燃油温度对电控单体泵增压柴油机性能影响研究

吴子军，杜巍，刘福水，孙伟华

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

0 引言

影响增压柴油机性能的因素有很多，燃油温度是影响其性能的主要因素之一。国内外的一些研究表明，燃油温度过高或者过低会改变燃油自身的密度、粘度等物理特性，使柴油机的燃油喷射和雾化状况发生变化，进而影响燃烧特性，最终导致发动机性能产生变化[1－4]。文献[5]对柴油机燃油的物性参数进行了详细的研究，其研究表明，柴油的粘度和密度会随着柴油温度的升高而减小，具体的变化规律如图1 ～图2 所示。

图1 燃油密度随压力和温度的变化关系Fig.1 Fuel density variation with pressure and temperature

图2 燃油运动粘度随压力和温度的变化关系Fig.2 Fuel kinetic viscosity variation with pressure and temperature

与此同时，国内外现行的车用柴油机性能试验方法对柴油温度还做出了严格要求，如国内的《汽车发动机性能试验方法标准》规定柴油温度控制在(40 ±5)℃，ISO 要求柴油温度控制在(40 ±3)℃，SAE 要求在(40 ±1)℃.

然而，实际的柴油机工作环境是复杂多变的。我国的军用标准要求装甲车辆能够在－43 ℃～46 ℃环境下正常工作，这就要求发动机也要适应不同的环境温度。同时，装甲车辆动力舱内的空气温度随着车辆运行工况的变化而变化，局部温度高达102 ℃[6].由于柴油箱通常位于动力舱的内部，柴油箱内的燃油必然受到外界环境和动力舱的传热影响，其温度很难保持在行业试验标准要求的40℃左右。燃油温度的变化，势必使发动机原有标定的性能发生改变，进而对整车性能造成一定的影响。因此，研究燃油温度对电控柴油机性能的影响规律，能够为电控系统提供喷油控制参数的修正策略，对于保证使用过程中的整车性能具有重要意义。

本文针对1 台电控单体泵式涡轮增压中冷多缸柴油机进行了变燃油温度的试验研究，在电控参数不变的情况下，测量和分析了在单体泵入口前、不同的燃油温度对喷油特性、针阀升程、燃烧压力、放热率、有效功率、有效燃油消耗率、进气压力、排气温度等性能指标的影响规律，为电控系统的喷油参数修正提供了参考依据。

1 试验设备和试验内容

1.1 试验设备

本文的研究对象是1 台V 型8 缸电控单体泵增压中冷柴油机，主要技术参数见表1.

表1 柴油机主要技术参数Tab.1 Main parameters of diesel engine

主要测试设备有:

1)湖南湘仪动力测试仪器公司的测功和数据采集系统;

2)上海同圆公司的热式气体质量流量计;

3)瑞士Kistler 公司的瞬态缸压传感器;

4)瑞士Kistler 公司的喷油压力传感器;

5)美国Wolf 公司喷油器针阀升程传感器;

6)上海同圆公司的瞬态油耗仪及其柴油温度调节系统。

1.2 试验内容

目前还没有相关研究者对车辆燃油箱内的燃油温度变化范围给予精确测量。考虑实际车辆工作的环境温度－43 ℃～46 ℃和动力舱局部温度可能高达100 ℃左右，以及外界环境和动力舱对柴油箱内燃油的传热作用，结合试验台架上的柴油温度调节能力，本文对单体泵入口前柴油温度的设定值分别为30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃.

试验工况为:在发动机转速1 800 r/min、最大负荷工况时，固定喷油提前角、喷油持续期的控制信号和中冷后进气温度等参数，测量柴油机的高压喷油特性参数、缸内燃烧特性参数和性能指标随单体泵入口前柴油温度的变化情况。

2 试验结果与分析

2.1 燃油温度对柴油机喷油特性的影响

对于电控单体泵式柴油机而言，在稳定工况下，电控单元ECU 发出的喷油提前角和喷油持续期等控制指令参数是基本不变的，使得单体泵供油系统每循环的喷油时刻和喷油量保持恒定。如果单体泵入口前的燃油温度发生变化，势必改变了进入单体泵柱塞中柴油的密度和粘度，导致高压燃油油压建立和燃油喷射状况产生变化。

