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【摘 要】对比汽油机和柴油机的发展潜力，柴油机具有更大的优势。柴油机小但能够用于重型载货汽车、超重型载货汽车，而且在轻型载货汽车、轿车上的应用也越来越普及。在低温条件下，柴油汽车发动机存在运行状况不佳、燃油经济性差的特征。依据热力学原理，利用柴油发动机 正常工作时循环系统的高温循环水，通过燃油预热装置使其与即将喷入发动机燃烧室的柴油预先进行热交换燃油预热，并利用FC2000发动机测控系统，对柴油汽车发动机燃油经济性进行台架试验，对燃油消耗量随温度变化特性 进行试验研究，获得了柴油汽车发动机最佳预热温度范围。
【关键词】发动机;柴油预热;燃油经济性
引言
柴油发动机具有压缩比大、燃料转化为功的效率高、耗油少等优点，在通常情况下，发动机燃烧燃油所产生的热量除正常做功外，大多被循环系统的冷却水带至散热器而白白浪费掉，并没有被高效利用。鉴于此，本研究利用发动机循环系统水套中 80。C-90。C的循环水，通过一种特殊的燃油预热装置，将喷入气缸前的燃油在燃油预热装置中与高温循环水进行热交换，进而提高柴油的流动性及雾化效果，改善柴油发动机的燃油经济性，达到节能减排目的。
一、柴油機燃油预热装置的工作原理
本研究运用工程热力学原理，在寻求柴油汽车发动机燃油经济性最佳目标基础上，设计了一种独特的燃油预热装置。这种燃油预热装置，不同于以往其他的燃油预热装置，它不消耗动能或电能，只是利用发动机循环系统水套中80℃-90℃循环水的热量，将燃油在预热装置中与高温循环水进行热交换。该装置安装在柴油发动机的供油系统中，在燃油供给管路上对燃油进行预加热，使喷入发动机气缸前的燃油温度能够保持在某一特定的温度范围，而这一温度范围应该是发动机燃油经济性最佳的温度范围。通过发动机的台架试验测试，寻找燃油温度与发动机燃油经济性的关系特性，寻求柴油机发动机燃油燃烧最佳温度范围。并通过在燃油预热装置上加装温度传感器和温度开关控制阀，来实现对预定温度范围的调整、控制。在交换过程中，不适宜无限制地进行热量热交换，燃油温度也不适宜高于临界值以上，因燃油温度过高反而会使燃油经济性下降，因此，需要对燃油预热装置进行温度控制。
二、柴油发动机燃油经济性台架测试实验
将燃油预热装置安装在柴油发动机台架的供油系统上，将燃油温度人为控制在30℃-80℃之间，通过改变进入燃油 预热装置（热交换器）循环水的流速、流量，进而在逐步升温的条件下，进行燃油消耗量随温度变化特性实验，通过FC2000发动机测控系统控制发动机的工作状态并记录实验数据。围绕柴油发动机燃油经济性能，进行相应测试实验。
1、相同转速下燃油消耗量随温度变化特性。利用燃油预热装置，逐步提高喷入发动机汽缸前的燃油温度，柴油发动机的转速同为1800r/min，转矩分 别为80N.m和100N.m的特定条件下，燃油消耗量随燃油预热温度变化的特性曲线。在柴油发动机转速为 1800r/min，转矩为80 N.m的条件下，利用燃油预热装置，逐步提高喷入发动机汽缸前的燃油温度（30℃-80℃），燃油消耗量从4.549 kg/h 降至3.765 kg/h，降幅达 17.2%。可以看出，在柴油发动机转速为1800r/min，转矩 为100N.m的条件下，利用燃油预热装置，逐步提高喷入发动机 汽缸前的燃油温度（30℃-80℃），燃油消耗量从5.226kg/h降至4.651kg/h，降幅达11. 0%。可见，在柴油发动机转速不变，转矩不同的条件下，逐步提高喷入发动机汽缸前的燃油温度，柴油发动机燃油消耗量均有所下降，且降幅比较明显。
