乙醇喷射定时对乙醇柴油双燃料发动机性能的影响

2007年11月农业机械学报第38卷第11期乙醇喷射定时对乙醇柴油双燃料发动机性能的影响方显忠刘巽俊金文华韩永强【摘要】在具有双喷射系统的压燃式发动机中,用一个喷射系统喷射乙醇作为主燃料,另一个喷射柴油作为点火燃料进行了不同乙醇喷射定时的性能试验和燃烧分析。结果表明在上止点前21℃A喷射点火柴油时,乙醇可以先于柴油喷射,在上止点前25℃A喷射乙醇燃料时发动机的经济性能最佳接近原柴油机水平,在上止点前29℃A左右喷射乙醇燃料时发动机具有较好的动力性;缸内的统计最大压力在小负荷时随者乙醇喷射定时提前而降低,在大负荷时随着乙醇喷射定时提前而提高;双燃料发动机的最大压力标准方差随着乙醇喷射定时提前而增大,并且工作循环的稳定性逐渐变差;当乙醇喷射定时在上止点前31℃CA时双燃料发动机不能较好地稳定工作。关键词:压燃式发动机双喷射系统乙醇喷射定时中图分类号:TK46·4文献标识码;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引言研究和开发阶段~3,主要有3种方式:①用化油器或电喷嘴的方法将燃料喷入发动机的进气道内,然目前,乙醇燃料在压燃式发动机上应用正处于后在气缸内用柴油点火,其主要缺点是乙醇燃料的收稿日期:2006-06-21一吉林省科技发展计划资助项目(项目编号:20020636)方显忠省林大学汽车工程学院研究员,130025长春市刘巽俊吉林大学汽车工程学院教授博士生导师金文华吉林大学汽车工程学院讲师韩水强吉林大学汽车工程学院副教授第11期方显忠等:乙醇喷射定时对乙醇柴油双燃料发动机性能的影响汽化潜热大,造成进气道内温度过低,燃料雾化不化需要的热量和被汽化的程度有关,喷射定时越提好,存在液体燃料沉积现象。②利用助溶剂把乙醇和前,乙醇被汽化的越彻底。乙醇较完全汽化大大降低柴油混溶在一起,缺点是助溶剂的价格高,并且乙醇了燃烧室凹坑内局部范围的最高温度,特别是降低和柴油混溶以后稳定性会逐渐变差。③釆用双喷射了点火柴油喷雾区的瞬时温度。乙醇的蒸发对整个系统方法,该方法可以解决上面所有问题,2种燃被压缩空气的平均温度影响较小,但对乙醇燃料喷料的喷射量和喷射时间都可分别精确调节,着火可雾区的局部温度影响较大,非常不利于后喷入的少靠,并且着火时间可控制,有很大开发潜力。量柴油自燃发火,只能在部分循环中实现着火,而在本文在具有双喷射系统的压燃式发动机上口研大部分循环中不能将乙醇点燃。究把乙醇先于柴油喷入燃烧室时对发动机性能的影响,以及乙醇可先于柴油喷射的极限值,并提出点火燃料和主燃料应该采取的控制策略1试验设备和方法利用双直喷系统的压燃式115mm缸径单缸试验机,选择第二个喷射系统向燃烧室内喷射点火柴油,喷射定时为上止点前21A,并且每循环喷入柴油15mm3保持不变,使柴油机在没有负荷条件下能可靠的运转。利用原机的第一喷射系统向燃烧室内喷入质量分数为99.5%的乙醇作为主燃料,并通过改变每循环乙醇燃料喷入量改变柴油机输出功图1上止点前3℃A喷射乙醇时50个循环示功图Fig. 1 Unstable in- cylinder pressure traces of 50 cycles率。乙醇燃料每循环喷入量的范围是15~125mm23。when ethanol injection timing is 31 CA BTDC采用对比的方法进行转速n=1600r/min条件下的负荷特性试验。当乙醇喷射定时在上止点前29CA时,50个循先进行原柴油机(只用1个喷射器喷柴油)负荷环示功图如图2所示。在n=1600r/min、最大扭矩特性试验,原柴油机喷射定时为上止点前21℃A.然T=80N·m工况下,每个工作循环的乙醇燃料后进行柴油作为点火燃料和乙醇作为主燃料的负荷都能够被可靠点燃,缸内统计最大压力为78MPa,特性试验,喷射乙醇的定时分别为上止点前20、23、统计最大压力标准方差为0.22MPa,工作比较稳定,表26、29和31°A。分别测量原柴油机和柴油作为点明气缸内压力波动相对较小。火燃料、乙醇作为主燃料在不同乙醇喷射定时条件下的负荷特性参数。由于乙醇的热值低于柴油,为便于和柴油比较,按照热耗相等的方法将乙醇的消耗量b换算成柴油的当量消耗量ba,柴油消耗量为b,则2种燃料的等效燃料消耗量为b=b+bnE2试验结果分析2.1喷射定时对发动机工作稳定性的影响在点火柴油每循环喷射量为15mm3、定时为上止点前21℃A条件下,乙醇喷射先于点火柴油时,其最大喷射定时应小于上止点前31A。