喷油压力对混合燃料燃烧影响的试验

熊　杨，李中举，江泽军，黄　荣

（1.广西大学机械工程学院，广西 南宁530004；2.常州易控汽车电子股份有限公司，江苏 常州610010）

发动机运行时精准供油依靠喷油压力和喷油量的控制来实现，提高喷油压力，不仅可以提高柴油机的动力输出，还能改善缸内燃烧效果、降低有害物的排放[1]。例如，随着喷油压力的提高，燃油在喷射瞬间获得的初始动能会增大，直接导致喷雾锥角和贯穿距离增大，液滴被细化，改善了燃油的破碎、雾和蒸发[2]，从而达到改善燃油与空气均匀混合的目的，优化了燃烧过程，提高了动力输出，有害物排放也降低下来。PODE3-4作为热门的替代燃料，与柴油有很好的互溶性[3]，而醇是一种能量密度较高的新一代生物质燃料，与低碳醇相比，具有与柴油更好的互溶性和较高的十六烷值[4]，并且PODE3-4与戊醇产量大，适合作为柴油的替代燃料研究。

1　试验条件和方法

本次试验发动机的EGR系统如图1所示。其工作原理是：发动机产生的废气进入EGR阀，从EFR阀出来流经中冷器，中冷以后与空气混合，进入气缸，完成燃烧。

图1　发动机EGR系统示意图

EGR阀的控制主要通过ECU来实现，工作原理如下：通过ECU控制EGR阀的开度和VGT喷嘴流通截面的倾斜角度，从而改变进气中新鲜空气量。Horiba分析仪测量测并计算进气歧管CO2浓度和排气的CO2浓度，控制EGR率大小。

在本次试验过程中，遵循控制变量法的原则，将发动机的转速固定为1 600 rpm，主喷时刻定为3°CA BTDC，进气温度控制在（30±1）℃，冷却水温度控制在（85±2）℃，分别研究不同喷油压力对（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）的燃烧特性的影响。每个工况测量3次，取平均值记录。表1为本文试验工程中主要控制的参数。

表1　试验固定参数表

2　试验设备

本次试验发动机的排量为2.0 L，气缸数为四缸，冷却方式为水冷，增压方式为可变几何截面涡轮增压（VGT）。配套设备有：电涡轮测功机、尾气排放测量系统和高压共轨燃油喷射系统。图2为本次试验所用发动机台架示意图。

图2　试验台架示意图

3　试验结果

图3中分别展示了三种试验燃料D100、DP20、DPPt20的缸内平均压力和瞬时放热率随喷油压力变化关系。从图中可以看出，随着喷油压力的增大，三种燃料的缸压和放热率均呈现出增大趋势，具体表现为：缸内平均压力峰值、放热率峰值都随着喷油压力增大而上升，放热始点随着喷油压力增大而提前。主要表现在提高均匀混合气混合程度和提高均匀混合气数量两方面上：第一，随着喷油压力的增加，油束获得的初始动能增大，从而引起燃油的贯穿距离增大，促进燃油的雾化，燃油与空气能够充分混合，提高了均匀混合气的混合程度；第二，在喷油量保持不变时，提高喷油压力会缩短喷油持续期，导致燃油与空气在缸内的混合时间相较低喷油压力更多，进而形成更多的均匀混合气，预混燃烧比例增大，因此缸内压力和放热率峰值增大。

图3　三种燃料缸压和放热率随喷油压力变化

图4为在喷油压力160 MPa下，对比三种燃料（D100、DP20、DPPt20）的平均缸内压力和瞬时放热率的结果。

图4160　MPa喷油压力下三种燃料缸压和放热率

图中显示，在160 MPa的高喷油压力下，柴油掺混PODE3-4以后，由于PODE3-4有着很高的十六烷值和挥发性，着火性好，所以缸内平均压力与瞬时放热率相比纯柴油都呈现出上升趋势。从图中还可以看出，柴油/PODE3-4混合燃料添加20%的正戊醇后（DPPt20），和柴油中掺混20%的PODE3-4（DP20）相比，放热始点和缸压峰值没有明显的变化，放热峰值有提略微高，这是因为加入戊醇以后，混合燃料的含氧量提高了，使得缸内的燃料燃烧更加充分从而导致了放热峰值增大；与纯柴油相比，放热始点推迟，这是因为正戊醇的十六烷值相较柴油低，蒸发潜热较大，吸收了部分热量，致使缸内温度相对较低，滞燃期延长；PODE3-4的高十六烷值、高挥发性和较高的可燃性导致放热峰值和缸压峰值相对纯柴油增大。

4　结论

（1）提高喷油压力有利于均匀混合气混合程度和提高均匀混合气数量的改善。

（2）在喷油量保持不变时，提高喷油压力，可以缩短喷油持续期，从而导致燃油与空气在缸内的混合时间相较低喷油压力更多。

（3）160 MPa喷油压力下，DP20和 DPPt20的缸压和放热率峰值比D100大。

（4）160 MPa喷油压力下三种燃料缸压和放热率峰值由小到大的顺序为：D100、DP20、DPPt20.