油策略为控制因素，以降低排放为目标，设计了正交同济大学 硕士学位论文 摘要III方案，仿真分析了该机 3000m 和 4500m 海拔高度的起动排放。结果表明：3000m 海拔，60冷却液温度、压缩比 15.0、中高转速减油策略的 CO、HC 和苯化物（颗粒前驱物）排放最低，比优化前分别降低 58.5%、36.0%和21.1%； 4500m 海拔，60冷却液温度、压缩比 15.0、全过程减油策略的CO、HC 和苯化物排放最低，比优化前分别降低 57.5%、22.1%和 44.7%。关键词：柴油机，高原冷机起动，排放，研究 同济大学 硕士学位论文 柴油机高原冷机起动排放特性研究IVA
6、BSTRACTWith its characters, such as high reliability, high thermal efficiency, good fuel economy and so on, diesel engines are now widely used in areas of industry, transportation, agriculture, etc. Cold start emission is one of the most important diesel engine emission control aspects, and there ar
7、e many researches on start emission of diesel engine in plain over the world. Plateaus in our country have the characteristics of large and widely distributed, and the total area of plateau is about a third of the land area of our country. Studying start emission of diesel engine and adopting measur
8、es to control diesel engine emission at high altitude have important academical significance and reference value.A six cylinder heavy duty diesel engine with electric controlled mechanical-line pump was employed in diesel engine cold start emission experimental research at the altitude of 0m4500m. t
9、hen, impacts of different altitudes, coolant temperature and fuel injection strategies to diesel engine cold start emissions were analyzed. According to the results of experiment, cold start emission of diesel engine at the altitudes of 3000m and 4500m was calculated on CHEMKIN-PRO with the orthogon
10、al design method, and got the optimized level assemblies of engine start control factors. Main contents and conclusions are as follows:Firstly, impacts of different altitudes, coolant temperature and fuel injection strategies to gaseous emissions of diesel engine cold start have been studied. The re
11、sults showed that increased altitude resulted in longer start time, lower combustion temperature, increasing concentration emission of CO and HC, and decreasing concentration emission of NOX. Increased altitude led to increasing mass emission of CO and HC, and decreasing mass emission of NOX. Every
