燃油預熱對柴油機經濟性影響的研究

程浩

摘 要：柴油是由烷烴、烯烴和多環芳香烴組成的混合物，通過對流經高壓油管的柴油進行加熱，使其中部分成分達到過熱狀態，即可實現噴霧的閃急沸騰效應，進而促進柴油的霧化、蒸發和混合，改善發動機燃燒特性并降低其有害污染物的排放。

關鍵詞：燃油預熱；柴油機經濟性

柴油發動機具有壓縮比大、燃料轉化為功的效率高、燃油消耗量低等優點，一般汽車用柴油發動機比相同功率排量的汽油發動機節約燃料30%左右。

一、燃油預熱對柴油機經濟性影響

1.燃油溫度與燃油霧化效果。發動機的動力性、經濟性和排放污染物的濃度都與發動機的燃燒過程由關系。影響發動機燃燒過程的直接岡素很多，如燃油噴射霧化、進氣系統和燃燒室形狀等，其中燃油霧化的質量是最重要的影響因素。

噴油霧化質量好的標志是所噴出的油粒細小均勻，這樣可增大油粒與空氣接觸的總而積，使燃料蒸發和氧化進行得較快，縮短著火延遲時期，有利于燃料迅速、完全地燃燒，提高柴油機的動力性和經濟性。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牛影響。但現代高壓共軌電控燃油噴射系統的噴油壓力極高，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。C區間內進行燃油霧化特性研究過程中得到，燃油溫度的升高，使燃油的氣相轉換率提高，燃油的蒸發效果隨燃油溫度的升高而增大。

2.燃油溫度與發動機燃燒特性。發動機的燃燒特性直接影響發動機的動力性、經濟性及排放污染物濃度。當發動機處于穩定工況時，蓄壓管壓力、噴油量、噴油率等噴射參數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。由燃油溫度變化而產生變化的燃油噴射參數及蒸發效果會導致缸內燃燒特性如：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時問延長，這一系列的連鎖變化導致發動機燃料燃燒的著火延遲期滯后。由于燃料燃燒的滯燃期遲后，燃料開始燃燒對應的曲軸轉角延遲，在燃料燃燒釋放出最大燃燒壓力之前發動機活塞已經進入下行階段，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，同時引起發動機排放溫度的升高。對燃油溫度與燃燒特性的關系進行過論述中提到，燃油溫度升高，噴油器針閥開啟持續時間延長，導致發動機燃料燃燒的滯燃期延遲。由于燃料燃燒的滯燃期遲后，燃料開始燃燒對應的曲軸轉角延遲，在燃料燃燒釋放出最大燃燒壓力之前發動機活塞已經進入下行階段，燃燒的主燃期延長，因此使燃燒的最高壓力P。及最高燃燒溫度乙。降低。同時燃油溫度升高，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，而使發動機的有效功率降低。

3.燃油溫度對燃油消耗率的影響。燃油溫度與噴油定時、噴霧特性和混合氣形成過程以及燃油結焦與否等因素密切相關，過高的燃油溫度不利于噴霧在軸向及徑向的發展，進而影響缸內混合氣當量比的合理分布，并導致噴油定時過分推遲。實際上，對在用機型通過高溫燃油噴射來改善其性能，存在著一個最佳的燃油溫度范圍，在此溫度范圍內，可兼顧發動機的燃油經濟性與低排放性能。為了尋求受試發動機的最佳燃油溫度范圍，可通過數值模擬計算對高溫燃油噴射霧化、蒸發及其混合氣形成過程進行研究，以探討燃油熱強化的作用機理及其與燃燒參數的匹配關系。

二、燃油預熱優化

1.燃油預熱溫度模型設計。燃油預熱溫度在發動機轉速不變的條件下，既可影響著發動機的輸出性能，可影響發動機排放性能。其現實意義極其明顯，當車輛在巡航定速條件下，可通過干預燃油預熱溫度的方法，能夠改變發動機的輸出功率，這種微調整策略能確保燃油消耗量不變的狀態下，保證車輛正常的巡航定速要求。因此，燃油預熱溫度與發動機的輸出功率和轉速之間的定量關系顯得尤為重要，也是進行預熱燃油溫度控制系統設計的物理基礎。

2.壓力升高率及其最大爆壓與實測值符合較好；尤其是在原機條件下，模擬計算與實測示功圖之間具有良好的一致性。其他工況不同燃油溫度對發動機燃燒過程影響的計算結果表明，高溫燃油對燃燒過程的影響涉及噴油定時、噴霧形態、燃燒室濃度場分布，以及濃度場與流場相互作用等問題，因此有必要開展多參數優化匹配的后續研究。適度高溫燃油噴射可以加快噴霧混合過程，增加可燃預混合氣的體積；然而燃油溫度過高則使可燃預混合氣的體積反而有所減少。才能有效改進發動機的熱效率，降低其污染物排放。

3.電加熱預熱方法。該方法是利用電熱絲直接加熱供油系統從而問接加熱燃油的方法。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。由于供油系統高壓油管屬于熱與電的良導體，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部并迅速的加熱流經的燃油。利用功率換算能夠得到電熱絲阻值，選取適當阻值的電熱絲。試驗時，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包有云母布的高壓油管外側。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。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，以保證在能夠準確探測燃油溫度的同時，不會出現漏油現象而影響供油壓力。

本文的所采集數據有：發動機功率、轉矩、燃油消耗量、燃油消耗率和排放污染物的光吸收系數。就采集到的試驗數據可以分析得出柴油溫度對發動機的性能影響的趨勢，因此在進一步的研究當中應對噴油壓力、噴油正時，噴油持續期、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進行數據采集，完善發動機性能試驗數據。

參考文獻

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