淺析FIC歐四柴油機的低溫啟動性能
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戚茂國
（菲亞特克萊斯勒動力科技研發(fā)（上海）有限公司，上海 201807）
摘要：對菲亞特克萊斯勒動力科技產(chǎn)品FIC歐四柴油發(fā)動機低溫啟動相關(guān)的各種因素進行了分析，并對FIC柴油機在各種實地環(huán)境條件下的優(yōu)秀低溫啟動性能進行了展現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：菲亞特克萊斯勒；FIC柴油機；低溫啟動；優(yōu)化中圖分類號：U464. 172
0 引言
FIC系列電控柴油發(fā)動機是菲亞特克萊斯勒動力科技專為輕型商用車推出的高效柴油機，是歐洲輕型柴油機技術(shù)的明星產(chǎn)品。
在菲亞特克萊斯勒動力科技研發(fā)（上海）有限公司（現(xiàn)名）與某公司某系列車型的歐四項目合作過程中，整車開赴格爾木高原地區(qū)以及黑河高寒等地區(qū)進行了冷啟動實地試驗和性能優(yōu)化，F(xiàn)IC柴油機的優(yōu)秀可靠啟動性能得到了客戶及同行的稱贊，能保證用戶對車輛的使用不受到當?shù)丨h(huán)境低溫的影響。
本文就FIC歐四電控柴油機低溫啟動涉及的重要因素，以及試驗中遇到的問題進行簡要的分析，并給出相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。
1 影響柴油機啟動的因素
高壓共軌系統(tǒng)中，柴油經(jīng)過高壓噴射進入燃燒室并霧化蒸發(fā)，在與空氣的相對運動中混合；同時柴油會在燃燒室內(nèi)壁上形成油膜蒸發(fā)來與空氣混合，通過氣體渦流運動形成可燃混合氣，在高溫條件下自行著火燃燒。
隨著環(huán)境溫度的降低，相對常溫環(huán)境下，柴油黏度增大很多，燃料的蒸發(fā)及霧化也會開始變得很差，使可燃混合氣的形成受到嚴重影響，不易著火。同時機油黏度隨著環(huán)境溫度的降低而增大，蓄電池性能隨著持續(xù)啟動不斷放電而下降，導致啟動轉(zhuǎn)速降低，缸內(nèi)壓縮終點溫度降低、壓縮壓力不足、著火延遲期延長，這些都使得柴油機冷啟動越來越困難。
FIC電控柴油機針對各種影響啟動的因素，在保證形成易于著火的可燃混合氣方面有著合理的硬件配套和軟件優(yōu)化。
1.1 啟動轉(zhuǎn)速
任何柴油機都存在一個合適的啟動扭矩來克服柴油機隨著溫度降低而增大的摩擦扭矩，讓曲軸達到一定程度的轉(zhuǎn)速，保證壓縮溫度和壓縮壓力達到足夠高，促進燃料的蒸發(fā)和霧化形成可燃混和氣，減少功率消耗，能夠順利啟動。
實地試驗中，在數(shù)據(jù)優(yōu)化前，F(xiàn)IC柴油機啟動緩慢，不能滿足客戶目標。優(yōu)化前的啟動扭矩如圖1所示。
針對FIC柴油機的啟動扭矩等數(shù)據(jù)進行了適當?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，使得發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升迅速有力，無異常。優(yōu)化后的啟動扭矩如圖2所示。
與柴油機啟動轉(zhuǎn)速直接相關(guān)的因素有電池和啟動電機。
1.1.1 電池
FIC柴油機選配了蘇州產(chǎn)梅花牌規(guī)格為12 V120 Ah-500 A的免維護蓄電池。