12、1000m the altitude increased, mass of CO and HC increased by an average of 24.2% and 40.0%. Increased coolant temperature resulted in better thermal atmosphere in chamber, shorter start time, and lower mass emission of CO and HC, but higher mass emission of NOX. the mass emission of CO, HC and NOX w
13、ith the coolant temperature 60 were 11.6g, 2.9g and 0.43g. At high altitude, compared with strategy A, strategy B with smaller fuel injection mass below the engine speed of 500r/min, strategy C with smaller fuel injection mass below the engine speed of 500r/min and above the engine Tongji University
14、 Master of Philosophy AbstractVspeed of 800r/min, strategy D with smaller fuel injection mass all over the engine speed, got lower mass emission of CO and HC.Secondly, impacts of different altitudes, coolant temperature and fuel injection strategies to particle emission of diesel engine cold start h
15、ave been studied. The results showed that increased altitude led to longer start time, I spite of decreased concentration emission of nuclear mode particulate and accumulation mode particulate, mass emission of particulate increased, at the same time, geometric mean particle diameter increased. When
16、 coolant temperature increased, concentration emission of nuclear mode particulate increased slightly, concentration emission of accumulation mode decreased obviously, geometric mean particle diameter decreased. Compared with strategy A, diesel engine cold start concentration emission of nuclear mod
17、e particulate decreased with strategy B and strategy D, concentration emission of accumulation mode particulate increased, and mass emission of particulate increased, geometric mean particle diameter increased. Compared with strategy A, diesel engine cold start concentration emission of nuclear mode
