2007年11月農(nóng)業(yè)機械學(xué)報第38卷第11期乙醇噴射定時對乙醇柴油雙燃料發(fā)動機性能的影響方顯忠劉巽俊金文華韓永強【摘要】在具有雙噴射系統(tǒng)的壓燃式發(fā)動機中,用一個噴射系統(tǒng)噴射乙醇作為主燃料,另一個噴射柴油作為點火燃料進(jìn)行了不同乙醇噴射定時的性能試驗和燃燒分析。結(jié)果表明在上止點前21℃A噴射點火柴油時,乙醇可以先于柴油噴射,在上止點前25℃A噴射乙醇燃料時發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)性能最佳接近原柴油機水平,在上止點前29℃A左右噴射乙醇燃料時發(fā)動機具有較好的動力性;缸內(nèi)的統(tǒng)計最大壓力在小負(fù)荷時隨者乙醇噴射定時提前而降低,在大負(fù)荷時隨著乙醇噴射定時提前而提高;雙燃料發(fā)動機的最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差隨著乙醇噴射定時提前而增大,并且工作循環(huán)的穩(wěn)定性逐漸變差;當(dāng)乙醇噴射定時在上止點前31℃CA時雙燃料發(fā)動機不能較好地穩(wěn)定工作。關(guān)鍵詞:壓燃式發(fā)動機雙噴射系統(tǒng)乙醇噴射定時中圖分類號:TK46·4文獻(xiàn)標(biāo)識碼;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)動機的進(jìn)氣道內(nèi),然目前,乙醇燃料在壓燃式發(fā)動機上應(yīng)用正處于后在氣缸內(nèi)用柴油點火,其主要缺點是乙醇燃料的收稿日期:2006-06-21一吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(項目編號:20020636)方顯忠省林大學(xué)汽車工程學(xué)院研究員,130025長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:乙醇噴射定時對乙醇柴油雙燃料發(fā)動機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,缺點是助溶劑的價格高,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)定性會逐漸變差。③釆用雙噴射了點火柴油噴霧區(qū)的瞬時溫度。乙醇的蒸發(fā)對整個系統(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,但對乙醇燃料噴料的噴射量和噴射時間都可分別精確調(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)中實現(xiàn)著火,而在本文在具有雙噴射系統(tǒng)的壓燃式發(fā)動機上口研大部分循環(huán)中不能將乙醇點燃。究把乙醇先于柴油噴入燃燒室時對發(fā)動機性能的影響,以及乙醇可先于柴油噴射的極限值,并提出點火燃料和主燃料應(yīng)該采取的控制策略1試驗設(shè)備和方法利用雙直噴系統(tǒng)的壓燃式115mm缸徑單缸試驗機,選擇第二個噴射系統(tǒng)向燃燒室內(nèi)噴射點火柴油,噴射定時為上止點前21A,并且每循環(huán)噴入柴油15mm3保持不變,使柴油機在沒有負(fù)荷條件下能可靠的運轉(zhuǎn)。利用原機的第一噴射系統(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輸出功圖1上止點前3℃A噴射乙醇時50個循環(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采用對比的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速n=1600r/min條件下的負(fù)荷特性試驗。當(dāng)乙醇噴射定時在上止點前29CA時,50個循先進(jìn)行原柴油機(只用1個噴射器噴柴油)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,原柴油機噴射定時為上止點前21℃A.然T=80N·m工況下,每個工作循環(huán)的乙醇燃料后進(jìn)行柴油作為點火燃料和乙醇作為主燃料的負(fù)荷都能夠被可靠點燃,缸內(nèi)統(tǒng)計最大壓力為78MPa,特性試驗,噴射乙醇的定時分別為上止點前20、23、統(tǒng)計最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差為0.22MPa,工作比較穩(wěn)定,表26、29和31°A。分別測量原柴油機和柴油作為點明氣缸內(nèi)壓力波動相對較小。