燃油預(yù)熱對柴油汽車發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的研究

劉德東 王家璐 王宇 王思淼

【摘?要】對比汽油機(jī)和柴油機(jī)的發(fā)展?jié)摿?，柴油機(jī)具有更大的優(yōu)勢。柴油機(jī)小但能夠用于重型載貨汽車、超重型載貨汽車，而且在輕型載貨汽車、轎車上的應(yīng)用也越來越普及。在低溫條件下，柴油汽車發(fā)動機(jī)存在運(yùn)行狀況不佳、燃油經(jīng)濟(jì)性差的特征。依據(jù)熱力學(xué)原理，利用柴油發(fā)動機(jī) 正常工作時(shí)循環(huán)系統(tǒng)的高溫循環(huán)水，通過燃油預(yù)熱裝置使其與即將噴入發(fā)動機(jī)燃燒室的柴油預(yù)先進(jìn)行熱交換燃油預(yù)熱，并利用FC2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)，對柴油汽車發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行臺架試驗(yàn)，對燃油消耗量隨溫度變化特性 進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了柴油汽車發(fā)動機(jī)最佳預(yù)熱溫度范圍。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機(jī);柴油預(yù)熱;燃油經(jīng)濟(jì)性

引言

柴油發(fā)動機(jī)具有壓縮比大、燃料轉(zhuǎn)化為功的效率高、耗油少等優(yōu)點(diǎn)，在通常情況下，發(fā)動機(jī)燃燒燃油所產(chǎn)生的熱量除正常做功外，大多被循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水帶至散熱器而白白浪費(fèi)掉，并沒有被高效利用。鑒于此，本研究利用發(fā)動機(jī)循環(huán)系統(tǒng)水套中 80。C-90。C的循環(huán)水，通過一種特殊的燃油預(yù)熱裝置，將噴入氣缸前的燃油在燃油預(yù)熱裝置中與高溫循環(huán)水進(jìn)行熱交換，進(jìn)而提高柴油的流動性及霧化效果，改善柴油發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能減排目的。

一、柴油機(jī)燃油預(yù)熱裝置的工作原理

本研究運(yùn)用工程熱力學(xué)原理，在尋求柴油汽車發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳目標(biāo)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的燃油預(yù)熱裝置。這種燃油預(yù)熱裝置，不同于以往其他的燃油預(yù)熱裝置，它不消耗動能或電能，只是利用發(fā)動機(jī)循環(huán)系統(tǒng)水套中80℃-90℃循環(huán)水的熱量，將燃油在預(yù)熱裝置中與高溫循環(huán)水進(jìn)行熱交換。該裝置安裝在柴油發(fā)動機(jī)的供油系統(tǒng)中，在燃油供給管路上對燃油進(jìn)行預(yù)加熱，使噴入發(fā)動機(jī)氣缸前的燃油溫度能夠保持在某一特定的溫度范圍，而這一溫度范圍應(yīng)該是發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的溫度范圍。通過發(fā)動機(jī)的臺架試驗(yàn)測試，尋找燃油溫度與發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系特性，尋求柴油機(jī)發(fā)動機(jī)燃油燃燒最佳溫度范圍。并通過在燃油預(yù)熱裝置上加裝溫度傳感器和溫度開關(guān)控制閥，來實(shí)現(xiàn)對預(yù)定溫度范圍的調(diào)整、控制。在交換過程中，不適宜無限制地進(jìn)行熱量熱交換，燃油溫度也不適宜高于臨界值以上，因燃油溫度過高反而會使燃油經(jīng)濟(jì)性下降，因此，需要對燃油預(yù)熱裝置進(jìn)行溫度控制。

二、柴油發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性臺架測試實(shí)驗(yàn)

將燃油預(yù)熱裝置安裝在柴油發(fā)動機(jī)臺架的供油系統(tǒng)上，將燃油溫度人為控制在30℃-80℃之間，通過改變進(jìn)入燃油 預(yù)熱裝置（熱交換器）循環(huán)水的流速、流量，進(jìn)而在逐步升溫的條件下，進(jìn)行燃油消耗量隨溫度變化特性實(shí)驗(yàn)，通過FC2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圍繞柴油發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能，進(jìn)行相應(yīng)測試實(shí)驗(yàn)。

