2007年11月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第38卷第11期乙醇噴射定時(shí)對(duì)乙醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響方顯忠劉巽俊金文華韓永強(qiáng)【摘要】在具有雙噴射系統(tǒng)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中,用一個(gè)噴射系統(tǒng)噴射乙醇作為主燃料,另一個(gè)噴射柴油作為點(diǎn)火燃料進(jìn)行了不同乙醇噴射定時(shí)的性能試驗(yàn)和燃燒分析。結(jié)果表明在上止點(diǎn)前21℃A噴射點(diǎn)火柴油時(shí),乙醇可以先于柴油噴射,在上止點(diǎn)前25℃A噴射乙醇燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能最佳接近原柴油機(jī)水平,在上止點(diǎn)前29℃A左右噴射乙醇燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的動(dòng)力性;缸內(nèi)的統(tǒng)計(jì)最大壓力在小負(fù)荷時(shí)隨者乙醇噴射定時(shí)提前而降低,在大負(fù)荷時(shí)隨著乙醇噴射定時(shí)提前而提高;雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差隨著乙醇噴射定時(shí)提前而增大,并且工作循環(huán)的穩(wěn)定性逐漸變差;當(dāng)乙醇噴射定時(shí)在上止點(diǎn)前31℃CA時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不能較好地穩(wěn)定工作。關(guān)鍵詞:壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)雙噴射系統(tǒng)乙醇噴射定時(shí)中圖分類號(hào):TK46·4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼;AEffect of Ethanol In jection Timing on Ethanol-dieselDual-fuel Engine PerformanceFang Xianzhong Liu Xunjun Jin Wenhua Han YongqiangAbstractIn a direct injection compression ignition engine(CIE)with dual injection systems, theperformance tests and the combustion analysis at varied ethanol injection timing were performedrespectively, which with ethanol as the main fuel injected by one injection system and diesel fuelas the igniting fuel injected by another injection system. The test results show that with theigniting fuel injected at 21. CA BTDC, the ethanol fuel injection timing can be earlier than theignition fuel injection timing. The fuel economy of dual-fuel CIE approaches to that of thebaseline diesel engine when the ethanol fuel injection timing is 25.CA BTDC. The maximal poweroutput corresponding to the ethanol injection timing is 29'CA BTDC. The maximum statisticalin-cylinder combustion pressure of test engine decreases with the adyance of the ethanol injectiontiming at light load conditions, but it increases with the injection advance at heavy loadconditions. The combustion pressure standard deviation increases with the advance of the ethanolinjection timing, and correspondingly, the engine operation becomes more and more unsteady.When the ethanol injection timing is advanced to 31"CA BTDC, the injected igniting diesel fuelcan not ignite the main ethanol