基于柴油預熱的發動機性能試驗研究

基于柴油預熱的發動機性能試驗研究

李心月，崔淑華*

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

摘要：針對低溫氣候條件下柴油發動機的使用問題，進行了不同柴油預熱溫度的發動機選定轉速下的負荷特性試驗、全負荷速度特性試驗，并結合發動機性能試驗進行了排氣可見污染物的不透光度試驗。試驗結果的分析表明，柴油預熱對發動機在試驗條件下的動力性、燃料經濟性、排氣污染物濃度均有所改善；但發動機的動力性、燃料經濟性、排氣污染物濃度的改善與對應的柴油預熱溫度存在差別。

關鍵詞：柴油；預熱；動力性；經濟性；排氣污染物濃度

中圖分類號：S 776；TK 423

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0112-04

Abstract：According to the use of diesel engine on the condition of cold climate，the load characteristic test and full load speed characteristic test were conducted under selected engine speed with different diesel preheating temperature，and visible exhaust pollutant opacity test was carried out in combination with the engine performance test.The results showed that diesel preheat can improve power performance，fuel economy，and exhaust pollutant concentrations under the condition of engine tests，but the improvement of engine power，fuel economy，and exhaust pollutant concentrations could be different corresponding to different diesel preheat temperature.

Keywords：diesel；preheat；power performance；economy；exhaust pollutant concentration

收稿日期：2014-12-03

基金項目：黑龍江省交通運輸廳重點科技項目(黑龍江省道路運輸業節能減排評價方法研究)

作者簡介：第一李心月，碩士研究生。研究方向：汽車節能減排技術。

通訊作者：*崔淑華，教授。研究方向：汽車節能減排技術。

Study on Power Performance of Engine Based on Diesel Preheat

Li Xinyue，Cui Shuhua*

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

E-mail：csh1218@163.com

引文格式：李心月，崔淑華.基于柴油預熱的發動機性能試驗研究[J].森林工程，2015，31(2)：112-115.

隨著柴油發動機的廣泛應用，與柴油發動機相關的技術研究日益增多。由于受柴油低溫流動性的影響，出現了寒冷地區柴油發動機冷啟動困難等問題[1-3]，因此，提高柴油發動機冷啟動性能的瞬態工況的試驗與技術研究工作在國內外受到廣泛關注[4-5]，以柴油預熱對發動機冷啟動性能影響的研究居多[6-7]。針對穩態工況下柴油溫度對發動機性能影響的試驗與研究較少。本文通過不同柴油預熱溫度下的發動機基本性能試驗，對穩態工況下，不同柴油預熱溫度對發動機動力性、燃油經濟性、排氣污染物濃度的影響進行了分析。

1發動機性能對比試驗

試驗在某排量為2.771L四缸水冷增壓發動機上進行，該發動機采用高壓共軌燃油供給系統，壓縮比為17；試驗用油為-35號車用柴油；試驗用柴油預熱裝置為自制恒溫水浴加熱器，其結構組成包括水箱、加熱管、溫度傳感器和繼電器等，水箱可進行恒溫控制。柴油加熱管為銅質螺旋狀，置于恒溫水浴中，兩端分別與發動機高壓燃油管連接，如圖1和圖2所示。

圖1　柴油預熱裝置結構示意圖 Fig.1 Chart of diesel preheating device

試驗內容為不同柴油預熱溫度下的發動機全負荷速度特性及負荷特性。試驗用柴油均為經-30℃低溫儲存后，再經柴油預熱裝置預熱。試驗過程中，柴油預熱裝置恒溫水浴的溫度分別控制在50、60、70、80及90℃，溫差為±2℃；試驗燃油溫度為發動機高壓油管末端即噴油器入口燃油溫度的實測值。發動機全負荷速度特性試驗的轉速區間設定為900～3 000 r/min，采樣間隔為300 r/min，采集數據為發動機輸出的功率、轉矩、燃油消耗量、燃油消耗率等。發動機的負荷特性試驗的轉速為2 400 r/min，設定的負荷區間為發動機轉矩為20～160 N·m，采樣間隔為20 N·m，采集數據為發動機輸出的功率、轉矩、燃油消耗量、燃油消耗率等，同時測量不同負荷工況的排氣可見污染物的不透光度。

