基于柴油预热的发动机性能试验研究

基于柴油预热的发动机性能试验研究

李心月，崔淑华*

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

摘要：针对低温气候条件下柴油发动机的使用问题，进行了不同柴油预热温度的发动机选定转速下的负荷特性试验、全负荷速度特性试验，并结合发动机性能试验进行了排气可见污染物的不透光度试验。试验结果的分析表明，柴油预热对发动机在试验条件下的动力性、燃料经济性、排气污染物浓度均有所改善；但发动机的动力性、燃料经济性、排气污染物浓度的改善与对应的柴油预热温度存在差别。

关键词：柴油；预热；动力性；经济性；排气污染物浓度

中图分类号：S 776；TK 423

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)02-0112-04

Abstract：According to the use of diesel engine on the condition of cold climate，the load characteristic test and full load speed characteristic test were conducted under selected engine speed with different diesel preheating temperature，and visible exhaust pollutant opacity test was carried out in combination with the engine performance test.The results showed that diesel preheat can improve power performance，fuel economy，and exhaust pollutant concentrations under the condition of engine tests，but the improvement of engine power，fuel economy，and exhaust pollutant concentrations could be different corresponding to different diesel preheat temperature.

Keywords：diesel；preheat；power performance；economy；exhaust pollutant concentration

收稿日期：2014-12-03

基金项目：黑龙江省交通运输厅重点科技项目(黑龙江省道路运输业节能减排评价方法研究)

作者简介：第一李心月，硕士研究生。研究方向：汽车节能减排技术。

通讯作者：*崔淑华，教授。研究方向：汽车节能减排技术。

Study on Power Performance of Engine Based on Diesel Preheat

Li Xinyue，Cui Shuhua*

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

E-mail：csh1218@163.com

引文格式：李心月，崔淑华.基于柴油预热的发动机性能试验研究[J].森林工程，2015，31(2)：112-115.

随着柴油发动机的广泛应用，与柴油发动机相关的技术研究日益增多。由于受柴油低温流动性的影响，出现了寒冷地区柴油发动机冷启动困难等问题[1-3]，因此，提高柴油发动机冷启动性能的瞬态工况的试验与技术研究工作在国内外受到广泛关注[4-5]，以柴油预热对发动机冷启动性能影响的研究居多[6-7]。针对稳态工况下柴油温度对发动机性能影响的试验与研究较少。本文通过不同柴油预热温度下的发动机基本性能试验，对稳态工况下，不同柴油预热温度对发动机动力性、燃油经济性、排气污染物浓度的影响进行了分析。

1发动机性能对比试验

试验在某排量为2.771L四缸水冷增压发动机上进行，该发动机采用高压共轨燃油供给系统，压缩比为17；试验用油为-35号车用柴油；试验用柴油预热装置为自制恒温水浴加热器，其结构组成包括水箱、加热管、温度传感器和继电器等，水箱可进行恒温控制。柴油加热管为铜质螺旋状，置于恒温水浴中，两端分别与发动机高压燃油管连接，如图1和图2所示。

图1　柴油预热装置结构示意图 Fig.1 Chart of diesel preheating device

试验内容为不同柴油预热温度下的发动机全负荷速度特性及负荷特性。试验用柴油均为经-30℃低温储存后，再经柴油预热装置预热。试验过程中，柴油预热装置恒温水浴的温度分别控制在50、60、70、80及90℃，温差为±2℃；试验燃油温度为发动机高压油管末端即喷油器入口燃油温度的实测值。发动机全负荷速度特性试验的转速区间设定为900～3 000 r/min，采样间隔为300 r/min，采集数据为发动机输出的功率、转矩、燃油消耗量、燃油消耗率等。发动机的负荷特性试验的转速为2 400 r/min，设定的负荷区间为发动机转矩为20～160 N·m，采样间隔为20 N·m，采集数据为发动机输出的功率、转矩、燃油消耗量、燃油消耗率等，同时测量不同负荷工况的排气可见污染物的不透光度。

图2　试验装置示意图 Fig.2 Chart of test device

2发动机全负荷速度特性试验结果及分析

由图3可以看出，柴油预热温度为50℃左右时，发动机输出功率整体呈现出略高趋势，在发动机处于中低转速工况时功率增加更为明显。柴油预热温度为50℃时的发动机输出功率与其他柴油预热温度下的发动机输出功率的对比结果见表1。

表1　柴油预热温度50℃时发动机功率最大变化 Tab.1 Maximum change of engine power with diesel preheating temperature of 50 ℃