火燃料、乙醇作為主燃料在不同乙醇噴射定時條件下的負(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試驗結(jié)果分析2.1噴射定時對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響在點火柴油每循環(huán)噴射量為15mm3、定時為上止點前21℃A條件下,乙醇噴射先于點火柴油時,其最大噴射定時應(yīng)小于上止點前31A。當(dāng)噴射定圖2上止點前29CA噴射乙醇時50個循環(huán)示功圖時為31CA時,50個循環(huán)示功圖如圖1所示。在發(fā)Fig. 2 Stable in-cylinder pressure traces of 50 cycles動機轉(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對發(fā)動機缸內(nèi)壓力穩(wěn)定性的影響靠點燃。缸內(nèi)統(tǒng)計最大壓力為4.6MPa,統(tǒng)計最大壓如圖3所示,圖中“原機柴油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)最大壓力波動時為上止點前21CA,“柴油21乙醇20”表示雙燃很大。其原因是:①點火柴油噴射量只是維持無負(fù)荷料發(fā)動機點火柴油噴射定時為上止點前21A,乙怠速運轉(zhuǎn)整個燃燒室空間內(nèi)的溫度不高②乙醇汽醇的噴射定時為上止點前20CA.從圖中可以看出2農(nóng)業(yè)機械學(xué)報2007年缸內(nèi)統(tǒng)計最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差曲線幾乎在整個負(fù)荷范由圖5看出在點火柴油不變條件下,不管乙醇圍內(nèi),雙燃料發(fā)動機的最大壓力標(biāo)準(zhǔn)方差隨著乙醇噴射定時早和晚,雙燃料發(fā)動機的滯燃時間都明顯噴射定時提前而增大,并且都大于原柴油機,最大壓較原柴油機長,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)動機工作循環(huán)的缸內(nèi)的壓力變化率dp/d卻隨著乙醇噴射定時的穩(wěn)定性差。該結(jié)果驗證了乙醇噴射定時在上止點前提前而增高。其原因是乙醇被噴入到燃燒室內(nèi)的時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,在點火柴油噴入之前乙醇形成混合氣的準(zhǔn)動機每個工作循環(huán)的穩(wěn)定性而言,乙醇的噴射定時備時間越充分越有利于燃燒,一旦被點燃則瞬間參大于點火柴油的噴射定時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)動機較好的穩(wěn)定性又具有較好的動力性。?！ぴ瓩C柴油21T600原機柴油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/cA圖3乙醇噴射定時對氣缸統(tǒng)計最大壓力圖5乙醇噴射定時對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噴射定時對發(fā)動機經(jīng)濟(jì)性的影響2.2噴射定時對缸內(nèi)壓力的影響不同乙醇噴射定時對雙燃料發(fā)動機動力性和經(jīng)圖4是不同乙醇噴射定時在n=1600r/min負(fù)濟(jì)性的影響如圖6所示,在小負(fù)荷時,與原柴油機相荷特性條件下缸內(nèi)統(tǒng)計最大壓力曲線。從圖中可以比較越是增大乙醇噴射定時對發(fā)動機經(jīng)濟(jì)性越是看出,只有在大負(fù)荷時缸內(nèi)的統(tǒng)計最大壓力才隨著不利,但是在較大魚荷時適當(dāng)?shù)脑龃笠掖紘娚涠〞r乙醇噴射定時提前而提高,并且在噴射定時大于使得雙燃料發(fā)動機的等效燃料消耗量b較快降低,23℃A時最大統(tǒng)計壓力才開始大于原柴油機;在小并且可低于原柴油機的燃料消耗量b。其原因主要負(fù)荷時缸內(nèi)的統(tǒng)計最大壓力反而隨著乙醇噴射定時是燃燒室內(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。燃料用柴油點燃的發(fā)動機而言,在中小負(fù)荷時乙醇噴射定時應(yīng)該大于點火柴油噴射定時1~2CA為原機柴油21最佳,在大負(fù)荷時氣缸內(nèi)的溫度增高時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左右噴射時發(fā)柴油21乙醉29動機具有較好的動力性9r原機柴油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)動機平均有效壓力為0.10MPa和0.6MPa時的等效燃料消耗量隨噴射平均有效壓力/MPe圖4乙醇噴射定時對缸內(nèi)最大統(tǒng)計壓力的影響曲線定時的變化曲線,乙醇燃料的噴射定時在上止點前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)動機在較大負(fù)statistical combustion pressure of dual-fuel engine荷時達(dá)到了原柴油機的經(jīng)濟(jì)性。