现代战争形式多变，环境恶劣，对军车环境适应性、可靠性、机动性提出了更高的要求。柴油机具有燃油经济性好、工作可靠性高、耐久性好、可通过增压及扩缸等方法增加功率、防火安全性好等特点，比汽油机更能满足军队需求。因而，军车普遍使用柴油机。起动性是衡量柴油机性能的重要指标之一，它伴随着柴油机的整个生命周期，对柴油机的正常工作有重要影响。
按照GB/T12535-2007《汽车起动性能试验方法》，柴油机低温起动试验的环境温度为（-35±2）℃。我国地域辽阔，多地冬季平均温度都在-10 ℃以下。内蒙古、新疆、西藏以及东北地区一月份的平均温度在-25~-41 ℃之间，黑龙江漠河的最低温度甚至达到-53 ℃。柴油机将吸入的新鲜空气压缩为高温高压空气，喷油器向燃烧室喷入燃油，当混合气温度达到自着火温度，混合比达到可燃范围，会在不同位置同时着火。这个过程是燃油燃烧的关键，混合气数量、燃烧室内的空气温度、混合气着火温度等决定了燃烧能否发生。在低温环境下，柴油机燃料的粘度增大，通过蒸发扩散形成混合气困难；且压缩终了温度低，摩擦损耗大，蓄电池性能下降，起动阻力矩增大。这些因素造成了柴油机的低温起动性能差。在西北及东北地区的冬季，柴油机低温起动性能差一直是一个难题。
目前，国内外专家和学者针对柴油机冷起动中的着火过程、燃烧过程及排放问题进行了深入研究，在此基础上提出了诸如提高燃油品质、改善喷雾质量、预热等一系列提高柴油机冷起动性能的辅助措施。
1 柴油机冷起动着火与燃烧过程研究
研究了涡流室式柴油机冷起动初次着火后的非稳态燃烧过程。发现了涡流室式柴油机起动过程中所存在的H 型、X 型、Y 型等3 种燃烧型式与燃烧压力密切相关，对非稳态燃烧的燃烧特性进行了讨论，建立了非稳态燃烧模型。研究表明，在初次着火后，初期循环的着火特性较差、滞燃期的增加是涡流室式柴油机冷起动困难的基本原因。
美国威斯康辛大学对一台柴油机进行了模拟，研究了气体窜漏、压缩行程的传热、油滴蒸发、喷雾的发展、混合气的形成以及点火的影响因素等。利用零维模型确定边界条件，利用三维模型模拟燃油雾化、碰壁等过程。结果表明，在起动时，气体窜漏能降低缸内气体温度，喷雾碰壁有助于混合气的形成，过量喷油和增大喷油提前角有助于增加燃油的蒸发量。
研究了燃油组分对柴油机冷起动时喷雾蒸发和燃烧的影响。研究表明，在低温环境下，燃油的组分对喷雾的形成有影响。采用两次喷射时，首次喷射对冷起动有益，而且影响显著。
美国韦恩州立大学研究了柴油机冷起动时的燃烧不稳定性。通过理论研究，分析了冷起动非稳态工况下，喷油正时对燃烧不稳定性的影响；通过对着火过程的分析，预测了失火区域。并在-10~21 ℃的环境温度下进行了验证试验，对循环数据进行了采集和分析，发现试验结果与模型预测结果相吻合。通过试验和验证，提出了提高柴油机冷起动时燃烧稳定性和降低白烟排放的控制策略。
天津大学在一台单缸直喷式柴油机上研究了冷却液温度对柴油机起动首循环燃烧、排放的影响规律。试验环境温度为10 ℃，冷却液温度分别为10、20、30、40 ℃等。结果表明，在环境温度和冷却液温度均较低时，着火滞燃期增长，NOx 和HC 排放升高；且发动机冷起动首循环燃烧状态具有较大的不确定性，提高冷却液温度能有效消除这种不确定性。