fuel reliably.Key words Compression ignition engine, Dual injection system, Ethanol, Injection timing引言研究和開發(fā)階段~3,主要有3種方式:①用化油器或電噴嘴的方法將燃料噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道內(nèi),然目前,乙醇燃料在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用正處于后在氣缸內(nèi)用柴油點(diǎn)火,其主要缺點(diǎn)是乙醇燃料的收稿日期:2006-06-21一吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):20020636)方顯忠省林大學(xué)汽車工程學(xué)院研究員,130025長(zhǎng)春市劉巽俊吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師金文華吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院講師韓水強(qiáng)吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授第11期方顯忠等:乙醇噴射定時(shí)對(duì)乙醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響汽化潛熱大,造成進(jìn)氣道內(nèi)溫度過低,燃料霧化不化需要的熱量和被汽化的程度有關(guān),噴射定時(shí)越提好,存在液體燃料沉積現(xiàn)象。②利用助溶劑把乙醇和前,乙醇被汽化的越徹底。乙醇較完全汽化大大降低柴油混溶在一起,缺點(diǎn)是助溶劑的價(jià)格高,并且乙醇了燃燒室凹坑內(nèi)局部范圍的最高溫度,特別是降低和柴油混溶以后穩(wěn)定性會(huì)逐漸變差。③釆用雙噴射了點(diǎn)火柴油噴霧區(qū)的瞬時(shí)溫度。乙醇的蒸發(fā)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)方法,該方法可以解決上面所有問題,2種燃被壓縮空氣的平均溫度影響較小,但對(duì)乙醇燃料噴料的噴射量和噴射時(shí)間都可分別精確調(diào)節(jié),著火可霧區(qū)的局部溫度影響較大,非常不利于后噴入的少靠,并且著火時(shí)間可控制,有很大開發(fā)潛力。量柴油自燃發(fā)火,只能在部分循環(huán)中實(shí)現(xiàn)著火,而在本文在具有雙噴射系統(tǒng)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上口研大部分循環(huán)中不能將乙醇點(diǎn)燃。究把乙醇先于柴油噴入燃燒室時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,以及乙醇可先于柴油噴射的極限值,并提出點(diǎn)火燃料和主燃料應(yīng)該采取的控制策略1試驗(yàn)設(shè)備和方法利用雙直噴系統(tǒng)的壓燃式115mm缸徑單缸試驗(yàn)機(jī),選擇第二個(gè)噴射系統(tǒng)向燃燒室內(nèi)噴射點(diǎn)火柴油,噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前21A,并且每循環(huán)噴入柴油15mm3保持不變,使柴油機(jī)在沒有負(fù)荷條件下能可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。利用原機(jī)的第一噴射系統(tǒng)向燃燒室內(nèi)噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%的乙醇作為主燃料,并通過改變每循環(huán)乙醇燃料噴入量改變柴油機(jī)輸出功圖1上止點(diǎn)前3℃A噴射乙醇時(shí)50個(gè)循環(huán)示功圖Fig. 1 Unstable in- cylinder pressure traces of 50 cycles率。乙醇燃料每循環(huán)噴入量的范圍是15~125mm23。when ethanol injection timing is 31 CA BTDC采用對(duì)比的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速n=1600r/min條件下的負(fù)荷特性試驗(yàn)。當(dāng)乙醇噴射定時(shí)在上止點(diǎn)前29CA時(shí),50個(gè)循先進(jìn)行原柴油機(jī)(只用1個(gè)噴射器噴柴油)負(fù)荷環(huán)示功圖如圖2所示。在n=1600r/min、最大扭矩特性試驗(yàn),原柴油機(jī)噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前21℃A.然T=80N·m工況下,每個(gè)工作循環(huán)的乙醇燃料后進(jìn)行柴油作為點(diǎn)火燃料和乙醇作為主燃料的負(fù)荷都能夠被可靠點(diǎn)燃,缸內(nèi)統(tǒng)計(jì)最大壓力為78MPa,特性試驗(yàn),噴射乙醇的定時(shí)分別為上止點(diǎn)前20、23、統(tǒng)計(jì)最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差為0.22MPa,工作比較穩(wěn)定,表26、29和31°A。