2、不同转速下燃油消耗量随温度变化特性。
尽管利用燃油预热装置，逐步提高喷入柴油发动机汽缸前的燃油温度，发动机的燃油消耗量会有一定程度的降低。但发动机燃油消耗量随温度变化的特性是否呈线性规律特征，通过不同转速下燃油消耗量随温度变化特性实验来具体分析一下。在不同转速条件下，燃油消耗量随燃油温度变化特性曲线并非呈线性特征，曲线有最低点拐点，且最低点在42℃左右附近范围。
三、柴油发动机预热方法
1、电加热预热方法。该方法是利用电热丝直接加热供油系统从而问接加热燃油的方法，是燃油温度试验中最为常用的燃油加热手段。
（1）加热单元。加热燃油的热量来自于通电后的电热丝、加热带等电器元件。由于供油系统高压油管属于热与电的良导体，冈此在保证电热丝与高压油管之间形成可靠绝缘的前提下，还要确保电热丝的热量能够高效的输送至高压油管内部并迅速的加热流经的燃油。利用功率换算能够得到电热丝阻值，选取适当阻值的电热丝。试验时，使用云母布等绝缘材料均匀紧密缠绕在高压油管外表面，再将套装有玻璃纤维管的电热丝缠绕在已经包有云母布的高压油管外侧。最后在电热丝外包裹一层石棉布或者玻璃纤维布来减少热量散失。根据试验需求将多根电热丝串联或者并联在一起，用以实现不同的加热温度。
（2）测温单元。测温单元由铂电阻温度传感器、防护套筒、温度传感器显示表以及高压油管温度传感器安装座组成。使用电热丝加热燃油的加热温度范围都比较大，一般在20—350℃，因此采用测量范围大、温度敏感度高的铂电阻温度传感器。由于要测量高压油管内的燃油温度，因此要在高压油管上安装温度传感器座，以保证在能够准确探测燃油温度的同时，不会出现漏油现象而影响供油压力。
2、尾气加热预热法。该方法是利用发动机尾气的高温为燃油进行加热的方法，利用发动机排气余热为燃油加热需要对发动机供油装置的部分结构进行改造，如提高输油泵压力，增加供油量，并在输油泵出油口位置增加一个回油。增大输油泵的供油量，在保证正常为发动机供油的同时，增量部分将通过输油泵的回出油口流经加热油管后回到油箱。将由回出油口引出的加热油管以螺旋形式紧密地缠绕在发动机排气管外侧，使其充分的与排气管接触。为了更好的吸收排气热量可将加热油管做成管片状包裹于排气管周围，同时用保温材料将加热油管进行包裹，最大程度的吸收排气管的热量，减少热量损失。最后将加热油管接回油箱，以达到给油箱内燃油加热的目的。使用发动机排出的高温气体加热燃油，既节省了蓄电池的电量，又充分利用的发动机余热。但其存在的不足是：改动发动机供油系统结构会造成发动机供油量不足，影响发动机正常的动力输出;并且该方法需要在汽车结构上添加人量金属管件，严重的增加了汽车的负载;发动机排气温度极高，可达到600℃以上，单纯使用排放排气的热量来加热油箱内的燃油，无法控制燃油温度，不仅危险程度加大，而且无法达到预期的试验效果。 四、燃油预热对柴油机经济性影响
1、燃油温度与燃油雾化效果。发动机的动力性、经济性和排放污染物的浓度都与发动机的燃烧过程由关系。影响发动机燃烧过程的直接冈素很多，如燃油喷射雾化、进气系统和燃烧室形状等，其中燃油雾化的质量是最重要的影响因素。喷油雾化质量好的标志是所喷出的油粒细小均匀，这样可增大油粒与空气接触的总而积，使燃料蒸发和氧化进行得较快，缩短着火延迟时期，有利于燃料迅速、完全地燃烧，提高柴油机的动力性和经济性。蓄压管压力及燃油在喷油器喷孔处的压降，是决定燃油雾化质量和油滴尺寸的主要因素。而蓄压管压力及燃油喷孔处压降是受燃油弹性模量、粘度及表面张力直接影响的，燃油温度间接对其产牛影响。但现代高压共轨电控燃油喷射系统的喷油压力极高，受燃油温度影响的压降率极小，其对喷雾的油滴尺寸、索特平均直径的影响不显著。在对燃油温度的变化范围20～260℃区间内进行燃油雾化特性研究过程中得到，燃油温度的升高，使燃油的气相转换率提高，燃油的蒸发效果随燃油温度的升高而增大。