第11期方顯忠等:乙醇噴射定時對乙醇柴油雙燃料發(fā)動機性能的影響tro10MPa增大噴射定時始終不利于乙醇的初期燃燒a郵密.0.64MPa25噴射定時對燃燒持續(xù)期的影響不同乙醇噴射定時對燃燒持續(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)荷時燃燒持續(xù)期隨乙醇噴射定時提前而增加,燃燒都比原柴油機慢,而在大負(fù)荷時都隨負(fù)荷的噴射定時/"cA增加而明顯減少,并且燃燒都比原柴油機快,其明顯圖7乙醇噴射定時對等效燃料消耗量的影響曲線特征是在小負(fù)荷時乙醇噴射定時越提前,乙醇燃燒Fig 7 Effect of ethanol injection timing on越慢,而在大負(fù)荷時乙醇噴射定時越提前,乙醇燃燒quivalent fuel econom越快。在乙醇噴射定時為29°CA條件下,發(fā)動機燃2.4噴射定時對滯燃期的影響燒持續(xù)期在最小負(fù)荷時需要25A,而在最大負(fù)荷圖8是不同乙醇噴射定時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=時盡管乙醇噴射量較最小負(fù)荷時增加了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)文定義為從點火噴射到燃料燃燒10%所需要的曲動機燃燒室內(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增加。-原機柴油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,使燃燒時間延長。在小負(fù)荷時,滯燃期也隨乙醇燃料噴射量加大而變長。乙醇噴射量增大也會平均有效壓力/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乙醇噴射定時對燃燒持續(xù)期的影響曲線燃燒。當(dāng)在大負(fù)荷變時,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,這時乙醇循環(huán)噴射ombustion duration量的增加對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)噴射量對滯燃期的影響變化不大。但原機柴油21(1)在乙醇作為主燃料用柴油點火的壓燃式發(fā)亡柴油21乙醇20-柴油21乙醇動機上,乙醇燃料可以先于點火柴油噴射,在本試驗柴池21乙醇機上乙醇的噴射定時為上止點前25°CA經(jīng)濟(jì)性最榮油21乙醇29佳,該發(fā)動機能夠穩(wěn)定工作的最大噴射定時應(yīng)小于642上止點前31°CA(2)這種雙燃料發(fā)動機應(yīng)采取隨負(fù)荷變大而增加乙醇噴射定時的控制方式。也可以采取在怠速和早均有效壓力/MP小負(fù)荷時都用點火柴油噴射系統(tǒng)維持工作,而在較圖8乙醇噴射定時對滯燃期的影響曲線大負(fù)荷時再噴入乙醇燃料。這將非常有利于提高該Fig. 8 Effect of ethanol injection timing on發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟(jì)性。ignition delay period1何邦全,王建昕,郝吉明,著火改進(jìn)劑對乙醇柴油燃料排放特性的影響[].內(nèi)燃機學(xué)報,2003,21(6):417~4222劉金山郭應(yīng)男譚滿志,等.乙醇燃料內(nèi)燃機均質(zhì)壓燃的工作區(qū)域[].吉林大學(xué)學(xué)報: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)及對發(fā)動機性能的影響[].車用發(fā)動機,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,2005(1):21~23335常國峰張繼鵬,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)機械學(xué)報200637(1)6方顯忠,劉巽俊,李國良,等.直噴壓燃式發(fā)動機用雙噴射系統(tǒng)燃用柴油乙醇的研究[]農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,200536(3):7方顯忠,劉巽俊李國良,等.缸內(nèi)雙直噴系統(tǒng)壓燃式試驗機的開發(fā)]吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2005,35(1):34~38.