当喷射定图2上止点前29CA喷射乙醇时50个循环示功图时为31CA时,50个循环示功图如图1所示。在发Fig. 2 Stable in-cylinder pressure traces of 50 cycles动机转速n=1600r/min、扭矩Ta=5N·m工况when ethanol injection timing is 29 CA BTDC下不能稳定工作,多数工作循环的乙醇燃料不能可乙醇喷射定时对发动机缸内压力稳定性的影响靠点燃。缸内统计最大压力为4.6MPa,统计最大压如图3所示,图中“原机柴油21”表示原柴油喷射定力标准方差为1.6MPa,表明气缸内最大压力波动时为上止点前21CA,“柴油21乙醇20”表示双燃很大。其原因是:①点火柴油喷射量只是维持无负荷料发动机点火柴油喷射定时为上止点前21A,乙怠速运转整个燃烧室空间内的温度不高②乙醇汽醇的喷射定时为上止点前20CA.从图中可以看出2农业机械学报2007年缸内统计最大压力标准方差曲线几乎在整个负荷范由图5看出在点火柴油不变条件下,不管乙醇围内,双燃料发动机的最大压力标准方差随着乙醇喷射定时早和晚,双燃料发动机的滞燃时间都明显喷射定时提前而增大,并且都大于原柴油机,最大压较原柴油机长,乙醇的汽化过程造成燃烧滞后,但是力标准方差的增大意味着双燃料发动机工作循环的缸内的压力变化率dp/d却随着乙醇喷射定时的稳定性差。该结果验证了乙醇喷射定时在上止点前提前而增高。其原因是乙醇被喷入到燃烧室内的时31℃CA条件下不能够较好地稳定工作。就双燃料发间越长,在点火柴油喷入之前乙醇形成混合气的准动机每个工作循环的稳定性而言,乙醇的喷射定时备时间越充分越有利于燃烧,一旦被点燃则瞬间参大于点火柴油的喷射定时7℃A左右为好,既保证加燃烧的可燃混合气数量多,气缸内压力迅速提高。发动机较好的稳定性又具有较好的动力性。。·原机柴油21T600原机柴油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平均有效压力/MP喷射定时/cA图3乙醇喷射定时对气缸统计最大压力图5乙醇喷射定时对压力变化率的影响曲线标准方差的影响曲线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喷射定时对发动机经济性的影响2.2喷射定时对缸内压力的影响不同乙醇喷射定时对双燃料发动机动力性和经图4是不同乙醇喷射定时在n=1600r/min负济性的影响如图6所示,在小负荷时,与原柴油机相荷特性条件下缸内统计最大压力曲线。从图中可以比较越是增大乙醇喷射定时对发动机经济性越是看出,只有在大负荷时缸内的统计最大压力才随着不利,但是在较大鱼荷时适当的增大乙醇喷射定时乙醇喷射定时提前而提高,并且在喷射定时大于使得双燃料发动机的等效燃料消耗量b较快降低,23℃A时最大统计压力才开始大于原柴油机;在小并且可低于原柴油机的燃料消耗量b。其原因主要负荷时缸内的统计最大压力反而随着乙醇喷射定时是燃烧室内的温度直接影响着乙醇燃料完全汽化的提前而减低,这说明在小负荷时气缸内的温度较低,程度,燃烧室内的温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烧。就乙醇作为主化,均匀混合气提高了燃烧效率。燃料用柴油点燃的发动机而言,在中小负荷时乙醇喷射定时应该大于点火柴油喷射定时1~2CA为原机柴油21最佳,在大负荷时气缸内的温度增高时有利于乙醇加幕鑿柴油21乙醇23燃料的汽化,乙醇较柴油提前8A左右喷射时发柴油21乙醉29动机具有较好的动力性9r原机柴油21山柴油21乙醇一柴油21乙醇R士鉴柴油21乙醉平均有效压力MPa柴油21乙醇29图6等效燃料消耗量和平均有效压力之间的关系曲线Fig 6 Relation between equivalent fuel economy andmean effective pressure图7是双燃料发动机平均有效压力为0.10MPa和0.6MPa时的等效燃料消耗量随喷射平均有效压力/MPe图4乙醇喷射定时对缸内最大统计压力的影响曲线定时的变化曲线,乙醇燃料的喷射定时在上止点前Fig 4 Effect of ethanol injection timing on maximun25℃A经济性为最佳,这种双燃料发动机在较大负statistical combustion pressure of dual-fuel engine荷时达到了原柴油机的经济性。