分別測(cè)量原柴油機(jī)和柴油作為點(diǎn)明氣缸內(nèi)壓力波動(dòng)相對(duì)較小?；鹑剂稀⒁掖甲鳛橹魅剂显诓煌掖紘娚涠〞r(shí)條件下的負(fù)荷特性參數(shù)。由于乙醇的熱值低于柴油,為便于和柴油比較,按照熱耗相等的方法將乙醇的消耗量b換算成柴油的當(dāng)量消耗量ba,柴油消耗量為b,則2種燃料的等效燃料消耗量為b=b+bnE2試驗(yàn)結(jié)果分析2.1噴射定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響在點(diǎn)火柴油每循環(huán)噴射量為15mm3、定時(shí)為上止點(diǎn)前21℃A條件下,乙醇噴射先于點(diǎn)火柴油時(shí),其最大噴射定時(shí)應(yīng)小于上止點(diǎn)前31A。當(dāng)噴射定圖2上止點(diǎn)前29CA噴射乙醇時(shí)50個(gè)循環(huán)示功圖時(shí)為31CA時(shí),50個(gè)循環(huán)示功圖如圖1所示。在發(fā)Fig. 2 Stable in-cylinder pressure traces of 50 cycles動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1600r/min、扭矩Ta=5N·m工況when ethanol injection timing is 29 CA BTDC下不能穩(wěn)定工作,多數(shù)工作循環(huán)的乙醇燃料不能可乙醇噴射定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力穩(wěn)定性的影響靠點(diǎn)燃。缸內(nèi)統(tǒng)計(jì)最大壓力為4.6MPa,統(tǒng)計(jì)最大壓如圖3所示,圖中“原機(jī)柴油21”表示原柴油噴射定力標(biāo)準(zhǔn)方差為1.6MPa,表明氣缸內(nèi)最大壓力波動(dòng)時(shí)為上止點(diǎn)前21CA,“柴油21乙醇20”表示雙燃很大。其原因是:①點(diǎn)火柴油噴射量只是維持無負(fù)荷料發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火柴油噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前21A,乙怠速運(yùn)轉(zhuǎn)整個(gè)燃燒室空間內(nèi)的溫度不高②乙醇汽醇的噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前20CA.從圖中可以看出2農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2007年缸內(nèi)統(tǒng)計(jì)最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差曲線幾乎在整個(gè)負(fù)荷范由圖5看出在點(diǎn)火柴油不變條件下,不管乙醇圍內(nèi),雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差隨著乙醇噴射定時(shí)早和晚,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的滯燃時(shí)間都明顯噴射定時(shí)提前而增大,并且都大于原柴油機(jī),最大壓較原柴油機(jī)長(zhǎng),乙醇的汽化過程造成燃燒滯后,但是力標(biāo)準(zhǔn)方差的增大意味著雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的缸內(nèi)的壓力變化率dp/d卻隨著乙醇噴射定時(shí)的穩(wěn)定性差。該結(jié)果驗(yàn)證了乙醇噴射定時(shí)在上止點(diǎn)前提前而增高。其原因是乙醇被噴入到燃燒室內(nèi)的時(shí)31℃CA條件下不能夠較好地穩(wěn)定工作。就雙燃料發(fā)間越長(zhǎng),在點(diǎn)火柴油噴入之前乙醇形成混合氣的準(zhǔn)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)的穩(wěn)定性而言,乙醇的噴射定時(shí)備時(shí)間越充分越有利于燃燒,一旦被點(diǎn)燃則瞬間參大于點(diǎn)火柴油的噴射定時(shí)7℃A左右為好,既保證加燃燒的可燃混合氣數(shù)量多,氣缸內(nèi)壓力迅速提高。發(fā)動(dòng)機(jī)較好的穩(wěn)定性又具有較好的動(dòng)力性。?！