由于柴油机具有较高的可靠性，它们仍被广泛用于重型公路车辆、军用车辆、发电机和农业机械中。由于全球超过一半的地区环境温度低于0°C [1]，且全球33%以上的地区海拔超过2000米 [2]，因此人们非常关注在低大气温度和高海拔条件下柴油机的冷启动问题 [3][4][5]。在这些地区，低温和稀薄空气会导致柴油机压缩过程后缸内温度和压力降低，从而恶化柴油喷雾和雾化效果，并延长点火延迟 [6]。同时，雾化效果不佳的喷射柴油会加剧附着在活塞壁上的燃料膜的积累 [7]，进而导致燃烧和排放特性恶化。
已经进行了大量基础研究以了解低温和低压条件下的柴油点火特性。He等人的实验研究表明 [2]，在恒容燃烧室（CVCC）中，喷射柴油的点火延迟（ID）的增加与环境温度和密度的降低密切相关。Liu等人 [8] 总结了喷射柴油自燃的临界环境密度和温度，分别为约9.1 kg/m3 和707 K。Li等人 [9] 发现，随着环境密度从22 kg/cm3 降低到10 kg/cm3，临界自燃温度迅速升高。Liu等人的数值研究 [10] 表明，柴油机的失火是由于低温反应（LTR）中的化学过程减弱所致，这导致热量积累不足，无法引发高温反应（HTR）。Zhang等人 [11] 研究了热传导和低温化学对柴油机冷启动过程的综合影响，指出在稀薄空气的低温环境中，热传导的影响更为显著。
此外，由于在低温条件下柴油喷雾的雾化和蒸发效果会恶化 [12]，喷雾撞击壁面和壁面燃料膜的形成也对冷启动性能有重要影响 [13,14]。Xie等人 [15] 发现，随着发动机升温，附着燃料膜的蒸发速率会逐渐加快。当燃料蒸汽浓度达到临界值时，会发生闪燃，从而点燃缸内的燃料/空气/残余气体混合物，这对成功冷启动有利。
近期的一些研究重点关注了低温和低压对柴油机冷启动性能的影响。Mithun等人 [16] 发现，当环境温度降至10°C以下时，柴油机的启动时刻显著延长。当海拔超过3000米且环境温度进一步降至-20°C以下时，Xu等人 [17] 发现燃烧稳定性明显恶化，指示的平均有效压力（IMEP）下降。Fang等人 [18] 观察到，当海拔超过3000米时，燃烧稳定性变差，缸内峰值压力（PP）也发生显著变化。因此可以推断，在环境温度低于0°C或海拔超过3000米的地区，如果没有额外的辅助措施，柴油机将难以启动。成功冷启动的关键在于实现点火条件并保持喷射柴油的稳定燃烧 [19,20]。
为了提高冷启动性能，基于柴油机提出了几种辅助策略。预热进气被认为是一种有效方法，因为它可以直接将缸内混合气的温度提升到柴油燃料的临界自燃温度以上 [21]。Wang等人 [22] 基于轻型柴油机实验评估了几种预热系统的效果，证明进气预热可以改善缸内点火性能，但在环境温度低于-30°C时，由于热量损失增加，这种效果会减弱。此外，优化燃料喷射也是一种有效策略。Yan等人 [23] 发现，与单次喷射相比，分次喷射可以有效减少燃料膜的数量。Yang等人 [24] 利用三次喷射策略在高原地区实现了-45°C下的成功冷启动。
另一种有效且直接的方法是通过添加高活性添加剂或预混高十六烷值燃料来调节燃料性质。Sun等人的实验 [25] 表明，在柴油燃料中掺入氧化铈（CeO?）可以将成功冷启动所需的临界进气温度降低5°C。利用Al?O? [26]、Fe?O? [27] 和ZnO [28] 的研究也得出了类似结论。Sun等人 [29] 通过实验验证了使用乙醚（DEE）作为预混燃料的有效性，这种方法在-40°C条件下比使用进气加热装置更有效。
迄今为止，许多研究全面探讨了环境温度、海拔、喷射策略、压缩比等因素对柴油机冷启动过程的影响。人们认识到，高进气温度、高环境压力、优化的燃料喷射策略和高压缩比有利于冷启动性能。然而，主要因素对冷启动点火事件的影响机制尚未得到深入揭示，因为很少有研究基于三维（3D）多循环计算流体动力学（CFD）瞬态仿真来深入了解缸内燃料演变及随后的燃烧过程，这主要是由于缺乏高效和高精度的仿真模型。此外，为了更好地优化冷启动过程的实际控制并提高柴油机的瞬态性能，仍需研究和深入理解决定首次燃烧循环的基本因素。
在本研究中，为了克服这些障碍，基于KIVA@DUT代码建立了一个耗时少、三维、准瞬态、多循环的数值模型，以实现柴油机冷启动过程的高效仿真。借助该模型，详细数值研究了缸内燃料蒸汽和液态燃料膜的演变过程。揭示了附着在壁面上的燃料膜蒸发与缸内热力学状态之间的相互作用对燃烧行为的影响。此外，还评估了几种有助于在低温条件下启动柴油机的方法，包括进气加热、喷射事件调节和进气门管理。