圖2　試驗裝置示意圖 Fig.2 Chart of test device

2發動機全負荷速度特性試驗結果及分析

由圖3可以看出，柴油預熱溫度為50℃左右時，發動機輸出功率整體呈現出略高趨勢，在發動機處于中低轉速工況時功率增加更為明顯。柴油預熱溫度為50℃時的發動機輸出功率與其他柴油預熱溫度下的發動機輸出功率的對比結果見表1。

表1　柴油預熱溫度50℃時發動機功率最大變化 Tab.1 Maximum change of engine power with diesel preheating temperature of 50 ℃

發動機的輸出功率隨著柴油溫度的升高呈現先增長后下降的趨勢，這與柴油物理性能隨溫度的變化有一定相關性，如柴油的蒸發性會隨溫度的升高變好，但密度會隨著溫度升高而變小。柴油溫度低，霧化不好，影響混合氣形成質量和燃燒效果，使發動機輸出功率略有下降[8]。而燃油的溫度和密度不是決定發動機噴油量的參數[9]，即發動機的噴油壓力、噴油步長保持正常，噴射柴油的體積不變，溫度升高時，燃油密度減小，混合氣濃度偏稀，因而也會影響發動機的輸出功率。

3發動機負荷特性試驗結果及分析

由圖4和圖5可以看出，在發動機試驗轉速下，在負荷范圍內，隨著柴油預熱溫度的升高，發動機的燃料消耗量和燃料消耗率總體呈下降趨勢，且在低負荷時較為明顯；柴油預熱后，燃料消耗量和燃料消耗率均比柴油溫度為20℃時的有所降低；柴油預熱溫度為70℃左右時，發動機的燃料消耗量和燃料消耗率在多數負荷下略低于其他柴油預熱溫度。

圖3　不同柴油溫度的發動機全負荷速度特性試驗結果 Fig.3 Results of engine full load speed characteristics test with different diesel temperatures

圖4　發動機負荷特性燃油消耗量試驗結果 Fig.4 Results of fuel consumption test of engine load characteristics

柴油預熱溫度為70℃時發動機燃料消耗量和燃料消耗率與其他柴油預熱溫度下的發動機燃料消耗量和燃料消耗率對比結果見表2。

表2　柴油預熱溫度70℃時發動機燃料消耗率最大變化 Tab.2 Maximum change of fuel consumption rate with diesel preheating temperature of 70 ℃

圖5　發動機負荷特性燃料消耗率試驗結果 Fig.5 Results of fuel consumption rate test of engine load characteristics

燃油溫度升高使得燃油的密度降低，噴油器孔內流動的空穴程度增大[10]，即相同體積的噴油量折算的燃油質量減少，但由于燃油溫度的升高，使其蒸發性和霧化性變好，燃料燃燒完全，相同轉速的負荷變化不大，所以發動機的燃料消耗率有所降低。當燃油預熱溫度繼續增加時，由于受柴油密度與溫度關系的影響，會導致發動機的混合氣濃度過稀，動力性下降，發動機自動調節增加供油量，使相同負荷下的燃料消耗量增加[11]。

4發動機排氣污染物濃度試驗結果及分析

結合發動機負荷特性試驗，進行了不同負荷下發動機排氣污染物不透光度試驗，試驗結果如圖6。

由圖6可知，隨著柴油預熱溫度的升高，發動機排氣污染物的不透光度在負荷變化范圍內基本呈現下降趨勢，表明燃油溫度的升高，可以在一定程度上減少發動機污染物的生成與排放[12]。溫度升高使燃油的蒸發性和霧化性變好，這是混合氣質量提高和發動機燃燒完全的主要原因，因此，發動機排放污染物含量有所減少。但是，柴油預熱溫度過高時，由于受柴油密度與溫度關系的影響，會導致發動機的混合氣濃度過稀，反而會使發動機排氣污染物的濃度的升高。

圖6　發動機排氣污染物濃度試驗結果 Fig.6 Results of engine exhaust pollutant concentration test

5結論

基于本文對不同柴油預熱溫度對發動機基本性能影響的試驗結果與分析，表明柴油預熱后，發動機在試驗條件下的動力性、燃料經濟性、排氣污染物濃度均有所改善；但發動機的動力性、燃料經濟性、排氣污染物濃度的改善與柴油預熱溫度的關聯性及其規律存在差別；理想的柴油預熱溫度范圍還需在理論分析的基礎上，通過大量試驗與影響因素分析綜合確定。

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[責任編輯：李洋]