18、 particulate increased, and mass emission of particulate decreased, geometric mean particle diameter decreased. At the altitude of 3000m and 4500m, particulate mass emission was the lowest.Lastly, established start emission simulate calculation model to analyze impact of compression ratio to start e
19、mission of this diesel engine. Designed orthogonal test plan with the factors of compression ratio, temperature and fuel injection strategy, and with the aim of start emission decreasing, simulated and analyzed start emission of test diesel engine at the altitudes of 3000m and 4500m. The results sho
20、wed that start emission of CO, HC and benzoic compound(Precursor of particulate) were the lowest at the altitude of 3000m with coolant temperature of 60 , compression ratio of 15.0 and strategy with smaller fuel injection mass below the engine speed of 800r/min, reduced by 58.5%, 36.0% and 21.1%. St
21、art emission of CO, HC and benzoic compound were the lowest at the altitude of 4500m with coolant temperature of 60, compression ratio of 15.0 and strategy with smaller fuel injection mass all over the engine speed, reduced by 57.5%, 22.1% and 44.7%. Key Words: diesel engine, cold start at high alti
22、tude, emission, research同济大学 硕士学位论文 柴油机高原冷机起动排放特性研究VI目录绪论 11.1 引言 .11.2 国内外柴油机平原环境起动性能研究现状 .31.2.1 平原环境起动燃烧性能研究 31.2.2 平原环境起动排放性能研究 51.3 国内外柴油机高原环境起动性能研究现状 .71.3.1 高原环境起动燃烧性能研究 71.3.2 高原环境起动排放性能研究 91.4 本文研究目的及主要研究内容 .91.4.1 本文研究目的 91.4.2 本文研究内容 9第 2 章 高原起动排放试验设置与研究方法 112.1 试验台架搭建 .112.1.1 试验用发动机和燃料
23、112.1.2 气态物排放测试设备 122.1.3 颗粒物排放测试设备 132.1.4 发动机排气稀释和抽吸设备 132.2 试验方案 .152.2.1 试验选取的参数和水平 152.2.2 起动阶段划分及时间定义 182.2.3 试验发动机工况和数据采集 202.2.4 柴油机起动排放物质量排放计算 202.3 本章小结 .22第 3 章 柴油机高原冷机起动气态物排放特性 233.1 海拔高度对气态物排放的影响 .233.1.1 海拔高度对 CO 排放的影响 233.1.2 海拔高度对 HC 排放的影响 253.1.3 海拔高度对 NOX 排放的影响 263.2 冷却液温度对气态物排放的影响
24、 .283.2.1 不同冷却液温度起动过程气态物排放总量 283.2.2 柴油机不同冷却液温度起动时间 293.2.3 冷却液温度对 CO 和 HC 浓度排放的影响 .303.2.4 冷却液温度对 NOX 浓度排放的影响 33同济大学 硕士学位论文 目录VII3.3 供油策略对气态物排放的影响 .343.3.1 不同供油策略起动过程中气态物排放总量 353.3.2 柴油机不同供油策略起动时间 373.3.3 供油策略对 CO 和 HC 浓度排放的影响 .383.3.4 供油策略对 NOX 浓度排放的影响 413.4 本章小结 .43第 4 章 柴油机高原冷机起动颗粒物排放特性 454.1 柴油
