燃油預熱對柴油汽車發動機經濟性影響的研究

劉德東 王家璐 王宇 王思淼

【摘?要】對比汽油機和柴油機的發展潛力，柴油機具有更大的優勢。柴油機小但能夠用于重型載貨汽車、超重型載貨汽車，而且在輕型載貨汽車、轎車上的應用也越來越普及。在低溫條件下，柴油汽車發動機存在運行狀況不佳、燃油經濟性差的特征。依據熱力學原理，利用柴油發動機 正常工作時循環系統的高溫循環水，通過燃油預熱裝置使其與即將噴入發動機燃燒室的柴油預先進行熱交換燃油預熱，并利用FC2000發動機測控系統，對柴油汽車發動機燃油經濟性進行臺架試驗，對燃油消耗量隨溫度變化特性 進行試驗研究，獲得了柴油汽車發動機最佳預熱溫度范圍。

【關鍵詞】發動機;柴油預熱;燃油經濟性

引言

柴油發動機具有壓縮比大、燃料轉化為功的效率高、耗油少等優點，在通常情況下，發動機燃燒燃油所產生的熱量除正常做功外，大多被循環系統的冷卻水帶至散熱器而白白浪費掉，并沒有被高效利用。鑒于此，本研究利用發動機循環系統水套中 80。C-90。C的循環水，通過一種特殊的燃油預熱裝置，將噴入氣缸前的燃油在燃油預熱裝置中與高溫循環水進行熱交換，進而提高柴油的流動性及霧化效果，改善柴油發動機的燃油經濟性，達到節能減排目的。

一、柴油機燃油預熱裝置的工作原理

本研究運用工程熱力學原理，在尋求柴油汽車發動機燃油經濟性最佳目標基礎上，設計了一種獨特的燃油預熱裝置。這種燃油預熱裝置，不同于以往其他的燃油預熱裝置，它不消耗動能或電能，只是利用發動機循環系統水套中80℃-90℃循環水的熱量，將燃油在預熱裝置中與高溫循環水進行熱交換。該裝置安裝在柴油發動機的供油系統中，在燃油供給管路上對燃油進行預加熱，使噴入發動機氣缸前的燃油溫度能夠保持在某一特定的溫度范圍，而這一溫度范圍應該是發動機燃油經濟性最佳的溫度范圍。通過發動機的臺架試驗測試，尋找燃油溫度與發動機燃油經濟性的關系特性，尋求柴油機發動機燃油燃燒最佳溫度范圍。并通過在燃油預熱裝置上加裝溫度傳感器和溫度開關控制閥，來實現對預定溫度范圍的調整、控制。在交換過程中，不適宜無限制地進行熱量熱交換，燃油溫度也不適宜高于臨界值以上，因燃油溫度過高反而會使燃油經濟性下降，因此，需要對燃油預熱裝置進行溫度控制。

二、柴油發動機燃油經濟性臺架測試實驗

將燃油預熱裝置安裝在柴油發動機臺架的供油系統上，將燃油溫度人為控制在30℃-80℃之間，通過改變進入燃油 預熱裝置（熱交換器）循環水的流速、流量，進而在逐步升溫的條件下，進行燃油消耗量隨溫度變化特性實驗，通過FC2000發動機測控系統控制發動機的工作狀態并記錄實驗數據。圍繞柴油發動機燃油經濟性能，進行相應測試實驗。

1、相同轉速下燃油消耗量隨溫度變化特性。利用燃油預熱裝置，逐步提高噴入發動機汽缸前的燃油溫度，柴油發動機的轉速同為1800r/min，轉矩分 別為80N.m和100N.m的特定條件下，燃油消耗量隨燃油預熱溫度變化的特性曲線。在柴油發動機轉速為 1800r/min，轉矩為80 N.m的條件下，利用燃油預熱裝置，逐步提高噴入發動機汽缸前的燃油溫度（30℃-80℃），燃油消耗量從4.549 kg/h 降至3.765 kg/h，降幅達 17.2%。可以看出，在柴油發動機轉速為1800r/min，轉矩 為100N.m的條件下，利用燃油預熱裝置，逐步提高噴入發動機 汽缸前的燃油溫度（30℃-80℃），燃油消耗量從5.226kg/h降至4.651kg/h，降幅達11. 0%。可見，在柴油發動機轉速不變，轉矩不同的條件下，逐步提高噴入發動機汽缸前的燃油溫度，柴油發動機燃油消耗量均有所下降，且降幅比較明顯。

