燃料属性和冷却液温度对柴油机循环波动的影响_谭贵荣.pdf

1、第 44 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.44 No.3June 2023内 燃 机 工 程Chinese Internal Combustion Engine Engineering燃 料 属 性 和 冷 却 液 温 度 对 柴 油 机 循 环 波 动 的 影 响谭 贵 荣1，赵 增 亮1，潘 明 章2（1.广 西 玉 柴 机 器 股 份 有 限 公 司，玉 林 537000；2.广 西 大 学 机 械 工 程 学 院，南 宁 545003）Effects of Fuel Properties and Coolant Temperature on Cycle Variation o

2、f A Diesel EngineTAN Guirong1，ZHAO Zengliang1，PAN Mingzhang2（1.Guangxi Yuchai Machinery Group Company，Yulin 537000，China；2.School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 545003，China）Abstract：Based on a 11 L heavy-duty diesel engine which can meet China b emission standards，by using pur

3、e diesel，85%diesel+15%butanol，and 70%diesel+30%butanol by volume，the effects of fuel properties and coolant temperatures on cycle variation were studied.The results showed that there are no clear laws on the effects of adding different proportions of n-butanlol on cycle variation.The effect of fuel

4、properties on cycle variation is complex，and may be random.With coolant temperature increasing，cycle variation decreases，especially at low loads.High coolant temperature is more suitable for low cetane fuel at low loads.摘 要：基 于 一 台 可 满 足 国 六 b 排 放 标 准 的 11 L 重 型 柴 油 机，采 用 纯 柴 油、体 积 比 85%柴油+15%正 丁 醇

5、和 体 积 比 70%柴 油+30%正 丁 醇 燃 料 研 究 了 燃 料 属 性 和 冷 却 液 温 度 对 柴 油机 循 环 波 动 的 影 响。结 果 表 明，添 加 不 同 比 例 正 丁 醇 对 循 环 波 动 的 影 响 并 无 明 显 规 律，即 燃 料属 性 对 循 环 波 动 的 影 响 机 理 复 杂 并 可 能 呈 现 随 机 性。冷 却 液 温 度 升 高，循 环 波 动 降 低，这 在低 负 荷 时 更 加 明 显。低 十 六 烷 值 燃 料 在 低 负 荷 时 更 宜 采 取 较 高 的 冷 却 液 温 度。关 键 词：燃 料 属 性；冷 却 液 温 度；循 环 波

6、 动；柴 油 机Key words：fuel property；coolant temperature；cycle variation；diesel engineDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.03.013 中 图 分 类 号：TK4270 概 述宏 观 上 内 燃 机 的 工 作 是 稳 定 的，但 微 观 上 各 循 环之 间 的 热 力 参 数 并 非 均 匀 一 致，而 是 存 在 波 动，多 缸发 动 机 气 缸 与 气 缸 之 间 也 存 在 波 动1。循 环 波 动 是汽 油 机 燃 烧 过 程 的 一 大 特 征，大 量 研 究 表 明 主 要 燃 烧过

7、程 中 气 体 运 动 状 况 的 循 环 变 动 和 混 合 气 成 分 的 循环 变 动 是 汽 油 机 循 环 变 动 的 主 要 影 响 因 素2 3。相 比汽 油 机，柴 油 机 循 环 波 动 较 小，这 主 要 是 由 柴 油 机 非预 混 燃 烧 的 本 质 决 定 的，即 混 合 气 形 成 及 燃 烧 过 程 中燃 料 喷 射 占 主 导 地 位，特 别 是 近 年 来 柴 油 机 多 采 用 多次 喷 射，主 燃 烧 滞 燃 期 缩 短，扩 散 燃 烧 占 比 更 大。循 环 波 动 会 增 加 燃 油 消 耗 率，影 响 驾 驶 舒 适 性，循 环 波 动 越 小 越