25、机颗粒组成及形成机理 .454.1.1 柴油机颗粒物组成 454.1.2 柴油机颗粒物形成机理 464.2 海拔对颗粒物排放的影响 .474.3 冷却液温度对颗粒物排放的影响 .524.4 供油策略对颗粒物排放的影响 .554.5 本章小结 .60第 5 章 柴油机起动排放建模与仿真 615.1 计算模型建立 .615.1.1 多区模型及模型分区 615.1.2 基本控制方程 635.1.3 发动机几何模型 655.1.4 热力学模型 655.1.5 传热模型 675.1.6 化学反应模型 685.2 模型标定验证 .715.3 压缩比对起动性能和排放的影响计算 .735.4 仿真工况点确定及
26、正交试验设计 .745.4.1 仿真工况点确定 745.4.2 正交试验设计 755.5 仿真结果分析 .775.5.1 3000m 海拔 .785.5.2 4500m 海拔 .815.6 本章小结 .85第 6 章 总结与展望 876.1 总结 .876.2 展望 .88致谢 89参考文献 91附录 A 正交设计仿真计算结果 97同济大学 硕士学位论文 柴油机高原冷机起动排放特性研究VIII个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 101同济大学 硕士学位论文 目录IX第 1 章 绪论1绪论1.1 引言随着国内工业、运输业的发展，大气污染成为我们亟需面对和关注的问题。大气污染成分复杂，目前
27、主要考核的一次污染物指标有颗粒物（Particulate Matter，PM，主要为 PM10 和 PM2.5） 、氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）和 NH3 等。污染物的排放源主要为点源、线源和面源 1。大气污染中不但包含颗粒物，还包含多种有毒有害的气态污染物。南开大学程春英等人 2对 PM2.5 的来源、成本及危害进行了研究，发现雾霾中的 PM 主要有无机质和有机质两类成分，石油产品燃烧后产生的废气中既含有沙尘、碳烟、硫酸盐和硝酸盐等成分，也有 VOCs、氮氧化物（ NOX） 、甲醛、碳氢化合物（HC ）和一氧化碳（CO）等
28、，这些物质以气溶胶成核，之后越来越多的有害物质不断附着在核心上，危害很大，可形成光化学烟雾，对人体的皮肤、呼吸道、肺等造成损伤。而汽车发动机对于雾霾现象的贡献率不可忽视，汽车使用的汽柴油都是石油燃料，燃烧不完全会产生可溶性有机物（Soluble Organic Fractions，SOF ） 、硫化物和碳烟等，也会产生 NOX、HC、CO 等污染物 345。表 0.1 列举了汽车发动机不同污染物对人体的损害途径。表 0.1 汽车发动机排放污染物对人体的危害途径颗粒物（ PM）颗粒物成分复杂，包含干碳烟、可溶性有机物和少量硫酸盐等物质。粒径越小的颗粒物危害越大，粒径小于 1m 的细颗粒能够进入肺
29、，并穿过肺泡进入血液中。一氧化碳（CO）一氧化碳为无色、无臭、无刺激性气体，不易溶于水，有剧毒，可与血红蛋白结合产生碳氧血红蛋白，吸入一定量即会产生头痛、恶心、呕吐、头晕等中毒症状。碳氢化合物（HC ）碳氢化合物的种类非常多，是发动机燃料燃烧不完全所致，可引起光化学烟雾。碳氢化合物中的多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是强致癌物质，可通过接触导致人体致癌，也会对中枢神经和肝脏产生损伤。同济大学 硕士学位论文 柴油机高原冷机起动排放特性研究2氮氧化物（NO X）柴油机 NOX 主要组分为一氧化氮（ NO，占总 NOX 90%以上） ，和少量的二
30、氧化氮（ NO2） 6789。一氧化氮是无色气体，有毒，对肺功能和中枢神经造成损伤。二氧化氮是有刺激性气味红褐色气体，可引发肺气肿。柴油机由于其可靠性好、热效率高、燃油经济性好等特点，广泛应用于工业、运输、农业等领域 10。但是柴油的尾气排放中含有多种对环境和人体有害的物质，且作为点源排放和线源排放的重要组成，一直受到较高关注，柴油机排放控制也是目前汽车动力方面和环境保护方面研究的热点和重点领域。针对柴油机和柴油汽车污染物排放问题，国家环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布的标准中对柴油机排气中的 CO、THC、NO X 以及颗粒物等排放限值有严格的规定。在最新发布的车用压燃式气体燃料点燃式
