燃油預(yù)熱對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的研究

程浩

摘 要：柴油是由烷烴、烯烴和多環(huán)芳香烴組成的混合物，通過(guò)對(duì)流經(jīng)高壓油管的柴油進(jìn)行加熱，使其中部分成分達(dá)到過(guò)熱狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)噴霧的閃急沸騰效應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)柴油的霧化、蒸發(fā)和混合，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性并降低其有害污染物的排放。

關(guān)鍵詞：燃油預(yù)熱；柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有壓縮比大、燃料轉(zhuǎn)化為功的效率高、燃油消耗量低等優(yōu)點(diǎn)，一般汽車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)比相同功率排量的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)約燃料30%左右。

一、燃油預(yù)熱對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響

1.燃油溫度與燃油霧化效果。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放污染物的濃度都與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程由關(guān)系。影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的直接岡素很多，如燃油噴射霧化、進(jìn)氣系統(tǒng)和燃燒室形狀等，其中燃油霧化的質(zhì)量是最重要的影響因素。

噴油霧化質(zhì)量好的標(biāo)志是所噴出的油粒細(xì)小均勻，這樣可增大油粒與空氣接觸的總而積，使燃料蒸發(fā)和氧化進(jìn)行得較快，縮短著火延遲時(shí)期，有利于燃料迅速、完全地燃燒，提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。蓄壓管壓力及燃油在噴油器噴孔處的壓降，是決定燃油霧化質(zhì)量和油滴尺寸的主要因素。而蓄壓管壓力及燃油噴孔處壓降是受燃油彈性模量、粘度及表面張力直接影響的，燃油溫度間接對(duì)其產(chǎn)牛影響。但現(xiàn)代高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的噴油壓力極高，受燃油溫度影響的壓降率極小，其對(duì)噴霧的油滴尺寸、索特平均直徑的影響不顯著。在對(duì)燃油溫度的變化范圍20～260。C區(qū)間內(nèi)進(jìn)行燃油霧化特性研究過(guò)程中得到，燃油溫度的升高，使燃油的氣相轉(zhuǎn)換率提高，燃油的蒸發(fā)效果隨燃油溫度的升高而增大。

2.燃油溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放污染物濃度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定工況時(shí)，蓄壓管壓力、噴油量、噴油率等噴射參數(shù)都隨燃油溫度的增加而線性減小，燃油的霧化效果隨溫度升高而增強(qiáng)。由燃油溫度變化而產(chǎn)生變化的燃油噴射參數(shù)及蒸發(fā)效果會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒特性如：氣缸壓力、最高燃燒壓力、燃料放熱率等的變化。燃油溫度的升高引起噴油率減小，噴油器針閥開(kāi)啟持續(xù)時(shí)問(wèn)延長(zhǎng)，這一系列的連鎖變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒的著火延遲期滯后。由于燃料燃燒的滯燃期遲后，燃料開(kāi)始燃燒對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角延遲，在燃料燃燒釋放出最大燃燒壓力之前發(fā)動(dòng)機(jī)活塞已經(jīng)進(jìn)入下行階段，燃料燃燒速率減緩，主燃期延長(zhǎng)，因此降低了燃燒的最高壓力及最高溫度，同時(shí)引起發(fā)動(dòng)機(jī)排放溫度的升高。對(duì)燃油溫度與燃燒特性的關(guān)系進(jìn)行過(guò)論述中提到，燃油溫度升高，噴油器針閥開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒的滯燃期延遲。由于燃料燃燒的滯燃期遲后，燃料開(kāi)始燃燒對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角延遲，在燃料燃燒釋放出最大燃燒壓力之前發(fā)動(dòng)機(jī)活塞已經(jīng)進(jìn)入下行階段，燃燒的主燃期延長(zhǎng)，因此使燃燒的最高壓力P。及最高燃燒溫度乙。降低。同時(shí)燃油溫度升高，燃料霧化充分，燃燒徹底，但是燃料溫度升高也會(huì)造成噴油率和噴油量的減少，燃料燃燒所放出的總熱量降低，而使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率降低。