2、燃油温度与发动机燃烧特性。发动机的燃烧特性直接影响发动机的动力性、经济性及排放污染物浓度。当发动机处于稳定工况时，蓄压管压力、喷油量、喷油率等喷射参数都随燃油温度的增加而线性减小，燃油的雾化效果随温度升高而增强。由燃油温度变化而产生变化的燃油喷射参数及蒸发效果会导致缸内燃烧特性如：气缸压力、最高燃烧压力、燃料放热率等的变化。燃油温度的升高引起喷油率减小，噴油器针阀开启持续时问延长，这一系列的连锁变化导致发动机燃料燃烧的着火延迟期滞后。由于燃料燃烧的滞燃期迟后，燃料开始燃烧对应的曲轴转角延迟，在燃料燃烧释放出最大燃烧压力之前发动机活塞已经进入下行阶段，燃料燃烧速率减缓，主燃期延长，因此降低了燃烧的最高压力及最高温度，同时引起发动机排放温度的升高。对燃油温度与燃烧特性的关系进行过论述中提到，燃油温度升高，喷油器针阀开启持续时间延长，导致发动机燃料燃烧的滞燃期延迟。由于燃料燃烧的滞燃期迟后，燃料开始燃烧对应的曲轴转角延迟，在燃料燃烧释放出最大燃烧压力之前发动机活塞已经进入下行阶段，燃烧的主燃期延长，因此使燃烧的最高压力及最高燃烧温度降低。同时燃油温度升高，燃料雾化充分，燃烧彻底，但是燃料温度升高也会造成喷油率和喷油量的减少，燃料燃烧所放出的总热量降低，而使发动机的有效功率降低。
3、燃油温度对燃油消耗率的影响。燃油温度与喷油定时、喷雾特性和混合气形成过程以及燃油结焦与否等因素密切相关，过高的燃油温度不利于喷雾在轴向及径向的发展，进而影响缸内混合气当量比的合理分布，并导致喷油定时过分推迟。实际上，对在用机型通过高温燃油喷射来改善其性能，存在着一个最佳的燃油温度范围，在此温度范围内，可兼顾发动机的燃油经济性与低排放性能。为了寻求受试发动机的最佳燃油温度范围，可通过数值模拟计算对高温燃油喷射雾化、蒸发及其混合气形成过程进行研究，以探讨燃油热强化的作用机理及其与燃烧参数的匹配关系。
结论
由此可见，柴油发动机的燃油经济性随燃油预热温度的提高而有一定的改善。在柴油发动机不同的转速条件下，分别进行燃油消耗量随燃油预热温度变化的特性实验，实验表明特性曲线呈现出非常相近的最低燃油消耗量值，最低值点在42℃左右附近范围。
1、通过燃油预热装置对燃油预加热，柴油发动机燃油消耗量有一定程度的下降。
2、如果将柴油发动机燃油预热温度持续提高，燃油消耗量并非呈现线性递减的趋势，在预热温度超过某一特定温度范围时，燃油消耗量反而会呈上升趋势。
3、在进行测试实验的特定工况下，燃油消耗量随温度变化的特征曲线最低点（拐点）温度值在 42℃左右附近范围。
参考文献：
[1]刘高. 基于模糊 PID 算法的柴油机冷却水模糊控制器的 研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2017.
[2]杨荣海，李心月，李少岩. 基于燃烧室外预热的柴油 发动机性能分析[J]. 森林工程，2018（6）.
[3]李心月，杨荣海，韩慧岷. 柴油燃烧室外预热对发动 机性能的影响[J]. 森林工程，2017（3）.