英国伯明翰大学研究了环境条件对柴油机冷起动性能和怠速排放的影响。在温度为-20~20 ℃的环境下，进行了重型直喷柴油机的试验。结果表明，与常温冷起动相比，低温冷起动时的油耗、排放更大。在冷起动的加速阶段，发动机的排放逐渐上升达到峰值，接着逐渐下降并在怠速状态达到稳定。
上海交通大学对冷机起动倒拖时的缸内燃油喷射雾化过程进行了仿真计算和分析，缸内气体初始温度为30 ℃。研究结果表明，在燃油喷射雾化过程中，缸内温度明显下降。与不喷油时相比，缸内温度下降了32 ℃。喷射雾化过程出现燃油附壁，燃油附壁量占总喷油量的70％左右；喷射雾化结束时，混合气浓度场和温度场呈极不均匀的分层分布，浓度较高的区域温度较低，且分布于靠近活塞壁面的薄层，不利于焰前反应的进行。
上述研究表明，在柴油机冷起动过程中，喷雾的形成质量、压缩终了燃烧室内的温度、燃油的着火性等是决定柴油机冷起动燃烧是否正常以及能否可靠起动的关键因素。

表1 预热装置的适用性及其优缺点分析
2 常用的柴油机冷起动辅助措施
目前，提高柴油机冷起动性能的方法主要有改善可燃混合气形成质量、提高压缩终了温度、改善燃料着火性等。具体的冷起动辅助措施包括采用进气预热装置、采用电热塞、采用燃油加热器、进行机体预热和采用低温起动液等。冷起动辅助措施的优点在于对柴油机原有结构改变较少，装置简单、廉价。采用冷起动辅助措施，能辅助柴油机在低温环境条件下顺利起动。
2.1 改善喷雾质量
燃油的蒸发特性是影响混合气形成质量的关键因素，燃油的蒸发除了跟周围空气的温度、压力有关外，还和喷雾质量有关。而燃油喷射量、喷油提前角、喷射压力等对喷雾质量具有重要的影响。
认为从起动过渡到怠速发生失火和不完全燃烧循环的主要原因是喷油量与转速变化不匹配。他们采取起动时多喷油，在过渡阶段，随转速变化逐步降低油量，然后进入怠速的喷油策略，能有效减少起动过渡期的失火和不完全燃烧循环。美国威斯康辛大学研究了喷雾碰壁和油膜对柴油机冷起动的影响。他们尝试单次喷射和两次喷射等喷油策略来改善燃油分布。研究发现，由于两次喷射油膜更少、碰壁区域更小、液滴飞溅更多，燃烧过程比单次喷射好，且喷油比例和间隔对改善燃烧有一定作用。
采用电控高压共轨喷油系统，不仅可以实现喷油量、喷油正时的精确控制，还能控制喷油压力和喷油规律，可缩短冷起动时间，改善燃油经济性，降低排放。
2.2 改善燃油品质
柴油机直接向高温、高压空气中喷射燃料，使其自着火。因此，柴油的着火性是影响发动机起动性的最重要品质。十六烷值是描述着火性的指标之一，十六烷值越高代表着火性越好。着火性好，则延迟期短，起动容易，且燃烧压力不会急剧上升，柴油机能稳定运行。十六烷值过低，会导致着火性差，影响柴油机冷起动性能，并使燃油在暖机过程中不能完全燃烧，产生白烟，HC 和CO 排放增加。因此，提高燃料的十六烷值或向燃料中加入十六烷值增强剂，能提高燃料的着火性，改善柴油机的起动性能，降低噪声。同时，起动时的蓝烟、白烟也可降低。
2010 年，研究了十六烷值对冷起动的影响。试验燃油的十六烷值有8 种，从47.3~70.9不等，环境温度为-25 ℃，压缩比分别为16 和14。试验结果表明，十六烷值对柴油机冷起动的影响主要在怠速阶段，增加十六烷值，可改善冷起动时的性能。需要注意的是，当燃料的十六烷值过高时，会造成正常工况时的不完全燃烧，增加碳烟排放。并且，提高燃料的十六烷值，并不能改变燃料在低温环境下因难以蒸发而形成混合气困难的情况。
2.3 预热措施
柴油机常用的预热措施有：