发动机的输出功率随着柴油温度的升高呈现先增长后下降的趋势，这与柴油物理性能随温度的变化有一定相关性，如柴油的蒸发性会随温度的升高变好，但密度会随着温度升高而变小。柴油温度低，雾化不好，影响混合气形成质量和燃烧效果，使发动机输出功率略有下降[8]。而燃油的温度和密度不是决定发动机喷油量的参数[9]，即发动机的喷油压力、喷油步长保持正常，喷射柴油的体积不变，温度升高时，燃油密度减小，混合气浓度偏稀，因而也会影响发动机的输出功率。

3发动机负荷特性试验结果及分析

由图4和图5可以看出，在发动机试验转速下，在负荷范围内，随着柴油预热温度的升高，发动机的燃料消耗量和燃料消耗率总体呈下降趋势，且在低负荷时较为明显；柴油预热后，燃料消耗量和燃料消耗率均比柴油温度为20℃时的有所降低；柴油预热温度为70℃左右时，发动机的燃料消耗量和燃料消耗率在多数负荷下略低于其他柴油预热温度。

图3　不同柴油温度的发动机全负荷速度特性试验结果 Fig.3 Results of engine full load speed characteristics test with different diesel temperatures

图4　发动机负荷特性燃油消耗量试验结果 Fig.4 Results of fuel consumption test of engine load characteristics

柴油预热温度为70℃时发动机燃料消耗量和燃料消耗率与其他柴油预热温度下的发动机燃料消耗量和燃料消耗率对比结果见表2。

表2　柴油预热温度70℃时发动机燃料消耗率最大变化 Tab.2 Maximum change of fuel consumption rate with diesel preheating temperature of 70 ℃

图5　发动机负荷特性燃料消耗率试验结果 Fig.5 Results of fuel consumption rate test of engine load characteristics

燃油温度升高使得燃油的密度降低，喷油器孔内流动的空穴程度增大[10]，即相同体积的喷油量折算的燃油质量减少，但由于燃油温度的升高，使其蒸发性和雾化性变好，燃料燃烧完全，相同转速的负荷变化不大，所以发动机的燃料消耗率有所降低。当燃油预热温度继续增加时，由于受柴油密度与温度关系的影响，会导致发动机的混合气浓度过稀，动力性下降，发动机自动调节增加供油量，使相同负荷下的燃料消耗量增加[11]。

4发动机排气污染物浓度试验结果及分析

结合发动机负荷特性试验，进行了不同负荷下发动机排气污染物不透光度试验，试验结果如图6。

由图6可知，随着柴油预热温度的升高，发动机排气污染物的不透光度在负荷变化范围内基本呈现下降趋势，表明燃油温度的升高，可以在一定程度上减少发动机污染物的生成与排放[12]。温度升高使燃油的蒸发性和雾化性变好，这是混合气质量提高和发动机燃烧完全的主要原因，因此，发动机排放污染物含量有所减少。但是，柴油预热温度过高时，由于受柴油密度与温度关系的影响，会导致发动机的混合气浓度过稀，反而会使发动机排气污染物的浓度的升高。

图6　发动机排气污染物浓度试验结果 Fig.6 Results of engine exhaust pollutant concentration test

5结论

基于本文对不同柴油预热温度对发动机基本性能影响的试验结果与分析，表明柴油预热后，发动机在试验条件下的动力性、燃料经济性、排气污染物浓度均有所改善；但发动机的动力性、燃料经济性、排气污染物浓度的改善与柴油预热温度的关联性及其规律存在差别；理想的柴油预热温度范围还需在理论分析的基础上，通过大量试验与影响因素分析综合确定。

【参考文献】

[1]吴修文等.我国柴油轿车的发展现状及展望[J].农业装备与车辆工程，2007(1)：7-9.

[2]宋兰庭等.高原(严寒)柴油动力装备燃油加热低温起动系统研制[J].小型内燃机与摩托车，2008，37(1)：18-2.

[3]林有生.内燃机车新型预热系统的开发与研制[J].内燃机车，2000(3)：1-3.

[4]李明诚.柴油发动机预热装置的控制原理及合理维修[J].汽车电器，2012(12)：50-54.

[5]罗涛等.采用进气火焰预热柴油机低温起动的研究[J].内燃机工程，2006，27(5)：37-40.

[6]陈钊.低温对柴油机起动性能的影响与改善[J].煤矿机械，2006，27(7)：151-153.

[7]张怡军，段春霞.进气预热对柴油机低温起动影响的研究[J].内燃机与动力装置，2008(3)：10-13.

[8]陈军.能源化学[M].北京：化学工业出版社，2004.

[9]陈家瑞.汽车构造(上册3版)[M].北京：机械工业出版社，2011.

[10]范鹏.柴油温度对柴油机喷嘴孔内流动特性影响研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[11]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2012.

[12]Gong，Chen.燃油温度对直喷式柴油机燃料 喷射、燃烧和排放的影响[J].国外内燃机车，2009(6)：23-29.

[责任编辑：李洋]