8、好4。均 质 压 燃、低 温 燃 烧 等 新 型 燃烧 方 式 运 行 工 况 范 围 较 窄，较 小 的 循 环 波 动 就 可 能 导致 控 制 策 略 失 效5，因 而 柴 油 机 循 环 波 动 逐 渐 被 引 起重 视。近 年 来 也 有 研 究 表 明，循 环 波 动 的 增 加 会 导 致排 放 恶 化6。柴 油 机 循 环 波 动 机 理 目 前 并 未 达 成 共识，主 要 有 3 种 观 点：第 1 种 认 为 喷 油 系 统 不 稳 定（喷油 持 续 期 不 稳 定、循 环 喷 油 质 量 不 稳 定 等）是 引 起 循文 章 编 号：1000-0925（2023）03-

9、0109-05 440039收 稿 日 期：2022-12-12 修 回 日 期：2023-02-20基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（22172038）；内 燃 机 燃 烧 学 国 家 重 点 实 验 开 发 课 题 项 目（K2021-09）Foundation Item：National Natural Science Foundation of China（22172038）；Project of State Key Laboratory of Combustion of Internal Combustion Engines（K2021-09）作 者 简 介：谭

10、 贵 荣（1969），男，硕 士 生，主 要 研 究 方 向 为 内 燃 机 开 发，E-mail：；赵 增 亮（通 信 作 者），E-mail：。2023 年 第 3 期 内 燃 机 工 程环 波 动 的 主 要 原 因 7；第 2 种 认 为 滞 燃 期 的 延 长（如使 用 低 十 六 烷 值 燃 料 等）会 造 成 循 环 波 动 增 大，支 持这 种 观 点 的 研 究 者 较 多8 9；第 3 种 认 为 影 响 是 随 机的，可 以 采 用 统 计 方 法 进 行 分 析，但 短 时 间 内 难 以 准确 预 测10，与 汽 油 机 闭 环 燃 烧 类 似，通 过 本 循 环 的

11、 燃烧 信 息 反 馈 来 控 制 下 个 循 环 的 燃 烧 相 位 非 常 困 难。生 物 质 燃 料 可 替 代 部 分 柴 油 进 而 缓 解 能 源 危机，且 通 常 十 六 烷 值 较 低，和 柴 油 掺 混 可 以 大 幅 降 低碳 烟 排 放，因 而 各 种 生 物 质 燃 料 特 别 是 醇 类 的 研 究广 泛 开 展。正 丁 醇 与 柴 油 在 没 有 助 溶 剂 的 条 件 下 能够 完 全 互 溶，适 合 替 代 部 分 柴 油，更 是 受 到 研 究 者 重视11 13。正 丁 醇 十 六 烷 值 较 低，和 柴 油 掺 混 后 滞 燃期 延 长14，可 以 用 来

12、 研 究 燃 料 属 性 对 柴 油 机 循 环 波 动的 影 响 规 律。除 了 燃 料 属 性 外，冷 却 液 温 度 也 是 影 响柴 油 机 循 环 波 动 的 重 要 因 素，但 目 前 研 究 资 料 相 对 较少。文 献 15 中 研 究 表 明，冷 却 液 温 度 对 燃 烧 特 性 有重 要 影 响，在 不 同 负 荷 下 其 对 滞 燃 期 和 燃 烧 重 心（即50%放 热 量 对 应 曲 轴 转 角，记 为 CA50）的 影 响 规 律不 同。文 献 16 中 研 究 表 明，冷 却 液 温 度 的 差 异 会 影响 缸 内 温 度 分 层，进 而 影 响 压 力 升