1、相同轉(zhuǎn)速下燃油消耗量隨溫度變化特性。利用燃油預(yù)熱裝置，逐步提高噴入發(fā)動機(jī)汽缸前的燃油溫度，柴油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速同為1800r/min，轉(zhuǎn)矩分 別為80N.m和100N.m的特定條件下，燃油消耗量隨燃油預(yù)熱溫度變化的特性曲線。在柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為 1800r/min，轉(zhuǎn)矩為80 N.m的條件下，利用燃油預(yù)熱裝置，逐步提高噴入發(fā)動機(jī)汽缸前的燃油溫度（30℃-80℃），燃油消耗量從4.549 kg/h 降至3.765 kg/h，降幅達(dá) 17.2%?？梢钥闯?，在柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min，轉(zhuǎn)矩 為100N.m的條件下，利用燃油預(yù)熱裝置，逐步提高噴入發(fā)動機(jī) 汽缸前的燃油溫度（30℃-80℃），燃油消耗量從5.226kg/h降至4.651kg/h，降幅達(dá)11. 0%。可見，在柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變，轉(zhuǎn)矩不同的條件下，逐步提高噴入發(fā)動機(jī)汽缸前的燃油溫度，柴油發(fā)動機(jī)燃油消耗量均有所下降，且降幅比較明顯。

2、不同轉(zhuǎn)速下燃油消耗量隨溫度變化特性。

盡管利用燃油預(yù)熱裝置，逐步提高噴入柴油發(fā)動機(jī)汽缸前的燃油溫度，發(fā)動機(jī)的燃油消耗量會有一定程度的降低。但發(fā)動機(jī)燃油消耗量隨溫度變化的特性是否呈線性規(guī)律特征，通過不同轉(zhuǎn)速下燃油消耗量隨溫度變化特性實(shí)驗(yàn)來具體分析一下。在不同轉(zhuǎn)速條件下，燃油消耗量隨燃油溫度變化特性曲線并非呈線性特征，曲線有最低點(diǎn)拐點(diǎn)，且最低點(diǎn)在42℃左右附近范圍。

三、柴油發(fā)動機(jī)預(yù)熱方法

1、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)從而問接加熱燃油的方法，是燃油溫度試驗(yàn)中最為常用的燃油加熱手段。

（1）加熱單元。加熱燃油的熱量來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減少熱量散失。根據(jù)試驗(yàn)需求將多根電熱絲串聯(lián)或者并聯(lián)在一起，用以實(shí)現(xiàn)不同的加熱溫度。

（2）測溫單元。測溫單元由鉑電阻溫度傳感器、防護(hù)套筒、溫度傳感器顯示表以及高壓油管溫度傳感器安裝座組成。使用電熱絲加熱燃油的加熱溫度范圍都比較大，一般在20—350℃，因此采用測量范圍大、溫度敏感度高的鉑電阻溫度傳感器。由于要測量高壓油管內(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)確探測燃油溫度的同時(shí)，不會出現(xiàn)漏油現(xiàn)象而影響供油壓力。

