噴油壓力對混合燃料燃燒影響的試驗

熊　楊，李中舉，江澤軍，黃　榮

（1.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.常州易控汽車電子股份有限公司，江蘇 常州610010）

發(fā)動機運行時精準(zhǔn)供油依靠噴油壓力和噴油量的控制來實現(xiàn)，提高噴油壓力，不僅可以提高柴油機的動力輸出，還能改善缸內(nèi)燃燒效果、降低有害物的排放[1]。例如，隨著噴油壓力的提高，燃油在噴射瞬間獲得的初始動能會增大，直接導(dǎo)致噴霧錐角和貫穿距離增大，液滴被細化，改善了燃油的破碎、霧和蒸發(fā)[2]，從而達到改善燃油與空氣均勻混合的目的，優(yōu)化了燃燒過程，提高了動力輸出，有害物排放也降低下來。PODE3-4作為熱門的替代燃料，與柴油有很好的互溶性[3]，而醇是一種能量密度較高的新一代生物質(zhì)燃料，與低碳醇相比，具有與柴油更好的互溶性和較高的十六烷值[4]，并且PODE3-4與戊醇產(chǎn)量大，適合作為柴油的替代燃料研究。

1　試驗條件和方法

本次試驗發(fā)動機的EGR系統(tǒng)如圖1所示。其工作原理是：發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣進入EGR閥，從EFR閥出來流經(jīng)中冷器，中冷以后與空氣混合，進入氣缸，完成燃燒。

圖1　發(fā)動機EGR系統(tǒng)示意圖

EGR閥的控制主要通過ECU來實現(xiàn)，工作原理如下：通過ECU控制EGR閥的開度和VGT噴嘴流通截面的傾斜角度，從而改變進氣中新鮮空氣量。Horiba分析儀測量測并計算進氣歧管CO2濃度和排氣的CO2濃度，控制EGR率大小。

在本次試驗過程中，遵循控制變量法的原則，將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速固定為1 600 rpm，主噴時刻定為3°CA BTDC，進氣溫度控制在（30±1）℃，冷卻水溫度控制在（85±2）℃，分別研究不同噴油壓力對（80 MPa、100 MPa、120 MPa、140 MPa、160 MPa）柴油、柴油/PODE3-4（DP20）、柴油/PODE3-4/正戊醇（DPPt20）的燃燒特性的影響。每個工況測量3次，取平均值記錄。表1為本文試驗工程中主要控制的參數(shù)。

表1　試驗固定參數(shù)表

2　試驗設(shè)備

本次試驗發(fā)動機的排量為2.0 L，氣缸數(shù)為四缸，冷卻方式為水冷，增壓方式為可變幾何截面渦輪增壓（VGT）。配套設(shè)備有：電渦輪測功機、尾氣排放測量系統(tǒng)和高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。圖2為本次試驗所用發(fā)動機臺架示意圖。

圖2　試驗臺架示意圖

3　試驗結(jié)果

圖3中分別展示了三種試驗燃料D100、DP20、DPPt20的缸內(nèi)平均壓力和瞬時放熱率隨噴油壓力變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著噴油壓力的增大，三種燃料的缸壓和放熱率均呈現(xiàn)出增大趨勢，具體表現(xiàn)為：缸內(nèi)平均壓力峰值、放熱率峰值都隨著噴油壓力增大而上升，放熱始點隨著噴油壓力增大而提前。主要表現(xiàn)在提高均勻混合氣混合程度和提高均勻混合氣數(shù)量兩方面上：第一，隨著噴油壓力的增加，油束獲得的初始動能增大，從而引起燃油的貫穿距離增大，促進燃油的霧化，燃油與空氣能夠充分混合，提高了均勻混合氣的混合程度；第二，在噴油量保持不變時，提高噴油壓力會縮短噴油持續(xù)期，導(dǎo)致燃油與空氣在缸內(nèi)的混合時間相較低噴油壓力更多，進而形成更多的均勻混合氣，預(yù)混燃燒比例增大，因此缸內(nèi)壓力和放熱率峰值增大。

圖3　三種燃料缸壓和放熱率隨噴油壓力變化

圖4為在噴油壓力160 MPa下，對比三種燃料（D100、DP20、DPPt20）的平均缸內(nèi)壓力和瞬時放熱率的結(jié)果。

圖4160　MPa噴油壓力下三種燃料缸壓和放熱率

圖中顯示，在160 MPa的高噴油壓力下，柴油摻混PODE3-4以后，由于PODE3-4有著很高的十六烷值和揮發(fā)性，著火性好，所以缸內(nèi)平均壓力與瞬時放熱率相比純柴油都呈現(xiàn)出上升趨勢。從圖中還可以看出，柴油/PODE3-4混合燃料添加20%的正戊醇后（DPPt20），和柴油中摻混20%的PODE3-4（DP20）相比，放熱始點和缸壓峰值沒有明顯的變化，放熱峰值有提略微高，這是因為加入戊醇以后，混合燃料的含氧量提高了，使得缸內(nèi)的燃料燃燒更加充分從而導(dǎo)致了放熱峰值增大；與純柴油相比，放熱始點推遲，這是因為正戊醇的十六烷值相較柴油低，蒸發(fā)潛熱較大，吸收了部分熱量，致使缸內(nèi)溫度相對較低，滯燃期延長；PODE3-4的高十六烷值、高揮發(fā)性和較高的可燃性導(dǎo)致放熱峰值和缸壓峰值相對純柴油增大。

4　結(jié)論

（1）提高噴油壓力有利于均勻混合氣混合程度和提高均勻混合氣數(shù)量的改善。

（2）在噴油量保持不變時，提高噴油壓力，可以縮短噴油持續(xù)期，從而導(dǎo)致燃油與空氣在缸內(nèi)的混合時間相較低噴油壓力更多。

（3）160 MPa噴油壓力下，DP20和 DPPt20的缸壓和放熱率峰值比D100大。

（4）160 MPa噴油壓力下三種燃料缸壓和放熱率峰值由小到大的順序為：D100、DP20、DPPt20.