13、高 率。柴 油 机 循 环 波 动 越 来 越 受 到 重 视，但 专 门 开 展柴 油 机 循 环 波 动 研 究 的 文 献 较 少。在 此 背 景 下，基于 一 台 满 足 国 六 b 排 放 标 准 的 重 型 柴 油 机，针 对 燃料 属 性 和 冷 却 液 温 度 对 柴 油 机 循 环 波 动 的 影 响 展开 研 究，分 析 其 规 律，以 促 进 柴 油 机 更 加 稳 定 地燃 烧。1 试 验 装 置 和 试 验 方 法试 验 在 一 台 直 列 6 缸 11 L 四 冲 程 高 压 共 轨 商 用重 型 柴 油 机 上 进 行，发 动 机 主 要 技 术 参 数 见 表

14、1。试验 台 架 示 意 如 图 1 所 示，主 要 包 括 发 动 机、测 功 机、进气 温 度 控 制 系 统、冷 却 液 恒 温 系 统、燃 烧 分 析 系 统 等，图 中 ECU 为 发 动 机 电 控 单 元（electronic control unit，ECU）。为 了 研 究 循 环 之 间 及 气 缸 之 间 的 循 环 波 动，每个 气 缸 上 都 安 装 了 1 支 缸 压 传 感 器。缸 压 传 感 器 和电 荷 放 大 器 均 采 用 KISTLER 公 司 产 品，AD 转 换 芯片 为 16 位。图 2 为 试 验 中 所 测 的 一 组 缸 压 数 据，但试 验

15、 过 程 中 气 缸 2 和 气 缸 5 的 缸 压 传 感 器 出 现 异 常（图 2 中 圆 圈 处 可 见），因 而 本 文 中 使 用 了 气 缸 1、气 缸3、气 缸 4 和 气 缸 6 的 缸 压 数 据。缸 压 采 集 及 燃 烧 分析 系 统 自 主 开 发，采 样 间 隔 为 0.5 曲 轴 转 角。为 了 确保 测 量 的 缸 压 数 据 可 靠 以 保 障 基 于 缸 压 计 算 得 到 的参 数 可 信，每 个 工 况 点 连 续 采 集 1 000 个 循 环 的 缸 压数 据 用 来 计 算 平 均 指 示 压 力（indicated mean effective

16、pressure，IMEP）等，IMEP 由 发 动 机 4 个 行 程 计 算 得出。通 过 该 方 式 尽 可 能 减 小 整 个 系 统 的 累 积 误 差。试 验 过 程 中，进 气 温 度 控 制 在（401），冷 却 液温 度 分 别 选 择（701）、（851）和（1001）。发 动 机 转 速 恒 定 在 1 400 r/min（最 大 转 矩 对 应 转 速），转 矩 选 择 300、600、900、1 200 和 1 500 N m。试 验使 用 的 燃 料 为 市 售 国 五 0 号 柴 油 和 正 丁 醇（纯 度99%），混 合 燃 料 中 正 丁 醇 体 积 分 数

17、分 别 为 0%、15%和 30%，依 次 记 为 D100、B15 和 B30。表 征 燃 烧 循 环 变 动 的 参 数 有 多 种，如 最 高 燃 烧 压力、最 大 压 力 升 高 率、平 均 指 示 压 力 等。通 常 用 IMEP波 动 率（coefficient of variation，CoV）来 评 价 燃 烧 稳 定性，记 为 CoVIMEP。CoVIMEP与 发 动 机 实 际 输 出 的 功 率成 正 比，是 表 征 车 辆 驱 动 性 的 主 要 参 数，该 值 超 过 10%表 明 车 辆 驱 动 性 能 恶 化 17。CoVIMEP计 算 如 式（1）所 示。CIM

18、EP=p-pmi 100%（1）图 1 试 验 台 架 示 意表 1 发 动 机 技 术 参 数项 目缸 径/mm行 程/mm排 量/L压 缩 比涡 流 比燃 烧 室 型 式进 气 方 式参 数12315410.979171.3 型增 压 中 冷图 2 6 个 缸 的 气 缸 压 力 曲 线 110内 燃 机 工 程 2023 年 第 3 期p=j=1N(pmi(j)-pmi)2/N式 中，CIMEP为 CoVIMEP；p为 平 均 指 示 压 力 的 标 准 偏差，N 为 循 环 总 数 量；pmi(j)和-pmi分 别 为 第 j 个 循 环的 平 均 指 示 压 力 和 平 均 指 示