2、尾氣加熱預(yù)熱法。該方法是利用發(fā)動機(jī)尾氣的高溫為燃油進(jìn)行加熱的方法，利用發(fā)動機(jī)排氣余熱為燃油加熱需要對發(fā)動機(jī)供油裝置的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，如提高輸油泵壓力，增加供油量，并在輸油泵出油口位置增加一個(gè)回油。增大輸油泵的供油量，在保證正常為發(fā)動機(jī)供油的同時(shí)，增量部分將通過輸油泵的回出油口流經(jīng)加熱油管后回到油箱。將由回出油口引出的加熱油管以螺旋形式緊密地纏繞在發(fā)動機(jī)排氣管外側(cè)，使其充分的與排氣管接觸。為了更好的吸收排氣熱量可將加熱油管做成管片狀包裹于排氣管周圍，同時(shí)用保溫材料將加熱油管進(jìn)行包裹，最大程度的吸收排氣管的熱量，減少熱量損失。最后將加熱油管接回油箱，以達(dá)到給油箱內(nèi)燃油加熱的目的。使用發(fā)動機(jī)排出的高溫氣體加熱燃油，既節(jié)省了蓄電池的電量，又充分利用的發(fā)動機(jī)余熱。但其存在的不足是：改動發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會造成發(fā)動機(jī)供油量不足，影響發(fā)動機(jī)正常的動力輸出;并且該方法需要在汽車結(jié)構(gòu)上添加人量金屬管件，嚴(yán)重的增加了汽車的負(fù)載;發(fā)動機(jī)排氣溫度極高，可達(dá)到600℃以上，單純使用排放排氣的熱量來加熱油箱內(nèi)的燃油，無法控制燃油溫度，不僅危險(xiǎn)程度加大，而且無法達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)效果。

四、燃油預(yù)熱對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響

1、燃油溫度與燃油霧化效果。發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放污染物的濃度都與發(fā)動機(jī)的燃燒過程由關(guān)系。影響發(fā)動機(jī)燃燒過程的直接岡素很多，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，其對噴霧的油滴尺寸、索特平均直徑的影響不顯著。在對燃油溫度的變化范圍20～260℃區(qū)間內(nèi)進(jìn)行燃油霧化特性研究過程中得到，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)動機(jī)燃燒特性。發(fā)動機(jī)的燃燒特性直接影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放污染物濃度。當(dāng)發(fā)動機(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，噴油器針閥開啟持續(xù)時(shí)問延長，這一系列的連鎖變化導(dǎo)致發(fā)動機(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，燃料開始燃燒對應(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，因此降低了燃燒的最高壓力及最高溫度，同時(shí)引起發(fā)動機(jī)排放溫度的升高。對燃油溫度與燃燒特性的關(guān)系進(jìn)行過論述中提到，燃油溫度升高，噴油器針閥開啟持續(xù)時(shí)間延長，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃料燃燒的滯燃期延遲。由于燃料燃燒的滯燃期遲后，燃料開始燃燒對應(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)動機(jī)活塞已經(jīng)進(jìn)入下行階段，燃燒的主燃期延長，因此使燃燒的最高壓力及最高燃燒溫度降低。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)動機(jī)的有效功率降低。

3、燃油溫度對燃油消耗率的影響。燃油溫度與噴油定時(shí)、噴霧特性和混合氣形成過程以及燃油結(jié)焦與否等因素密切相關(guān)，過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)過分推遲。實(shí)際上，對在用機(jī)型通過高溫燃油噴射來改善其性能，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)動機(jī)的最佳燃油溫度范圍，可通過數(shù)值模擬計(jì)算對高溫燃油噴射霧化、蒸發(fā)及其混合氣形成過程進(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。

結(jié)論

由此可見，柴油發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性隨燃油預(yù)熱溫度的提高而有一定的改善。在柴油發(fā)動機(jī)不同的轉(zhuǎn)速條件下，分別進(jìn)行燃油消耗量隨燃油預(yù)熱溫度變化的特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明特性曲線呈現(xiàn)出非常相近的最低燃油消耗量值，最低值點(diǎn)在42℃左右附近范圍。

1、通過燃油預(yù)熱裝置對燃油預(yù)加熱，柴油發(fā)動機(jī)燃油消耗量有一定程度的下降。

2、如果將柴油發(fā)動機(jī)燃油預(yù)熱溫度持續(xù)提高，燃油消耗量并非呈現(xiàn)線性遞減的趨勢，在預(yù)熱溫度超過某一特定溫度范圍時(shí)，燃油消耗量反而會呈上升趨勢。

3、在進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)的特定工況下，燃油消耗量隨溫度變化的特征曲線最低點(diǎn)（拐點(diǎn)）溫度值在 42℃左右附近范圍。

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（作者單位：遼寧工業(yè)大學(xué)）