第11期方显忠等:乙醇喷射定时对乙醇柴油双燃料发动机性能的影响tro10MPa增大喷射定时始终不利于乙醇的初期燃烧a邮密.0.64MPa25喷射定时对燃烧持续期的影响不同乙醇喷射定时对燃烧持续期(燃料燃烧10%~90%所需要的曲轴转角)的影响如图9所示。在小负荷时燃烧持续期随乙醇喷射定时提前而增加,燃烧都比原柴油机慢,而在大负荷时都随负荷的喷射定时/"cA增加而明显减少,并且燃烧都比原柴油机快,其明显图7乙醇喷射定时对等效燃料消耗量的影响曲线特征是在小负荷时乙醇喷射定时越提前,乙醇燃烧Fig 7 Effect of ethanol injection timing on越慢,而在大负荷时乙醇喷射定时越提前,乙醇燃烧quivalent fuel econom越快。在乙醇喷射定时为29°CA条件下,发动机燃2.4喷射定时对滞燃期的影响烧持续期在最小负荷时需要25A,而在最大负荷图8是不同乙醇喷射定时对发动机转速n=时尽管乙醇喷射量较最小负荷时增加了8倍左右,1600r/min负荷特性条件下滞燃期的影响曲线,本但燃烧持续期却只需要14℃A,充分说明双燃料发文定义为从点火喷射到燃料燃烧10%所需要的曲动机燃烧室内的温度决定着乙醇燃料汽化和燃烧速轴转角在中小负荷范围内特别是在小负荷时燃烧度,温度越高乙醇汽化的越快燃烧效率越高室内温度较低条件下,滞燃期随乙醇喷射定时增加。-原机柴油21柴油21乙醇20而增加,且随负荷的增加而增加。乙醇喷射定时越提柴油21乙醇26前,滞燃期越大,说明在燃烧初期乙醇燃料的蒸发不柴油21乙醇29利于燃烧,乙醇喷射定时越提前,意味着乙醇燃料能够蒸发的数量越多,吸收热量越多,使得燃烧室内温度越低,使燃烧时间延长。在小负荷时,滞燃期也随乙醇燃料喷射量加大而变长。乙醇喷射量增大也会平均有效压力/MPa吸收较多热量使得燃烧室内温度变低,不利于较快图9乙醇喷射定时对燃烧持续期的影响曲线燃烧。当在大负荷变时,燃烧室内的温度提高,非常Fig 9 Effect of ethanol injection timing on有利于初期乙醇的汽化和燃烧,这时乙醇循环喷射ombustion duration量的增加对乙醇的初期燃烧影响很小,在中等负荷3结论以后乙醇循环喷射量对滞燃期的影响变化不大。但原机柴油21(1)在乙醇作为主燃料用柴油点火的压燃式发亡柴油21乙醇20-柴油21乙醇动机上,乙醇燃料可以先于点火柴油喷射,在本试验柴池21乙醇机上乙醇的喷射定时为上止点前25°CA经济性最荣油21乙醇29佳,该发动机能够稳定工作的最大喷射定时应小于642上止点前31°CA(2)这种双燃料发动机应采取随负荷变大而增加乙醇喷射定时的控制方式。也可以采取在怠速和早均有效压力/MP小负荷时都用点火柴油喷射系统维持工作,而在较图8乙醇喷射定时对滞燃期的影响曲线大负荷时再喷入乙醇燃料。这将非常有利于提高该Fig. 8 Effect of ethanol injection timing on发动机的动力性和经济性。ignition delay period1何邦全,王建昕,郝吉明,着火改进剂对乙醇柴油燃料排放特性的影响[].内燃机学报,2003,21(6):417~4222刘金山郭应男谭满志,等.乙醇燃料内燃机均质压燃的工作区域[].吉林大学学报:工学版,2006,36(3):327~333于世涛,郭应男,卓斌,等.柴油/乙醇混合燃料的性质及对发动机性能的影响[].车用发动机,2004(3):16~184张克范,马伟东,冯文生,等.乙醇柴油混合燃料的应用研究[]柴油机,2005(1):21~23335常国峰张继鹏,尚海军,等,乙醇HCCI燃烧过程影响因素的数值模拟[J].农业机械学报200637(1)6方显忠,刘巽俊,李国良,等.直喷压燃式发动机用双喷射系统燃用柴油乙醇的研究[]农业机械学报,200536(3):7方显忠,刘巽俊李国良,等.缸内双直喷系统压燃式试验机的开发]吉林大学学报:工学版,2005,35(1):34~38.