2、不同轉速下燃油消耗量隨溫度變化特性。

盡管利用燃油預熱裝置，逐步提高噴入柴油發動機汽缸前的燃油溫度，發動機的燃油消耗量會有一定程度的降低。但發動機燃油消耗量隨溫度變化的特性是否呈線性規律特征，通過不同轉速下燃油消耗量隨溫度變化特性實驗來具體分析一下。在不同轉速條件下，燃油消耗量隨燃油溫度變化特性曲線并非呈線性特征，曲線有最低點拐點，且最低點在42℃左右附近范圍。

三、柴油發動機預熱方法

1、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，是燃油溫度試驗中最為常用的燃油加熱手段。

（1）加熱單元。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。根據試驗需求將多根電熱絲串聯或者并聯在一起，用以實現不同的加熱溫度。

（2）測溫單元。測溫單元由鉑電阻溫度傳感器、防護套筒、溫度傳感器顯示表以及高壓油管溫度傳感器安裝座組成。使用電熱絲加熱燃油的加熱溫度范圍都比較大，一般在20—350℃，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。

2、尾氣加熱預熱法。該方法是利用發動機尾氣的高溫為燃油進行加熱的方法，利用發動機排氣余熱為燃油加熱需要對發動機供油裝置的部分結構進行改造，如提高輸油泵壓力，增加供油量，并在輸油泵出油口位置增加一個回油。增大輸油泵的供油量，在保證正常為發動機供油的同時，增量部分將通過輸油泵的回出油口流經加熱油管后回到油箱。將由回出油口引出的加熱油管以螺旋形式緊密地纏繞在發動機排氣管外側，使其充分的與排氣管接觸。為了更好的吸收排氣熱量可將加熱油管做成管片狀包裹于排氣管周圍，同時用保溫材料將加熱油管進行包裹，最大程度的吸收排氣管的熱量，減少熱量損失。最后將加熱油管接回油箱，以達到給油箱內燃油加熱的目的。使用發動機排出的高溫氣體加熱燃油，既節省了蓄電池的電量，又充分利用的發動機余熱。但其存在的不足是：改動發動機供油系統結構會造成發動機供油量不足，影響發動機正常的動力輸出;并且該方法需要在汽車結構上添加人量金屬管件，嚴重的增加了汽車的負載;發動機排氣溫度極高，可達到600℃以上，單純使用排放排氣的熱量來加熱油箱內的燃油，無法控制燃油溫度，不僅危險程度加大，而且無法達到預期的試驗效果。

四、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℃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及最高燃燒溫度降低。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。

結論

由此可見，柴油發動機的燃油經濟性隨燃油預熱溫度的提高而有一定的改善。在柴油發動機不同的轉速條件下，分別進行燃油消耗量隨燃油預熱溫度變化的特性實驗，實驗表明特性曲線呈現出非常相近的最低燃油消耗量值，最低值點在42℃左右附近范圍。

1、通過燃油預熱裝置對燃油預加熱，柴油發動機燃油消耗量有一定程度的下降。

2、如果將柴油發動機燃油預熱溫度持續提高，燃油消耗量并非呈現線性遞減的趨勢，在預熱溫度超過某一特定溫度范圍時，燃油消耗量反而會呈上升趨勢。

3、在進行測試實驗的特定工況下，燃油消耗量隨溫度變化的特征曲線最低點（拐點）溫度值在 42℃左右附近范圍。

參考文獻：

[1]劉高. 基于模糊 PID 算法的柴油機冷卻水模糊控制器的 研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2017.

[2]楊榮海，李心月，李少巖. 基于燃燒室外預熱的柴油 發動機性能分析[J]. 森林工程，2018（6）.

[3]李心月，楊榮海，韓慧岷. 柴油燃燒室外預熱對發動 機性能的影響[J]. 森林工程，2017（3）.

（作者單位：遼寧工業大學）