1）安装进气预热装置、电热塞、燃油加热器等；
2）冷却液预热。
2.3.1 进气预热装置
进气预热装置可提高进气温度，从而提高压缩终了温度，促进燃油的蒸发与雾化，形成可燃混合气，改善燃烧条件，使发动机在环境温度较低时顺利起动。常用的进气预热装置有电热预热进气装置、火焰式预热器（火焰塞）以及热敏陶瓷低温进气预热起动器等3 种。
对不同预热装置的适用性及其优缺点进行了分析，3 种预热装置的对比如表1 所示。英国伯明翰大学研究了低温环境下进气预热在降低柴油机排放方面的潜力。他们在进气歧管上游安装一个空气加热器，用于调整进气温度。研究表明，进气加热降低了起动时间，在低环境温度下，改善了燃油经济性。在空气温度分别为5 ℃和15 ℃时，HC 排放比-7 ℃时分别减少了40%和65%，NOx 排放比-7 ℃时分别减少了8.5%和10%。
2.3.2 电热塞
在发动机燃烧室中安装电热塞，提供一个高温热源，以提高压缩终了温度，帮助燃油着火。燃烧室电热塞是一种简单有效的辅助装置，主要零件是管形加热元件，多用于起动性能较差的分隔式燃烧室—涡流室和预燃室中。但电热塞的安装需要足够的燃烧室空间，且电热塞的低温起动效果不仅与发动机本身的起动性能有关，还与电热塞的安装位置等因素有关。
2.3.3 燃油加热器
汽车燃油加热器是一种独立的汽车加热系统，利用燃油燃烧产生的热量将发动机冷却液加热，从而迅速提高发动机温度，发动机被加热后，发动机各部位摩擦副之间的机油粘度下降，能降低起动阻力，增加起动转速，提高了压缩终了的温度与压力。目前，国外典型的汽车燃油加热器产品有德国Webasto公司生产的ThermoTopEvo 水暖汽车燃油加热器和德国Eberspacher 公司生产的AIRTRONIC，D5/8L 燃油加热器等。
在国内，山东大学与河北宏业公司已成功研制了小功率的5 kW 风冷和水冷蒸发雾化式加热器、大功率的喷雾雾化式液体型燃油加热器、气液双燃料加热器以及气体燃料加热器等。陆军军事交通学院和中国兵器装备集团公司第394 厂研发的高海拔、低温ZYJ-20/40 型燃油加热器，具有良好的高原环境适应性。
2.3.4 加热冷却液
发动机机体预热是在发动机起动前，通过电加热或燃烧加热的方法对冷却液进行升温，然后通过冷却液的循环提高发动机机体的温度，从而实现进气、燃油、润滑油等的升温。目前，冷却液加热方式在大型发动机上应用很广泛。因为，大型发动机空间尺寸较大，易于实现改装或加装水套和加热装置。如果条件受限制，可采用加热油底壳的方法，但这种方法预热准备时间较长，且加热系统布置很复杂。
英国伯明翰大学研究了冷却液温度对柴油机低温冷起动性能的影响。在环境温度为-7 ℃时，通过外部加热装置将冷却液加热至10 ℃和20 ℃再进行起动，并与直接在-7 ℃时起动进行对比试验。结果表明，在低温环境下使用冷却液加热的策略，可改善冷起动性能，减少起动时间，降低排放。
2.4 可变压缩比技术
柴油机的压缩比直接影响到压缩终了燃烧室内空气的温度和压力，提高发动机压缩比是提高压缩终了缸内温度最为有效的措施，但压缩比过大，会使发动机正常运转时的机械负荷和热负荷显著增加，工作粗暴。因而，可变压缩比技术在理论上是比较可行的。
在冷起动时，可变压缩比发动机采用更高的压缩比，使燃烧持续时间缩短，热效率增加，压缩终了缸内温度升高，发动机冷起动性能和燃油经济性得到显著改善。在大负荷、高转速时，可采用较小的压缩比，防止发生爆震及产生很大的机械负荷和热负荷。目前，萨博SVC 发动机、英菲尼迪VC-T发动机等都采用了可变压缩比技术，实现了压缩比的可变。
