二甲醚與生物柴油噴射過程試驗(yàn)研究

侯軍興，文振華，劉元朋，蔣志強(qiáng)，喬信起

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭 州 450015；2.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

隨著汽車保有量的不斷增加和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，發(fā)展清潔能源成為當(dāng)前能源與環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。二甲醚和生物柴油均為柴油機(jī)清潔代用燃料。二甲醚資源豐富，燃燒和排放特性好；生物柴油來源廣泛，可由種類眾多的動(dòng)植物成分以及藻類物質(zhì)制備而成，并且可以直接應(yīng)用于柴油機(jī)，受到各國研究人員的廣泛關(guān)注。國外對(duì)二甲醚和生物柴油的噴霧、燃燒及其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究［1－7］。國內(nèi)上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校都開展了柴油機(jī)燃用二甲醚或生物柴油的研究［8－9］。

燃油系統(tǒng)是壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，其噴射特性直接影響到燃油噴霧與燃燒特性以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能。二甲醚和生物柴油的理化特性相差懸殊，會(huì)對(duì)噴油系統(tǒng)內(nèi)部的液力過程產(chǎn)生影響，如密度影響油管壓力的建立速度和峰值，黏度影響油管壓力的相位。雖然國內(nèi)外對(duì)二甲醚和生物柴油的噴霧和燃燒特性進(jìn)行了相關(guān)研究，但尚未涉及兩者的噴射特性對(duì)比研究。本研究采用共軌噴射系統(tǒng)，比較分析了二甲醚和生物柴油的噴射過程，包括噴油規(guī)律、高壓油管壓力等，考察了噴射壓力、噴射脈寬對(duì)其的影響。

1 測試裝置

在噴油泵試驗(yàn)臺(tái)上搭建共軌系統(tǒng)噴油過程測試裝置（見圖1）。由于二甲醚常溫常壓下為氣態(tài)，飽和蒸氣壓較高，因此需通過低壓泵和溢流閥使低壓供給系統(tǒng)壓力保持在1.5MPa左右，消除燃料系統(tǒng)中的氣阻。燃料輸送罐中的二甲醚在低壓泵的作用下以液態(tài)進(jìn)入高壓泵，經(jīng)高壓泵增壓后通向共軌，再通過電控噴油器進(jìn)行噴射。電控噴油器噴嘴為7×0.17mm，啟噴壓力為17MPa。在高壓油管軌端和嘴端各裝有1個(gè)油管壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測油管軌端壓力和嘴端壓力。試驗(yàn)中，高壓泵轉(zhuǎn)速保持為500r／min。

噴油器安裝在長管法噴油速率儀上，用壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀采集長管內(nèi)噴射壓力波，由此計(jì)算噴油速率。噴油器的回油通過回油接頭與高壓泵回到燃料輸送罐里；燃料輸送罐放置在高精度電子天平上，用來實(shí)測循環(huán)噴油量。燃料通過長管后進(jìn)入燃料收集罐回收以便循環(huán)使用。測試參數(shù)包括長管內(nèi)壓力、油管嘴端壓力、噴油器電磁閥電流信號(hào)；采樣頻率為50kHz。試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度使示波器上顯示的長管壓力信號(hào)在1個(gè)循環(huán)間隔內(nèi)出現(xiàn)4個(gè)波形，然后測試單次噴油過程各參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 軌壓對(duì)噴油過程的影響

與生物柴油相比，二甲醚沸點(diǎn)低，容易霧化和蒸發(fā)，因此所需的噴射壓力較低，文獻(xiàn)［10］與文獻(xiàn)［11］中研究二甲醚噴霧特性和燃燒特性時(shí)均采用50MPa軌壓。本研究采用了高壓共軌系統(tǒng)，其高壓泵體與柱塞的間隙是根據(jù)燃用柴油設(shè)計(jì)的，如果軌壓過高，二甲醚的泄漏量較大，綜合考慮，研究二甲醚和生物柴油的噴射過程時(shí)軌壓采用40MPa，50MPa與60MPa。

圖2示出了軌壓對(duì)噴油速率的影響，噴射脈寬為1.6ms，軌壓分別為40MPa與60MPa。由圖可知，兩種燃料的噴油規(guī)律近似為梯形，當(dāng)針閥完全開啟后，噴油速率圍繞一個(gè)值波動(dòng)。與生物柴油相比，二甲醚的噴油始點(diǎn)明顯要晚，噴油終點(diǎn)延后，噴油持續(xù)期明顯延長，最大噴油速率略增加。由于液態(tài)二甲醚密度、彈性模量和黏度較低，壓縮性比生物柴油大得多，因此二甲醚的噴油速率在噴油持續(xù)期整個(gè)過程呈現(xiàn)密集的波動(dòng)現(xiàn)象，并且使噴油始點(diǎn)及終點(diǎn)延后，噴油持續(xù)期延長。

對(duì)于同一種燃料，軌壓由40MPa增加到60MPa，開始噴射后，噴油速率曲線上升段變陡，噴油速率峰值增加。由于軌壓升高，針閥開啟速度變快，在較短時(shí)間內(nèi)迅速完全開啟，噴油速率迅速增加。軌壓提高，噴油速率在噴油持續(xù)期的波動(dòng)變大；這是由于軌壓升高，共軌內(nèi)壓力波動(dòng)幅度變大，從而影響噴油速率波形穩(wěn)定性，使其波動(dòng)變大。