31、发动机与汽车排放污染物限值及测量方法（中国第六阶段） （征求意见稿） 11中，对于发动机标准循环的排放限值规定如 表 0.2 所示。表 0.2 发动机标准循环排放限值 11试验 CO THC NMHC CH4 NOX NH3 PM PN单位 （mg/kWh ） （10 -6） （mg/kWh） （#/kWh）WHSC 工况（CI （1） ） 1500 130 - - 400 10 10 8.01011WHTC 工况（CI （1） ） 4000 160 - - 460 10 10 6.01011WHSC 工况（PI （2） ） 4000 - 160 500 460 10 10 6.01011（1
32、） CI=压燃式发动机 （2） PI=点燃式发动机对于之前业内人士提出的第五阶段及更早的排放标准中存在 OBD（On-Board Diagnostic）检测项目较少和缺少高海拔排放控制要求等问题，第六阶段的征求意见稿中进行了一些完善，比如将测试边界条件由原来 2005 年第五阶段的 1000m 海拔扩展到了 2500m 海拔，在第五阶段的 OBD 检测项目基础上增加了新的检测要求等，这些措施都表明，高海拔环境下柴油机和柴油汽车的排放将越来越受到重视。然而征求意见稿中对于 OBD 监测功能的要求是在 2500m以下海拔正常工作即可，在海拔 2500m 以上，OBD 监测功能允许中断，这就意味着在
33、海拔高于 2500m 时，OBD 很可能不对发动机的排放进行限制，此时由于没有法规限制，柴油机的排放可能远高于有 OBD 监测时的排放，从减排来讲，工作在 2500m 以上海拔的柴油机排放也对高原大气环境有影响，应该引起第 1 章 绪论3重视。另外，目前发动机“三高” （高温、高原、高寒）试验中，高原试验主要进行整车驾驶性能的标定、涡轮增压器的标定、烟度限制的标定和发动机起动性能的标定，高寒试验主要标定冷起动性能、驾驶性能和怠速稳定性等项目 1213。可以看出，在目前的三高试验标定中，并没有针对发动机起动排放的标定，所以研究柴油机在不同海拔高度、不同控制参数下的起动排放特性，具有开创性意义，可
34、以了解柴油机在高原环境下起动过程和排放特性。针对柴油机排放对环境的污染，国内外研究人员已经做了大量的研究工作，但由于国外大多数国家为平原环境，对高原环境下的排放研究并不充分，而我国的地理环境特点就是高原多，且高原海拔较高。在世界地理环境中，我国高原具有海拔高和面积广的特点，我国高原地域面积占总国土面积的 37%，而号称“世界屋脊 ”的青藏高原，平均海拔更是在 4km 以上，面积达 240km214。高海拔地区气候类型复杂，具有天气寒冷、昼夜温差大、大气压低等特点。这些环境特点都对柴油机的起动带来不利影响，主要表现在：动力性下降、经济性变差、起动困难、冷却系统散热效率降低、排放恶化、材料的弹性、
35、绝缘性和密封性下降，可靠性和耐久性下降、故障率增加。诸多不利影响一方面会给高原地区车辆的使用造成很大不便，另一方面恶化的起动排放对使用者造成身体伤害，同时对高原相对脆弱的大气环境造成破坏，难以恢复。综上所述，由于我国高原面积大、分布广，高海拔环境下柴油机污染物排放将越来越受到重视，但是目前对于柴油机高原排放的研究较少，对于起动排放的研究几乎是空白。所以研究柴油机不同海拔高度、不同供油策略和不同温度下的起动性能和排放性能，对保证高原地区车辆正常使用、控制高原车辆的排放污染有重大意义。1.2 国内外柴油机平原环境起动性能研究现状1.2.1 平原环境起动燃烧性能研究由于柴油机在平原环境下的起动性能是
36、柴油机开发的基本需求，所以国内外研究者在起动燃烧性能方面已经做过较多研究。多种因素都对柴油机起动性能有影响，如喷油策略，包括循环供油量、喷油提前角、喷油压力、多次喷射及多次喷射间隔等；其他如燃油、润滑、冷却水温度、进气温度、进气压力等，也会对起动燃烧性能和排放性能产生很大影响 151617。同济大学 硕士学位论文 柴油机高原冷机起动排放特性研究4吉林大学苏岩等人 18对柴油机的冷机起动过程燃烧示功图进行了分析，将冷机起动过程分为拖动期、初始期、升速期和稳定期四个典型阶段。当起动机将发动机拖动时的第 1 到 3 个循环，由于发动机的瞬时转速很低，同时受到机械式调速器的影响，此时的循环供油量很大，
37、典型特征为缸内压力峰值很高，且为完全燃烧，燃烧形态以子母峰为主。起动初始期的第 5 到 30 个循环中，燃烧形态以单子峰和子孕峰为主，此时某些循环出现失火、不燃烧或燃烧不完全的现象。而第 30 到 70 个循环为升速期，此时以双子峰形态为主，这时的燃烧逐渐趋于稳定，燃烧压力逐步升高，示功图也逐渐向子母峰开始转化。第 70-110 个循环为稳定期，这期间燃烧状态稳定，主要为子母峰形态，发动机进入稳定怠速期。针对柴油机起动的供油及喷油参数对起动燃烧性能的影响，陈黎君等人 18将共轨柴油机的起动阶段划分为起动初期、起动加速期、起动延伸期及稳定阶段，针对不同阶段特点来提出相应的控制策略优化方案。研究结