英国诺丁汉大学对某柴油机在不同压缩比（15.4 和18.4）下的输出功率和放热特性进行了比较试验。通过改变活塞凹坑的容积来改变压缩比。试验温度分别为10、-10、-20 ℃，发动机转速为300 r/min。结果表明，压缩比越小，则着火时刻越晚，缸内爆发压力及平均温度越低，在压缩过程中，缸内温度的升高速率逐渐减小。
可变压缩比技术从几何结构上改变了发动机的压缩比，提高了柴油机的冷起动性能。然而，可变压缩比发动机结构复杂，并且可能造成可靠性下降、振动增大等问题。此外，成本的控制也是需要考虑的因素之一。
3 汽油燃料在柴油机冷起动过程中的应用可行性分析
由于发生燃烧的形态不同，汽油机的低温起动性比柴油机好，可考虑将汽油运用到柴油机冷起动中。将汽油机的燃油系统安装于柴油机上，冷起动时，在压缩行程将汽油喷入柴油机气缸内，充分预混合，通过火花塞点燃汽油，保证柴油机顺利起动，当柴油机机体达到一定温度后，转为燃烧柴油，使柴油机正常运行。目前，已经有学者将汽油运用到柴油机燃烧中（包括RCCI、HPCC、PPCI 等燃烧模式）。
3.1 RCCI 和HPCC 燃烧模式
RCCI 和HPCC 燃烧模式均是采用汽油/柴油双燃料的燃烧模式，其中，汽油采用进气道喷射，柴油采用缸内直接喷射。通过汽油/柴油比例控制、缸内柴油喷油策略控制、外部EGR 率控制和进气门关闭时刻控制等控制措施，控制混合燃料的燃烧过程，实现高效清洁燃烧。
美国威斯康辛大学率先提出RCCI 燃烧模式，并进行了台架试验和可视化数值模拟研究。Reitz 在一台重型单缸发动机上进行了试验，当平均有效压力（BMEP）达到1.1 MPa 时，在NOx和碳烟排放均满足排放标准的情况下，指示热效率可提高至50%以上。
瑞典皇家理工学院在一台轻型多缸发动机上研究了活塞型线对RCCI 燃烧和排放的影响。他们采用遗传算法优化活塞型线，不仅提高了热效率，还降低了NOx 和PM 排放。在转速为2 600 r/min、平均有效压力为0.69 MPa 的工况下，RCCI 燃烧的有效热效率从37%提高到40%，并且不需要任何后处理设备就能使NOx 和颗粒物排放达到排放标准。
清华大学在一台由高压共轨柴油机改造的压缩比为18.5 的单缸柴油机上对RCCI 燃烧特性进行了试验，试验时，进气温度控制在25 ℃，冷却水温度控制在80 ℃，试验所用汽油/柴油比例分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8 等，分析不同汽/柴油比例对RCCI 燃烧和排放特性的影响。结果表明，随着汽油比例的增加，缸内压缩压力降低，缸内最大压力升高，最大压力升高率增大，着火落后期缩短，燃烧持续期缩短，碳烟排放降低，HC 排放升高。
天津大学采用汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧（HPCC）模式，对柴油早喷与晚喷情况下的燃烧和排放特性进行了数值仿真研究，柴油机压缩比为16，汽油质量分数为76％，进气温度为300 K（约为27 ℃）。结果表明，HPCC 的着火和燃烧过程主要受缸内活性自由基控制。柴油较晚喷射，会使高温放热提前；柴油较早喷射，会抑制低温放热。柴油晚喷模式的NOx 排放比柴油早喷模式较高，柴油晚喷模式的碳烟排放则低于柴油早喷模式。