19、压 力 的 平 均 值。2 试 验 结 果 及 分 析2.1 燃 料 属 性 对 燃 烧 波 动 的 影 响图 3 是 冷 却 液 温 度 恒 定 在 85 时，不 同 气 缸、不 同 燃 料 的 循 环 波 动 系 数 随 转 矩 变 化 的 关 系。从 图中 可 以 明 显 看 出：随 转 矩 变 大，CoVIMEP逐 渐 降 低；在600 N m 及 以 上 的 中、高 负 荷，正 丁 醇 的 添 加 对CoVIMEP几 乎 没 有 影 响；很 难 找 到 正 丁 醇 添 加 之 后 对CoVIMEP影 响 的 共 性 规 律，即 使 在 300 N m 工 况 点，虽 然 正 丁 醇

20、添 加 后 不 同 气 缸 3 种 燃 料 对 应 的CoVIMEP出 现 较 大 差 异，但 没 有 一 致 性 的 规 律。因 为 转 速 恒 定，进 气 量 基 本 固 定，随 转 矩 变 大，喷油 量 增 加，混 合 气 变 浓，缸 内 温 度 升 高，燃 料 蒸 发 速 率加 快，油 气 混 合 和 燃 烧 过 程 都 得 到 改 善，发 动 机 燃 烧过 程 更 加 稳 定，所 以 CoVIMEP随 转 矩 变 大 而 降 低。但随 着 正 丁 醇 比 例 逐 步 增 大，对 应 的 CoVIMEP并 没 有 表现 出 规 律 性。以 300 N m 为 例，对 于 气 缸 1 和

21、 气 缸3，B15 对 应 的 CoVIMEP最 大；但 对 于 气 缸 4 和 气 缸 6，燃 用 3 种 燃 料 的 CoVIMEP几 乎 没 有 差 别。这 可 能 是因 为 循 环 波 动 和 滞 燃 期 有 关8 9，滞 燃 期 延 长 后 预 混燃 烧 占 比 变 大，会 造 成 循 环 波 动 变 大。由 于 正 丁 醇 十六 烷 值 较 低，和 柴 油 掺 混 后 燃 料 十 六 烷 值 随 正 丁 醇 占比 增 加 而 降 低，滞 燃 期 也 会 逐 渐 延 长13，但 图 3 的 结果 并 不 能 证 实 滞 燃 期 和 循 环 波 动 的 一 致 关 系。而 试验 用 发

22、 动 机 喷 油 系 统 可 靠，喷 油 压 力 和 循 环 喷 油 量 对循 环 波 动 的 影 响 基 本 可 以 忽 略，即 概 述 中 的 影 响 循 环波 动 的 3 个 因 素 中 排 除 了 滞 燃 期 和 喷 油 压 力 不 稳 定的 影 响，因 而 认 为 燃 料 属 性 改 变 后 影 响 柴 油 机 循 环 波动 的 因 素 更 加 复 杂 甚 至 可 能 是 随 机 的，文 献 10 中 也得 到 类 似 结 论。支 持 柴 油 机 循 环 波 动 和 滞 燃 期 一 致 观 点 的 部分 研 究 者 采 取 了 用 最 高 燃 烧 压 力 或 最 大 压 力 升 高率

23、 来 评 价 循 环 波 动 的 方 法。滞 燃 期 变 长，预 混 燃 烧所 占 比 例 变 大，对 应 的 最 高 燃 烧 压 力 也 会 升 高，压力 升 高 率 也 会 变 大，即 上 述 两 个 参 数 对 滞 燃 期 长 短很 敏 感，滞 燃 期 的 长 短 会 直 接 影 响 最 高 燃 烧 压 力 和压 力 升 高 率 的 大 小，因 而 不 难 得 出 循 环 波 动 和 滞 燃期 一 致 的 观 点。但 用 最 高 燃 烧 压 力 或 压 力 升 高 率来 评 价 循 环 波 动 不 具 有 代 表 性，用“点”反 映 发 动 机实 际 的 输 出 功 率 有 很 大 的