在2013年1月冬季試驗當中證明，當蓄電池輸出的最大冷啟動電流或者放電能力不足以驅(qū)動啟動電機來拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到ECU釋放噴油的轉(zhuǎn)速值時，全部嘗試都無法完成發(fā)動機冷啟動。如圖3所示，在防凍液溫度為-25.5℃嘗試啟動發(fā)動機時，蓄電池電壓從11.2 V迅速下降到5.36 V，低于電控單元ECU的復位電壓，ECU不發(fā)送指令給高壓油泵和噴油器使其工作，不可能啟動。
并聯(lián)使用另一輛整車的電池后，蓄電池電壓從14.7 V下降到7.07 V，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速上升，1.52 s內(nèi)完成啟動，并且發(fā)動機怠速比較穩(wěn)定，如圖4所示。
1.1.2啟動電機
FIC柴油機選用功率為2.5 kW的啟動電機，其設(shè)計能力為：當其與95 Ah的12 V電池相匹配，在-18℃的環(huán)境中啟動，保證拖動轉(zhuǎn)速不低于140 r／min。
冬季試驗中，進氣溫度為-18.5℃、防凍液溫度為- 20.60C時，F(xiàn)IC柴油機可靠啟動轉(zhuǎn)速為158 r／min，啟動迅速，啟動完成向怠速平穩(wěn)過渡，燃燒穩(wěn)定，無失火現(xiàn)象發(fā)生。
1.2提高燃氣混合氣的準備燃燒溫度
壓縮行程結(jié)束時，柴油機缸內(nèi)燃氣混合氣溫度是否能達到著火溫度決定了柴油機是否能順利啟動。在低溫條件下，由于缸內(nèi)零部件的自身溫度和進氣缸的空氣溫度低，以及防凍液溫度低，使得柴油機的熱能損失非常大，不能保證壓縮行程結(jié)束時缸內(nèi)燃氣混合氣的溫度達到足夠的著火溫度，從而不能完成冷啟動。
1.2.1 改善燃油在低溫條件下的著火條件
FIC柴油機在保證形成易于著火的可燃混合氣方面，給出了合理的硬件配置和相應(yīng)的軟件功能。
FIC柴油機設(shè)定了燃油需要加熱和停止加熱的溫度門限值，ECU在接收到燃油溫度傳感器的溫度信號后與門限值進行比較，如判定此時需要對燃油進行加熱，就會發(fā)出指令給燃油加熱裝置，執(zhí)行器即通電加熱燃油。當ECU檢測到燃油溫度信號達到設(shè)定上限值時，就會發(fā)出指令給燃油加熱執(zhí)行器，停止加熱燃油。
該項目設(shè)定為當燃油溫度低于5. 06℃時，開始加熱燃油；當燃油溫度高于8. 96℃時，停止加熱燃油。FIC柴油機之所以啟動性能非常優(yōu)秀，系統(tǒng)具有的燃油加熱功能功不可沒。
1.2.2 提高進氣溫度
采用預熱提高發(fā)動機進氣溫度的方式可以使燃燒室內(nèi)的混合燃氣溫度上升，提高柴油機壓縮終點溫度，對柴油機冷啟動時著火起到一定的幫助作用。
FIC柴油機采用性能優(yōu)秀的電預熱塞，通過ECU控制加熱時間，可在最長7s內(nèi)將進氣氣流溫度提升850℃，極大地縮短了加熱時間。
經(jīng)過實地試驗調(diào)整，預熱塞在防凍液溫度低于-20℃時設(shè)定為最長加熱時間6s。隨著防凍液溫度的升高，預熱塞加熱時間逐漸減少。實際情況證明，如果預熱塞發(fā)生故障，柴油機在低溫條件下難以啟動。2 FIC柴油機在各種環(huán)境條件下的啟動性能
FIC歐四柴油機在海拔4 200 m高度，防凍液溫度0℃左右啟動的表現(xiàn)如圖5所示。從發(fā)動機轉(zhuǎn)速開始上升到啟動完成耗時1.13 s。
FIC歐四柴油機在防凍液溫度為-26℃，進氣溫度為-24℃的環(huán)境下啟動的表現(xiàn)如圖6所示。從發(fā)動機轉(zhuǎn)速開始上升到啟動完成耗時僅1. 31 s。
3結(jié)論
通過選配合適的硬件、對軟件的仔細標定和實地試驗優(yōu)化，F(xiàn)IC歐四柴油機的優(yōu)秀冷啟動性能得以保證。研究FIC柴油機啟動性能所涉及到的因素，對國內(nèi)企業(yè)發(fā)動機的開發(fā)有著一定的借鑒作用。