图3 ～图6 分别为柴油温度分别为30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃时，第1 缸的喷油器针阀升程曲线、喷油压力曲线、最高喷油压力和每循环喷油量随柴油温度的变化情况。可见:随着燃油温度从30 ℃增加到80 ℃，针阀打开的时刻逐渐推后，约推后了1°CA，高压油管内油压的建立和上升的速率变缓，油压曲线中第1 个峰值稍有降低，出现的时间推迟了约1°CA，高喷油压力的持续角度变小，最高喷油压力出现的时刻也推迟，并且压力值从116.5 MPa 逐渐减小到103 MPa，下降了11.3%;每循环喷油量从212 mg 逐渐减小至196.6 mg，下降了7.26%.这些变化规律主要是由于柴油的密度和粘度随着温度的升高而降低引起的，单体泵柱塞和泵体之间的泄漏量随着温度的升高而增加，使得油压建立推迟、喷油时刻滞后，最高喷油压力减小。在供油时间不变的情况下，柴油密度减小和单体泵的泄漏量增加，直接导致每循环喷油量减少。

图3 不同燃油温度时的针阀升程曲线Fig.3 Curves of needle displacement with the change of fuel temperature

2.2 燃油温度对柴油机燃烧特性的影响

在稳定工况下，柴油机缸内的进排气组织是基本不变的，喷油压力、喷油量、喷油提前角随燃油温度的增加而线性减小，必然会影响到缸内燃烧过程和燃烧特性。

图4 不同燃油温度时的喷油压力曲线Fig.4 Curves of injection pressure with the change of fuel temperature

图5 不同燃油温度时的最高喷油压力Fig.5 Variation of max injection pressure with fuel temperature

图6 不同燃油温度时的每循环喷油量Fig.6 Variation of injection mass per cycle with fuel temperature

图7～图8 分别为发动机第1 缸的瞬时缸内压力曲线和瞬时放热率曲线随温度的变化情况。可见:随着燃油温度的升高，缸内压力的上升速率逐渐下降，循环指示功逐渐减小，瞬时放热率曲线稍有不同，着火时刻略有延迟。这是因为喷油量减小了，柴油机气缸内每循环参与燃烧的燃油质量减少，导致释放的总能量减少，缸内的燃烧压力随之降低。并且喷油压力和喷油时刻随燃油温度改变而变化，使缸内燃油雾化的状况发生改变，柴油机的油、气、室匹配的一致性发生变化，导致整个缸内燃烧过程和燃烧品质随之而变，着火时刻和放热率曲线也发生改变。

图7 不同燃油温度时的缸内压力曲线Fig.7 Cylinder pressure curves with the change of fuel temperature

图8 瞬时放热率曲线随燃油温度的变化情况Fig.8 Instantaneous heat release rate curves with the change of fuel temperature

图9～图10 分别为5%累积放热率对应角度、90%累积放热率对应角度、主燃期、最高燃烧压力随燃油温度变化的情况。从图中显示，燃油温度从30 ℃变化到80 ℃时，5%的累积放热率对应角度从上止点前2.3°CA 单调变化到上止点前1.6°CA;90%累积放热率对应角度从上止点后57.7°CA 单调变化到上止点后60.8°CA;燃烧过程也变慢，主燃期由60°CA 单调递增到62.5°CA，而最高燃烧压力也从15.9 MPa 逐渐降低到14.5 MPa.

2.3 燃油温度对柴油机性能指标的影响

柴油机的性能指标是由其内部燃烧特性因素所决定的，燃油温度变化所带来的缸内燃烧过程和燃烧品质的变化必然直接影响到柴油机的有效功率、有效燃油消耗率等性能指标。

图11 ～图12 分别为柴油机有效功率、有效燃油消耗率、排气温度、增压器后气体压力随柴油温度的变化关系。可见:当柴油温度从30 ℃变化到80 ℃时，柴油机有效功率、有效燃油消耗率、排气温度、增压器后气体压力随柴油温度的变化基本上呈近似的线性关系，有效功率从451.6 kW 降到了415 kW，下降了8.1%;有效燃油消耗率从201.8 g/(kW·h)增加到203.8 g/(kW·h)，增加了1%;增压器后气体压力从0.188 MPa 降到了0.171 MPa，下降了9%;排气温度从626.5 ℃降到了610.5 ℃，下降了2.55%.柴油机性能指标的变化主要是由于燃烧的总能量减少了，缸内压力下降，使柴油机的做功能力降低，有效功率减少;并且主燃期变长使柴油机的等容做功能力减小，效率降低，燃油经济性变差，有效燃油消耗率升高。