38、果表明：在柴油机起动过程中采用油量斜坡函数对冷机起动时间有较好的缩短效果，同时能够降低起动过程中的碳烟排放。另外，在低温冷机起动工况下，为了减少转速超调量，需要对油量进行进一步补偿，这样可以减少转速波动幅度和波动时间，使转速尽快稳定到怠速转速。此结论也印证了之前 Zhongchang Su20等人提出的方法，即发动机进入稳定怠速后需在怠速开环油量的基础上加入油量补偿，且油量补偿逐渐衰减。Dinesh Kumar 等人 21在环境仓对一台 5.7 升直列 6 缸涡轮增压直喷柴油机进行了试验，研究了在不同环境温度下，不同喷油参数对柴油机冷起动燃烧稳定性的影响。试验结果表明：与 Zhiping Ha
39、n 等人 22对燃烧稳定性的冷起动研究具有可重复性，而不是随机变化。燃烧不稳定和失火的原因是喷油参数和发动机瞬态转速不匹配，从理论上说，喷油正时应该根据每个循环的情况来做出调整。刘建江等人 23对高压共轨柴油机起动性能与喷油参数的关系进行了研究，发现共轨压力、喷油提前角、总喷油量、预喷油量和预喷间隔对于起动时间都有一个最优值，过大或者过小都不利于起动。针对柴油机起动过程中，温度参数对燃烧性能的影响，张斌等人 24在BOSCH 高压共轨系统上，研究了进气温度和冷却水温度对起动时间和排放的影响。结果发现，对于绝大多数起动油量和喷油提前角，进气预热缩短起动时间又能降低起动排放，但是冷却液温度对于起动
40、时间和 HC 排放存在一个最优温度点，并不是越高越好。美国陆军坦克车辆研究所的 Naeim A 等人 25在一台单缸四冲程气冷柴油机上进行了试验，研究了不同环境温度、不同燃油特性和不同喷油正时对柴油机冷起动性能的影响。发现导致燃烧不稳定的因素主要有转第 1 章 绪论5速、排气温度和排气成分、累计喷油率和环境温度。环境温度上升时，柴油机起动的循环数减少，即失火循环数减少，同时柴油机转速可以更快升高到预定转速。马亨德拉公司的 Dominic John 等人 26在一台共轨直喷柴油机上研究了环境温度对柴油机起动稳定性的影响，并测量了柴油机烟度的变化情况。试验结果表明：（1）在单次预喷和无任何辅助加热
41、使用的情况下，柴油机在 5及以上温度起动性能都非常良好；（2）在低温环境下，由于冷却液温度也很低，所以白烟排放较多，但是白烟没有气味；（3）从 0下降到-25过程中，采用了两次预喷射，增加了预喷射油量，此时发动机能够成功起动。针对柴油机起动过程中，压缩比对起动燃烧性能的影响，诺丁汉大学的 D. MacMillan, A. La Rocca 和 P. J. Shayler27在一台压缩比为 18.4:1 和 15.4:1 的直喷柴油机上进行了起动工况指示性能和放热率的比较试验。压缩比的改变是通过调整活塞凹坑的大小来实现的。试验比较了在两种压缩比下，温度分别为10、-10 和 -20，发动机在 3
42、00r/min 时的输出功率和放热特性，同时在-20下测试了更高的转速，来比较冷机怠速时的情况。在低转速下，降低压缩比可以使指示输出功率峰值提高，这主要得益于传热损失的降低和放热率峰值下降同时累计放热量增加。高压缩比增加了能使发动机输出功的喷油正时范围。发动机转速提高和负荷降低，都会增大输出功的变动系数，尤其是在低压缩比时。结果表明，在 300r/min 工况下，滞燃期在 2.5CA 到 7CA 之间，而在低压缩比时，滞燃期可能会增加不超过 1CA。预喷可以将主燃烧的滞燃期缩短 1CA 左右，同时增加高输出功率的范围，使性能对标定不会非常敏感。环境温度降低时，由于燃烧持续期延长造成缸内气体密度
43、增加，平均指示有效压力提高。综上所述，国内外对于平原环境下的柴油机起动控制策略和性能研究比较多，研究主要针对起动喷油参数和温度参数。起动燃烧问题主要是由于起动喷油参数与发动机瞬时转速不匹配，造成燃烧恶化。采用合适的喷油量和合适的提前角能够改善起动燃烧恶化的问题，高压共轨系统采用多次喷射也对起动燃烧优化有较好的效果。对于温度参数，环境温度、进气温度和冷却液温度都对起动燃烧有影响，较高的环境温度和进气温度可以减少起动循环数，缩短起动时间同时降低起动排放，提高冷却液温度也有类似效果，但是存在一个最优值，温度过高效果反而变差。同济大学 硕士学位论文 柴油机高原冷机起动排放特性研究61.2.2 平原环境
