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.廣西大學機械工程學院，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）

發動機運行時精準供油依靠噴油壓力和噴油量的控制來實現，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[2]，從而達到改善燃油與空氣均勻混合的目的，優化了燃燒過程，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

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

圖1　發動機EGR系統示意圖

EGR閥的控制主要通過ECU來實現，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，將發動機的轉速固定為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。

表1　試驗固定參數表

2　試驗設備

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

圖2　試驗臺架示意圖

3　試驗結果

圖3中分別展示了三種試驗燃料D100、DP20、DPPt20的缸內平均壓力和瞬時放熱率隨噴油壓力變化關系。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出增大趨勢，具體表現為：缸內平均壓力峰值、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。主要表現在提高均勻混合氣混合程度和提高均勻混合氣數量兩方面上：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期，導致燃油與空氣在缸內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，預混燃燒比例增大，因此缸內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）的平均缸內壓力和瞬時放熱率的結果。

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性，著火性好，所以缸內平均壓力與瞬時放熱率相比純柴油都呈現出上升趨勢。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，使得缸內的燃料燃燒更加充分從而導致了放熱峰值增大；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，蒸發潛熱較大，吸收了部分熱量，致使缸內溫度相對較低，滯燃期延長；PODE3-4的高十六烷值、高揮發性和較高的可燃性導致放熱峰值和缸壓峰值相對純柴油增大。

4　結論

（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，可以縮短噴油持續期，從而導致燃油與空氣在缸內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.