ぴ瓩C(jī)柴油21T600原機(jī)柴油21一柴油21乙醇20柴油21乙醇20xX-柴油21乙醇23柴油2】乙醇柴油21乙醇29柴油21乙憋柴油21乙醇290平均有效壓力/MP噴射定時(shí)/cA圖3乙醇噴射定時(shí)對(duì)氣缸統(tǒng)計(jì)最大壓力圖5乙醇噴射定時(shí)對(duì)壓力變化率的影響曲線標(biāo)準(zhǔn)方差的影響曲線Fig 5 Effect of ethanol injection timing onFig 3 Effect of ethanol injection timing on combustioncombustion pressure rise ratepressure deviation of dual-fuel engine2.3噴射定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響2.2噴射定時(shí)對(duì)缸內(nèi)壓力的影響不同乙醇噴射定時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)圖4是不同乙醇噴射定時(shí)在n=1600r/min負(fù)濟(jì)性的影響如圖6所示,在小負(fù)荷時(shí),與原柴油機(jī)相荷特性條件下缸內(nèi)統(tǒng)計(jì)最大壓力曲線。從圖中可以比較越是增大乙醇噴射定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性越是看出,只有在大負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)的統(tǒng)計(jì)最大壓力才隨著不利,但是在較大魚荷時(shí)適當(dāng)?shù)脑龃笠掖紘娚涠〞r(shí)乙醇噴射定時(shí)提前而提高,并且在噴射定時(shí)大于使得雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的等效燃料消耗量b較快降低,23℃A時(shí)最大統(tǒng)計(jì)壓力才開始大于原柴油機(jī);在小并且可低于原柴油機(jī)的燃料消耗量b。其原因主要負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)的統(tǒng)計(jì)最大壓力反而隨著乙醇噴射定時(shí)是燃燒室內(nèi)的溫度直接影響著乙醇燃料完全汽化的提前而減低,這說明在小負(fù)荷時(shí)氣缸內(nèi)的溫度較低,程度,燃燒室內(nèi)的溫度越高越有利于乙醇完全汽非常不利于乙醇燃料的汽化和燃燒。就乙醇作為主化,均勻混合氣提高了燃燒效率。燃料用柴油點(diǎn)燃的發(fā)動(dòng)機(jī)而言,在中小負(fù)荷時(shí)乙醇噴射定時(shí)應(yīng)該大于點(diǎn)火柴油噴射定時(shí)1~2CA為原機(jī)柴油21最佳,在大負(fù)荷時(shí)氣缸內(nèi)的溫度增高時(shí)有利于乙醇加幕鑿柴油21乙醇23燃料的汽化,乙醇較柴油提前8A左右噴射時(shí)發(fā)柴油21乙醉29動(dòng)機(jī)具有較好的動(dòng)力性9r原機(jī)柴油21山柴油21乙醇一柴油21乙醇R士鑒柴油21乙醉平均有效壓力MPa柴油21乙醇29圖6等效燃料消耗量和平均有效壓力之間的關(guān)系曲線Fig 6 Relation between equivalent fuel economy andmean effective pressure圖7是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力為0.10MPa和0.6MPa時(shí)的等效燃料消耗量隨噴射平均有效壓力/MPe圖4乙醇噴射定時(shí)對(duì)缸內(nèi)最大統(tǒng)計(jì)壓力的影響曲線定時(shí)的變化曲線,乙醇燃料的噴射定時(shí)在上止點(diǎn)前Fig 4 Effect of ethanol injection timing on maximun25℃A經(jīng)濟(jì)性為最佳,這種雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在較大負(fù)statistical combustion pressure of dual-fuel engine荷時(shí)達(dá)到了原柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。第11期方顯忠等:乙醇噴射定時(shí)對(duì)乙醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響tro10MPa增大噴射定時(shí)始終不利于乙醇的初期燃燒a郵密.0.64MPa25噴射定時(shí)對(duì)燃燒持續(xù)期的影響不同乙醇噴射定時(shí)對(duì)燃燒持續(xù)期(燃料燃燒10%~90%所需要的曲軸轉(zhuǎn)角)的影響如圖9所示。在小負(fù)荷時(shí)燃燒持續(xù)期隨乙醇噴射定時(shí)提前而增加,燃燒都比原柴油機(jī)慢,而在大負(fù)荷時(shí)都隨負(fù)荷的噴射定時(shí)/"cA增加而明顯減少,并且燃燒都比原柴油機(jī)快,其明顯圖7乙醇噴射定時(shí)對(duì)等效燃料消耗量的影響曲線特征是在小負(fù)荷時(shí)乙醇噴射定時(shí)越提前,乙醇燃燒Fig 7 Effect of ethanol injection timing on越慢,而在大負(fù)荷時(shí)乙醇噴射定時(shí)越提前,乙醇燃燒quivalent fuel econom越快。