24、随 机 性。图 4 是 用 最 高燃 烧 压 力 来 评 价 循 环 波 动 的 结 果（记 为 CoVpmax，类似 于 CoVIMEP，用 最 高 燃 烧 压 力 代 替 IMEP 来 评 价燃 烧 的 循 环 波 动），工 况 点 与 图 3 中 相 同。从 图 4可 以 看 出，添 加 正 丁 醇 后 总 体 上 来 讲 CoVpmax会 变大，但 与 正 丁 醇 比 例 并 非 呈 线 性 关 系，燃 用 B15 和B30 燃 料 在 不 同 气 缸、不 同 工 况 下 的 CoVpmax没 有 明显 的 共 性 规 律，即 燃 料 属 性 改 变 后，循 环 波 动 系 数对 滞

25、燃 期 的 敏 感 性 大 幅 降 低。图 3 用 CoVIMEP评 价 不 同 气 缸、不 同 燃 料 的 循 环 波 动 随 转 矩变 化 关 系（冷 却 液 温 度 85）1112023 年 第 3 期 内 燃 机 工 程2.2 冷 却 液 温 度 对 燃 烧 波 动 的 影 响图 5 是 在 不 同 冷 却 液 温 度 下 燃 用 D100、B15 和B30 燃 料 时 气 缸 1 的 CoVIMEP随 转 矩 的 变 化。从 图中 可 以 看 出：冷 却 液 温 度 越 高，CoVIMEP越 低；随 冷 却液 温 度 升 高，在 低 负 荷 时 CoVIMEP降 低 的 幅 度 总

26、体 上更 大，以 B30 为 例，在 300 N m 下 当 冷 却 液 温 度 由70 上 升 到 100 时，CoVIMEP由 7.67%下 降 到3.35%；随 正 丁 醇 比 例 变 大，CoVIMEP对 冷 却 液 温 度更 加 敏 感。升 高 冷 却 液 温 度 可 以 降 低 传 热 损 失，但 残 余 废气 及 有 关 零 件 的 温 度 也 相 应 升 高，导 致 充 气 效 率 和过 量 空 气 系 数 降 低，在 高 负 荷 时 可 能 会 对 燃 烧 产 生不 利 影 响；而 在 低 负 荷 时，由 于 循 环 波 动 较 大，更 宜采 用 高 的 冷 却 液 温 度。

27、压 缩 终 了 的 气 体 温 度 是 影响 柴 油 机 循 环 波 动 的 重 要 参 数，负 荷 较 低 时 缸 内 温度 较 低，循 环 波 动 较 大，而 高 的 冷 却 液 温 度 可 以 减少 传 热 损 失，从 而 提 升 压 缩 终 了 时 缸 内 温 度，使 燃烧 更 加 稳 定。图 6 是 D100 燃 料 在 300 N m 负 荷、3 种 冷 却 液 温 度 下 3 个 工 况 点 1 000 个 循 环 的IMEP。从 图 6 可 明 显 看 出，随 冷 却 液 温 度 升 高，IMEP 波 动 逐 渐 减 小。冷 却 液 温 度 升 高 后 燃 用 柴油 正 丁 醇