44、起动排放性能研究柴油机在冷起动过程中，由于不完全燃烧甚至失火循环较多，造成排气中有大量的未燃碳氢、燃油蒸气和部分氧化反应产物，这些成分会使得柴油机起动有害物排放远高于正常工作工况的排放，是研究的重点 282930。温度参数对于柴油机起动排放影响非常大，吉林大学苏岩等人 3132和金华玉等人 33在单缸机上研究了温度参数，即冷却液温度和进气温度对柴油机起动过程中不稳定燃烧现象和排放的影响。研究结果相似：进气温度和冷却液温度提高都对起动首循环燃烧稳定性有显著提高。进气温度提高，冷机起动着火滞燃期减小，扩散燃烧增加，明显改善着火条件、降低起动过程供油量，减少失火循环，从而明显改善起动过程中的 HC
45、排放。而 NOX 排放随着进气温度的升高而小幅增加，说明进气温度升高后燃烧质量更好。柴油机起动首循环的 HC排放随冷却液温度的升高而明显降低，主要是因为较高的冷却液温度降低了传热损失，减少壁面冷激效应，缩短了滞燃期，着火时刻相对提前，使得首循环排放得到有效降低。同时，在保证着火可靠性的前提下，应该尽量减少循环供油量，减少浓混合气，降低 CO 排放。日本同志社大学和丰田汽车集团的Hajime Fujimoto 等人 34的研究表明随着冷却液温度和进气温度的降低，缸内最高爆发压力、最高火焰温度、烟度和 CO2 排放量都有所下降。 BOSMAL Automotive 研发中心的 Piotr Biel
46、aczyc 等人 35在一台直喷柴油机上进行了冷起动（冷却液温度和润滑油温度都是环境温度 20）和热起动（热机后润滑油温度为 90）试验，并比较了两种起动状态下柴油机的排放。标准冷起动条件下的 CO、 HC 和 PM 排放都是最高的，而热机起动的三种排放物是最低的。最初5s 不喷油的冷起动也在 HC 排放和 PM 排放两方面有较为明显的改善。说明柴油机起动时的排放与冷却液温度和润滑油温度有非常密切的关系，提高起动时的冷却液温度，可以大幅降低起动过程中的 CO、 HC 和 PM 排放。同时，在起动最初阶段由起动电机空拖柴油机而不喷油，也对柴油机起动排放有显著的降低作用。针对起动过程中的颗粒物排放
47、，伯明翰大学的 Ramadhas Arumugam Sakunthalai 等人 36和同济大学的楼狄明等人 37都对柴油机冷机起动和热机起动下的颗粒物排放进行了试验研究。在冷机起动时，柴油机的油耗增加，颗粒物排放也增加。峰值排放出现在起动升速过程中。对排气颗粒物粒径分布进行分析，发现在环境温度降低时，积聚态颗粒数量明显增加，核态颗粒数量变化较小，颗粒物数量分布向大粒径方向移动。几乎所有环境温度下，怠速颗粒物都第 1 章 绪论7约为冷起动颗粒物时的十分之一。为了降低起动过程中的排放，研究者也对起动的喷油参数进行了研究和优化。吉林大学刘舰 38对高压共轨柴油机的起动燃油喷射控制参数进行优化，包括
48、起动油量、主喷提前角、共轨压力、预喷油量和预喷时刻等几个参数的优化。利用 FIRE 软件进行发动机起动模型的建立，对制定的三种喷油参数组合方案进行仿真计算，最后进行发动机台架试验对优化结果进行验证，试验结果表明：经控制策略优化后，发动机起动时间缩短，起动过渡到怠速转速平稳，HC、PM 以及 NOx 排放均有所降低，起动性能得到了改善。吉林大学苏岩 39对起动供油量进行了逐循环研究。结果表明，冷机条件下采用恒定供油量起动直接进入怠速 PID 控制，在初始期和升速期容易出现失火。提出的阶梯降低油量优化控制策略能够显著减少起动过程中的失火循环。结合柴油机起动辅助措施，起动供油量可以设置怠速循环供油量
49、的 2 倍左右，此时柴油机起动时间明显缩短，起动排放也显著降低。钟祥麟和于秀敏等人 40对一台高压共轨柴油机起动过程中的喷油参数进行了研究和匹配，利用正交试验设计，优化了起动时间和起动过程中的 HC 排放。通过分析正交结果，确定起动油量和主喷提前角的影响较大，其余参数影响较小，并得到了喷射控制参数的优化组合：轨压为30MPa，起动循环油量为 20mg、主喷提前角为 10CA，同时采用预喷，循环预喷油量为 2mg、预喷与主喷之间的时间间隔为 2ms。综上所述，由于柴油机冷机起动时缸内工质温度低，滞燃期长，燃烧持续期短，排放增加，而且较低的壁面温度使得冷激效应明显，近壁面燃油不能正常着火燃烧，这些因素都大大增加了 CO、HC 和颗粒物等污染物排放。针对柴油机起动排放问题，目前主要的解决方法是提高冷却液温度、进气温度。由于起动排放对温度非常敏感，提高温度后，HC、CO 和颗粒物等排放能够得到非常有效地抑制，与此同时，NO X 排放会有增加，但是由于起动过程中 NOX 排放总体较低，所以不是主要优化指标，而是作为次要因素来考虑。另外，喷油参数的优化也能够一定