图9 不同燃油温度时的5%和90%累积放热率对应角度Fig.9 Curves of 5% and 90% cumulates heat release rate with the change of fuel temperature

图10 不同燃油温度时的最高燃烧压力和主燃期Fig.10 Variations of max cylinder pressure and principle combustion period with fuel temperature

图11 不同燃油温度时的功率和燃油消耗率Fig.11 Variation of power and fuel consumption rate with fuel temperature

图12 不同燃油温度时的排气温度和进气压力Fig.12 Variations of exhaust temperature and intake air pressure with fuel temperature

从以上的数据分析，燃油温度升高以后，柴油自身的密度和粘度会减小，单缸的每循环喷油量下降，相当于柴油机进行了负荷特性试验，只是其下降的幅度比增压器后进气压力下降的幅度小，因此在进气温度不变的情况下，空燃比也呈下降趋势，加上实际的喷油时刻稍有延迟，所以有效燃油消耗率随着温度的升高而升高。对于排气温度来说，空燃比减小、喷油推迟会造成排气温度升高，但是由于喷油量减少的影响力更大，所以造成排气温度也随着燃油温度的升高而下降。

3 结论

1)燃油温度在一定范围内提高，会降低每循环喷油质量和最高喷油压力，并基本上呈线性关系，同时喷油时刻也会稍有推迟。

2)燃油温度在一定范围内提高，会推迟着火时刻，减缓放热速度，增加主燃期，降低了最高燃烧压力，并基本上呈线性关系。

3)燃油温度在一定范围内提高，会降低柴油机的输出功率、增加燃油消耗率、降低排气温度、降低增压器后的进气压力，并基本上呈线性关系。

References)

[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社，1999.ZHOU Long－bao.Internal combustion engine[M].Beijing:China Machine Press，1999.(in Chinese)

[2]Kubota M，Yoshida K，Shoji H，et a1.A study of the influence of fuel temperature on emission characteristics and engine performance of compression ignition engine[C]∥SAE 2002 World Congress.Detroit，Michigan:SAE，2002:Paper－32－1777.

[3]郑清平，李方成.柴油机的燃油对动力性的影响及校正[J].柴油机设计与制造，1997，(4):14 －18.ZHENG Qing－ping，LI Fang－cheng.A study of the influence and correcting of fuel on diesel engine[J].Design and Manufacture of Diesel Engine，1997(4):14 －18.(in Chinese)

[4]赵雪菲，李孝禄，方晓敏，等.温度对柴油和二甲醚喷射系统性能的影响[J].农业机械学报，2009，40(6):10 －15.ZHAO Xue－fei，LI Xiao－lu，FANG Xiao－min，et al.Comparison of diesel and DME injection system performances at different temperatures[J].Transactions of the Chinese Society for Agicultural Machinery，2009，40(6):10 －15.(in Chinese)

[5]王钧效，陆家祥，张锦杨，等.柴油机燃油物性参数的研究[J].内燃机学报，2001，19(6):507 －510.WANG Jun－xiao，LU Jia－xiang，ZHANG Jin－yang，et al.Study on physical characters parameters of fuel used in diesel engines[J].Transactions of CSICE，2001，19(6):507 －510.(in Chinese)

[6]李亮，王剑，李培京，等.特种车辆动力舱温度场试验研究[J].车辆与动力技术，2009，(1):43 －46.LI Liang，WANG Jian，LI Pei－jing，et al.Experimental research on temperature field of engine compartment of tank[J].Vehicle ＆Power Technology，2009，(1):43 －46.(in Chinese)