天津大学在一台由高压共轨柴油机改造的压缩比为16 的单缸柴油机上对HPCC燃烧模式的燃烧及排放特性进行了初步的试验研究，试验时，进气温度控制在25 ℃。通过控制柴油的喷射时刻、汽油比例（35％~80％），HPCC 呈现出由多种燃烧模式组成的复合燃烧模式，可实现高效清洁燃烧。
RCCI 的实质是汽油/柴油高比例预混合燃烧，通过压燃柴油将汽油引燃，需要2 套燃油系统。但只需要DOC（柴油氧化催化器）就能同时实现NOx 和soot的超低排放。目前，RCCI 的研究主要是针对正常运行工况、进气温度较高的情况，汽油比例高达80％，针对柴油机冷起动工况的研究还未见报道。
3.2 PPCI 燃烧模式
壳牌石油公司提出了一种在柴油机上燃用汽油类高挥发性、高辛烷值燃料的燃烧模式。在进气行程和压缩行程中，通过高压共轨向缸内多次喷入汽油，或在压缩上止点附近单次喷入汽油，利用喷油时刻控制混合气的分层，他们称之为部分预混合压燃（PPCI）。
西班牙瓦伦西亚理工大学在高压共轨单缸可视化发动机上进行了汽油燃料火花点火辅助PPCI 燃烧模式的试验研究。发动机转速为750 r/min，进气温度为35 ℃，压缩比为14.7。结果表明，采用火花塞点火辅助汽油PPCI 燃烧模式，较好地控制了汽油部分预混合燃烧的始点，提高了中小负荷发动机的运行稳定性。
3.3 利用汽油提高柴油机冷起动及暖机性能
汽油在柴油机中的应用受到限制的主要原因是汽油在高压缩比情况下容易发生爆震燃烧，对燃烧室部件造成损伤。汽油的爆震燃烧发生的相关因素很多，如点火时间、压缩比、燃烧室形状、辛烷值、冷却液温度等等。研究表明，降低冷却液温度和进气温度能有效抑制爆震燃烧的发生。柴油机低温冷起动过程是一个低温、高压缩比、低速、低负荷的过程，在柴油机中加装汽油燃油系统，在冷起动时燃用汽油，保证柴油机顺利起动。当机体达到一定温度时则燃烧柴油，保证柴油机的正常运行，达到快速、可靠起动的目的。其实质是在冷起动及暖机过程中，采用预混合燃烧模式。RCCI、HPCC、PPCI 等新型燃烧模式的出现，一定程度上证明了汽油应用于柴油机冷起动过程的可行性，但仍需进一步试验验证。
4 结束语
本文分析了柴油机冷起动着火与燃烧过程的研究状况，介绍了常用的柴油机冷起动措施的原理及研究进展，提出从着火与燃烧方式入手，利用汽油燃料改善柴油机冷起动及暖机性能，主要结论如下：
1）国内外专家和学者主要研究了柴油机冷起动过程的着火、燃烧及排放问题，分析了柴油机冷起动性能的影响因素。研究发现，柴油机冷起动和暖机过程属于非稳态工况，冷却液温度和机体温度低、混合气形成质量差等因素导致了柴油机冷起动困难。
2）目前，提高柴油机冷起动性能主要是从可燃混合气形成、压缩终了温度、燃料着火性等3 方面着手。具体措施包括改善喷雾质量、采用预热装置、提高燃料的十六烷值、采用可变压缩比等，但柴油燃料通过油滴蒸发扩散燃烧的燃烧方式在低温下的局限性依然存在，冷起动困难的问题依然阻碍柴油机在低温条件下的运用。
3）提出了使用汽油燃料，采取火花点火以及火焰传播的方式来提高柴油机冷起动与暖机性能的方法。通过分析柴油机冷起动条件及RCCI、HPCC、PPCI 等新型燃烧模式，一定程度上论证了汽油应用于柴油机冷起动过程的可行性。