圖3示出了軌壓對(duì)嘴端油管壓力的影響。由圖可知，兩種燃料的嘴端油管壓力波形相似，均為先下降再上升，達(dá)到最大值后開始波動(dòng)，波峰隨時(shí)間逐漸衰減。生物柴油的嘴端壓力波動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，電磁閥觸發(fā)后20ms，嘴端壓力幾乎沒有波動(dòng)；二甲醚的嘴端壓力波動(dòng)幅度小，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間長，電磁閥觸發(fā)后30ms仍存在波動(dòng)。這是由于二甲醚的壓力波在油管中傳播的聲速較低，波峰衰減速度慢，所以壓力波持續(xù)時(shí)間長。

對(duì)于同一種燃料，軌壓由40MPa升高為60MPa，噴射引起的嘴端壓力下降幅度變大；噴射結(jié)束后，嘴端壓力各波峰的峰值變大，其相位均提前。由于脈寬一致，軌壓升高，噴射量增加，嘴端壓力下降幅度大，壓力波動(dòng)幅度加大；所以軌壓60MPa時(shí)，各波峰的峰值均比40MPa時(shí)對(duì)應(yīng)峰的峰值大。軌壓升高，燃油密度增加，聲速增大，各波峰的相位均比40MPa時(shí)對(duì)應(yīng)峰的相位提前。

圖4比較了二甲醚和生物柴油在60MPa軌壓，1.6ms脈寬下的嘴端油管壓力。由圖可知整個(gè)噴射過程包括以下幾個(gè)階段：階段1，嘴端壓力緩慢下降，噴油器電磁閥通電后，電磁閥銜鐵升起，泄流節(jié)流孔開啟，控制室內(nèi)的燃油通過泄油節(jié)流孔流出，控制室內(nèi)的燃油壓力降低；階段2，嘴端壓力迅速下降，電磁閥打開后，開始噴油，導(dǎo)致嘴端壓力快速下降；階段3，嘴端壓力在1個(gè)低值附近波動(dòng)；此時(shí)噴油速率在最高值附近波動(dòng)；階段4，噴油停止后，水擊效應(yīng)使嘴端壓力上升，達(dá)到最高值；階段5，燃油中的壓力波在高壓油管中以聲速反復(fù)傳播，壓力波峰值逐漸減小。二甲醚和生物柴油嘴端油管壓力的差別主要有：1）噴射引起嘴端油管壓力下降，二甲醚的嘴端壓力下降幅度比生物柴油?。A段3）；2）噴射結(jié)束后水擊效應(yīng)引起嘴端壓力上升，二甲醚的嘴端壓力最大峰值小于生物柴油，其相位延后（階段4）；3）二甲醚的油管壓力波峰值衰減速度慢，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間長（階段5）。

2.2 噴射脈寬對(duì)噴油過程的影響

圖5示出了噴射脈寬對(duì)噴油速率的影響，軌壓為50MPa，噴射脈寬分別為1.2ms和1.6ms。由圖可知，兩個(gè)脈寬下二甲醚的噴油始點(diǎn)、噴油終點(diǎn)都比生物柴油延后，噴油持續(xù)期延長，最大噴油速率略增加。對(duì)于同一燃料，噴射脈寬增大，噴油始點(diǎn)一致；開始噴射后，噴油速率上升一致，最大噴油速率基本不變，噴油持續(xù)期明顯變長，噴油量增加。結(jié)合圖2可知，對(duì)噴油速率大小起主導(dǎo)作用的是軌端壓力，噴射脈寬主要影響噴油持續(xù)期，二者有機(jī)結(jié)合，便可靈活地控制噴油規(guī)律，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

圖6示出了噴射脈寬對(duì)嘴端壓力的影響。由圖可知，對(duì)于同一種燃料，脈寬由1.2ms增加為1.6ms時(shí)，嘴端壓力開始下降的時(shí)刻一致，嘴端壓力第一峰值略增加，相位延后。

由于同樣的噴射壓力下噴油器針閥開啟時(shí)刻一致，脈寬對(duì)其無影響，所以嘴端壓力下降時(shí)刻一致。脈寬增加，噴射持續(xù)期延長，噴射量加大，造成噴油結(jié)束時(shí)嘴端壓力第一峰峰值增加；噴油器針閥關(guān)閉較晚，所以第一峰值相位延后。

3 結(jié)論

a）與生物柴油相比，二甲醚的噴油始點(diǎn)較晚，噴油終點(diǎn)延后，噴油持續(xù)期明顯延長，噴油速率的峰值略增加，噴油速率在噴油持續(xù)期波動(dòng)變大；

b）二甲醚和生物柴油的嘴端油管壓力波形相似，均為先下降再上升，達(dá)到最大值后開始波動(dòng)，波峰隨時(shí)間逐漸衰減；開始噴射后，二甲醚的嘴端壓力下降比生物柴油平緩；噴射結(jié)束后，二甲醚的嘴端壓力最大峰值小于生物柴油，但嘴端壓力波峰衰減速度慢，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間長；

c）對(duì)于同一燃料，軌壓增加，噴油速率曲線上升段變陡，噴油速率峰值增加；噴油速率在噴油持續(xù)期的波動(dòng)變大；軌壓增加，噴射引起的嘴端壓力下降幅度變大；噴射結(jié)束后，嘴端壓力各波峰的峰值變大，其相位均提前；

d）對(duì)于同一燃料，噴射脈寬增大，噴油始點(diǎn)一致，最大噴油速率基本不變，噴油持續(xù)期明顯增加；脈寬增大，嘴端壓力開始下降的時(shí)刻一致；壓力第一峰值略增加，相位延后。

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