在乙醇噴射定時(shí)為29°CA條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)燃2.4噴射定時(shí)對(duì)滯燃期的影響燒持續(xù)期在最小負(fù)荷時(shí)需要25A,而在最大負(fù)荷圖8是不同乙醇噴射定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=時(shí)盡管乙醇噴射量較最小負(fù)荷時(shí)增加了8倍左右,1600r/min負(fù)荷特性條件下滯燃期的影響曲線,本但燃燒持續(xù)期卻只需要14℃A,充分說明雙燃料發(fā)文定義為從點(diǎn)火噴射到燃料燃燒10%所需要的曲動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的溫度決定著乙醇燃料汽化和燃燒速軸轉(zhuǎn)角在中小負(fù)荷范圍內(nèi)特別是在小負(fù)荷時(shí)燃燒度,溫度越高乙醇汽化的越快燃燒效率越高室內(nèi)溫度較低條件下,滯燃期隨乙醇噴射定時(shí)增加。-原機(jī)柴油21柴油21乙醇20而增加,且隨負(fù)荷的增加而增加。乙醇噴射定時(shí)越提柴油21乙醇26前,滯燃期越大,說明在燃燒初期乙醇燃料的蒸發(fā)不柴油21乙醇29利于燃燒,乙醇噴射定時(shí)越提前,意味著乙醇燃料能夠蒸發(fā)的數(shù)量越多,吸收熱量越多,使得燃燒室內(nèi)溫度越低,使燃燒時(shí)間延長(zhǎng)。在小負(fù)荷時(shí),滯燃期也隨乙醇燃料噴射量加大而變長(zhǎng)。乙醇噴射量增大也會(huì)平均有效壓力/MPa吸收較多熱量使得燃燒室內(nèi)溫度變低,不利于較快圖9乙醇噴射定時(shí)對(duì)燃燒持續(xù)期的影響曲線燃燒。當(dāng)在大負(fù)荷變時(shí),燃燒室內(nèi)的溫度提高,非常Fig 9 Effect of ethanol injection timing on有利于初期乙醇的汽化和燃燒,這時(shí)乙醇循環(huán)噴射ombustion duration量的增加對(duì)乙醇的初期燃燒影響很小,在中等負(fù)荷3結(jié)論以后乙醇循環(huán)噴射量對(duì)滯燃期的影響變化不大。但原機(jī)柴油21(1)在乙醇作為主燃料用柴油點(diǎn)火的壓燃式發(fā)亡柴油21乙醇20-柴油21乙醇動(dòng)機(jī)上,乙醇燃料可以先于點(diǎn)火柴油噴射,在本試驗(yàn)柴池21乙醇機(jī)上乙醇的噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前25°CA經(jīng)濟(jì)性最榮油21乙醇29佳,該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定工作的最大噴射定時(shí)應(yīng)小于642上止點(diǎn)前31°CA(2)這種雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)采取隨負(fù)荷變大而增加乙醇噴射定時(shí)的控制方式。也可以采取在怠速和早均有效壓力/MP小負(fù)荷時(shí)都用點(diǎn)火柴油噴射系統(tǒng)維持工作,而在較圖8乙醇噴射定時(shí)對(duì)滯燃期的影響曲線大負(fù)荷時(shí)再噴入乙醇燃料。這將非常有利于提高該Fig. 8 Effect of ethanol injection timing on發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。ignition delay period1何邦全,王建昕,郝吉明,著火改進(jìn)劑對(duì)乙醇柴油燃料排放特性的影響[].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2003,21(6):417~4222劉金山郭應(yīng)男譚滿志,等.乙醇燃料內(nèi)燃機(jī)均質(zhì)壓燃的工作區(qū)域[].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2006,36(3):327~333于世濤,郭應(yīng)男,卓斌,等.柴油/乙醇混合燃料的性質(zhì)及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2004(3):16~184張克范,馬偉東,馮文生,等.乙醇柴油混合燃料的應(yīng)用研究[]柴油機(jī),2005(1):21~23335常國(guó)峰張繼鵬,尚海軍,等,乙醇HCCI燃燒過程影響因素的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)200637(1)6方顯忠,劉巽俊,李國(guó)良,等.直噴壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)用雙噴射系統(tǒng)燃用柴油乙醇的研究[]農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),200536(3):7方顯忠,劉巽俊李國(guó)良,等.缸內(nèi)雙直噴系統(tǒng)壓燃式試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)]吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2005,35(1):34~38.