3.燃油溫度對(duì)燃油消耗率的影響。燃油溫度與噴油定時(shí)、噴霧特性和混合氣形成過(guò)程以及燃油結(jié)焦與否等因素密切相關(guān)，過(guò)高的燃油溫度不利于噴霧在軸向及徑向的發(fā)展，進(jìn)而影響缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比的合理分布，并導(dǎo)致噴油定時(shí)過(guò)分推遲。實(shí)際上，對(duì)在用機(jī)型通過(guò)高溫燃油噴射來(lái)改善其性能，存在著一個(gè)最佳的燃油溫度范圍，在此溫度范圍內(nèi)，可兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性與低排放性能。為了尋求受試發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃油溫度范圍，可通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)高溫燃油噴射霧化、蒸發(fā)及其混合氣形成過(guò)程進(jìn)行研究，以探討燃油熱強(qiáng)化的作用機(jī)理及其與燃燒參數(shù)的匹配關(guān)系。

二、燃油預(yù)熱優(yōu)化

1.燃油預(yù)熱溫度模型設(shè)計(jì)。燃油預(yù)熱溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的條件下，既可影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能，可影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。其現(xiàn)實(shí)意義極其明顯，當(dāng)車輛在巡航定速條件下，可通過(guò)干預(yù)燃油預(yù)熱溫度的方法，能夠改變發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，這種微調(diào)整策略能確保燃油消耗量不變的狀態(tài)下，保證車輛正常的巡航定速要求。因此，燃油預(yù)熱溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速之間的定量關(guān)系顯得尤為重要，也是進(jìn)行預(yù)熱燃油溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的物理基礎(chǔ)。

2.壓力升高率及其最大爆壓與實(shí)測(cè)值符合較好；尤其是在原機(jī)條件下，模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)示功圖之間具有良好的一致性。其他工況不同燃油溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程影響的計(jì)算結(jié)果表明，高溫燃油對(duì)燃燒過(guò)程的影響涉及噴油定時(shí)、噴霧形態(tài)、燃燒室濃度場(chǎng)分布，以及濃度場(chǎng)與流場(chǎng)相互作用等問(wèn)題，因此有必要開(kāi)展多參數(shù)優(yōu)化匹配的后續(xù)研究。適度高溫燃油噴射可以加快噴霧混合過(guò)程，增加可燃預(yù)混合氣的體積；然而燃油溫度過(guò)高則使可燃預(yù)混合氣的體積反而有所減少。才能有效改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低其污染物排放。

3.電加熱預(yù)熱方法。該方法是利用電熱絲直接加熱供油系統(tǒng)從而問(wèn)接加熱燃油的方法。加熱燃油的熱量來(lái)自于通電后的電熱絲、加熱帶等電器元件。由于供油系統(tǒng)高壓油管屬于熱與電的良導(dǎo)體，岡此在保證電熱絲與高壓油管之間形成可靠絕緣的前提下，還要確保電熱絲的熱量能夠高效的輸送至高壓油管內(nèi)部并迅速的加熱流經(jīng)的燃油。利用功率換算能夠得到電熱絲阻值，選取適當(dāng)阻值的電熱絲。試驗(yàn)時(shí)，使用云母布等絕緣材料均勻緊密纏繞在高壓油管外表面，再將套裝有玻璃纖維管的電熱絲纏繞在已經(jīng)包有云母布的高壓油管外側(cè)。最后在電熱絲外包裹一層石棉布或者玻璃纖維布來(lái)減少熱量散失。因此采用測(cè)量范圍大、溫度敏感度高的鉑電阻溫度傳感器。由于要測(cè)量高壓油管內(nèi)的燃油溫度，因此要在高壓油管上安裝溫度傳感器座，以保證在能夠準(zhǔn)確探測(cè)燃油溫度的同時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象而影響供油壓力。

本文的所采集數(shù)據(jù)有：發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量、燃油消耗率和排放污染物的光吸收系數(shù)。就采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得出柴油溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響的趨勢(shì)，因此在進(jìn)一步的研究當(dāng)中應(yīng)對(duì)噴油壓力、噴油正時(shí)，噴油持續(xù)期、噴油量、噴油率、氣缸壓力、噴霧錐角、噴霧貫穿距離等一些列參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完善發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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