28、 混 合 燃 料 CoVIMEP的 降 低 幅 度 更 大（如图 5（c）所 示），这 是 由 于 正 丁 醇 十 六 烷 值 较 低，着图 5 冷 却 液 温 度 对 循 环 波 动 的 影 响 图 4 用 COVpmax评 价 不 同 气 缸、不 同 燃 料 的 循 环 波 动 随 转矩 变 化 关 系（冷 却 液 温 度 85）112内 燃 机 工 程 2023 年 第 3 期火 相 对 困 难，对 影 响 着 火 的 边 界 条 件 很 敏 感。由此 也 可 推 断，冷 却 液 温 度 对 低 十 六 烷 燃 料 循 环 波 动影 响 更 大。但 在 高 负 荷 时 CoVIMEP已

29、经 很 低 且 气缸 壁 面 温 度 较 高，冷 却 液 温 度 已 不 是 影 响 循 环 波 动的 主 要 因 素，因 而 对 3 种 燃 料 的 CoVIMEP影 响 都较 小。表 2 是 转 矩 300 N m、不 同 冷 却 液 温 度 下，D100、B15 和 B30 燃 料 对 应 的 着 火 时 刻（以 总 放 热 量 5%时对 应 的 曲 轴 转 角 表 征，记 为 CA5）平 均 值，即 求 出 工 况点 连 续 1 000 个 循 环 的 每 个 循 环 的 CA5，再 对 1 000个 CA5 取 平 均。由 表 2 可 知，对 于 上 述 3 种 燃 料，虽然 冷 却

30、 液 温 度 升 高 后 CA5 有 所 提 前，但 幅 度 非 常 小，可 以 理 解 为 冷 却 液 温 度 提 高 后 滞 燃 期 改 变 非 常 有 限。但 从 图 6 可 知，在 此 工 况 点 下 每 种 燃 料 的 CoVIMEP对冷 却 液 温 度 都 非 常 敏 感，据 此 也 可 推 断，滞 燃 期 并 不是 影 响 柴 油 机 循 环 波 动 的 最 主 要 因 素。3 结 论（1）用 平 均 指 示 压 力 来 评 价 柴 油 机 循 环 波 动 时，随 着 正 丁 醇 比 例 的 变 大，不 同 转 矩、不 同 气 缸 下 柴 油机 循 环 波 动 变 化 并 没 有

31、 明 显 规 律，即 燃 料 属 性 对 循环 波 动 的 影 响 机 理 复 杂，甚 至 可 能 是 随 机 的。（2）用 最 高 燃 烧 压 力 来 评 价 柴 油 机 循 环 波 动时，滞 燃 期 是 影 响 循 环 波 动 的 重 要 因 素，但 燃 料 属 性改 变 后 循 环 波 动 对 滞 燃 期 的 敏 感 性 降 低。（3）冷 却 液 温 度 升 高 后 在 不 同 转 矩 下 循 环 波 动都 会 降 低，但 在 低 负 荷 或 正 丁 醇 所 占 比 例 较 大 时 循环 波 动 降 低 的 幅 度 更 大。因 此，低 十 六 烷 值 燃 料 在发 动 机 低 负 荷 时

32、 宜 采 用 较 高 的 冷 却 液 温 度。参 考 文 献：1 刘 圣 华，周 龙 保，韩 永 强，等.内 燃 机 学 M.北 京：机 械 工 业 出版 社，2017：92 94.2 PEAR C，KNOP V，REVEILLON J.Influence of flow and ignition fluctuations on cycle-to-cycle variations in early flame kernel growth J.Proceedings of the Combustion Institute，2015，35（3）：2897 2905.3 BIZON K，CONTIN

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37、转 第 124 页）图 6 燃 用 D100 燃 料 在 300 N m 时 不 同 冷 却 液 温 度 下 1 000个 循 环 的 IMEP表 2 D100、B15 和 B30 在 不 同 冷 却 液 温 度 下 的 CA5燃 料D100B15B30CA5/（）冷 却 液 70 3.5984.0404.219冷 却 液 85 3.4973.9954.040冷 却 液 100 3.2613.2703.375 1132023 年 第 3 期 内 燃 机 工 程of diesel engine cylinder liner under pre-tightening condition J.Tra

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