（作者单位：辽宁工业大学）
【关键词】发动机;柴油预热;燃油经济性
引言
柴油发动机具有压缩比大、燃料转化为功的效率高、耗油少等优点，在通常情况下，发动机燃烧燃油所产生的热量除正常做功外，大多被循环系统的冷却水带至散热器而白白浪费掉，并没有被高效利用。鉴于此，本研究利用发动机循环系统水套中 80。C-90。C的循环水，通过一种特殊的燃油预热装置，将喷入气缸前的燃油在燃油预热装置中与高温循环水进行热交换，进而提高柴油的流动性及雾化效果，改善柴油发动机的燃油经济性，达到节能减排目的。
一、柴油機燃油预热装置的工作原理
本研究运用工程热力学原理，在寻求柴油汽车发动机燃油经济性最佳目标基础上，设计了一种独特的燃油预热装置。这种燃油预热装置，不同于以往其他的燃油预热装置，它不消耗动能或电能，只是利用发动机循环系统水套中80℃-90℃循环水的热量，将燃油在预热装置中与高温循环水进行热交换。该装置安装在柴油发动机的供油系统中，在燃油供给管路上对燃油进行预加热，使喷入发动机气缸前的燃油温度能够保持在某一特定的温度范围，而这一温度范围应该是发动机燃油经济性最佳的温度范围。通过发动机的台架试验测试，寻找燃油温度与发动机燃油经济性的关系特性，寻求柴油机发动机燃油燃烧最佳温度范围。并通过在燃油预热装置上加装温度传感器和温度开关控制阀，来实现对预定温度范围的调整、控制。在交换过程中，不适宜无限制地进行热量热交换，燃油温度也不适宜高于临界值以上，因燃油温度过高反而会使燃油经济性下降，因此，需要对燃油预热装置进行温度控制。
二、柴油发动机燃油经济性台架测试实验
将燃油预热装置安装在柴油发动机台架的供油系统上，将燃油温度人为控制在30℃-80℃之间，通过改变进入燃油 预热装置（热交换器）循环水的流速、流量，进而在逐步升温的条件下，进行燃油消耗量随温度变化特性实验，通过FC2000发动机测控系统控制发动机的工作状态并记录实验数据。围绕柴油发动机燃油经济性能，进行相应测试实验。
1、相同转速下燃油消耗量随温度变化特性。利用燃油预热装置，逐步提高喷入发动机汽缸前的燃油温度，柴油发动机的转速同为1800r/min，转矩分 别为80N.m和100N.m的特定条件下，燃油消耗量随燃油预热温度变化的特性曲线。在柴油发动机转速为 1800r/min，转矩为80 N.m的条件下，利用燃油预热装置，逐步提高喷入发动机汽缸前的燃油温度（30℃-80℃），燃油消耗量从4.549 kg/h 降至3.765 kg/h，降幅达 17.2%。可以看出，在柴油发动机转速为1800r/min，转矩 为100N.m的条件下，利用燃油预热装置，逐步提高喷入发动机 汽缸前的燃油温度（30℃-80℃），燃油消耗量从5.226kg/h降至4.651kg/h，降幅达11. 0%。可见，在柴油发动机转速不变，转矩不同的条件下，逐步提高喷入发动机汽缸前的燃油温度，柴油发动机燃油消耗量均有所下降，且降幅比较明显。
2、不同转速下燃油消耗量随温度变化特性。
尽管利用燃油预热装置，逐步提高喷入柴油发动机汽缸前的燃油温度，发动机的燃油消耗量会有一定程度的降低。但发动机燃油消耗量随温度变化的特性是否呈线性规律特征，通过不同转速下燃油消耗量随温度变化特性实验来具体分析一下。在不同转速条件下，燃油消耗量随燃油温度变化特性曲线并非呈线性特征，曲线有最低点拐点，且最低点在42℃左右附近范围。
三、柴油发动机预热方法
1、电加热预热方法。该方法是利用电热丝直接加热供油系统从而问接加热燃油的方法，是燃油温度试验中最为常用的燃油加热手段。
（1）加热单元。加热燃油的热量来自于通电后的电热丝、加热带等电器元件。由于供油系统高压油管属于热与电的良导体，冈此在保证电热丝与高压油管之间形成可靠绝缘的前提下，还要确保电热丝的热量能够高效的输送至高压油管内部并迅速的加热流经的燃油。利用功率换算能够得到电热丝阻值，选取适当阻值的电热丝。试验时，使用云母布等绝缘材料均匀紧密缠绕在高压油管外表面，再将套装有玻璃纤维管的电热丝缠绕在已经包有云母布的高压油管外侧。最后在电热丝外包裹一层石棉布或者玻璃纤维布来减少热量散失。根据试验需求将多根电热丝串联或者并联在一起，用以实现不同的加热温度。
（2）测温单元。测温单元由铂电阻温度传感器、防护套筒、温度传感器显示表以及高压油管温度传感器安装座组成。使用电热丝加热燃油的加热温度范围都比较大，一般在20—350℃，因此采用测量范围大、温度敏感度高的铂电阻温度传感器。由于要测量高压油管内的燃油温度，因此要在高压油管上安装温度传感器座，以保证在能够准确探测燃油温度的同时，不会出现漏油现象而影响供油压力。
2、尾气加热预热法。该方法是利用发动机尾气的高温为燃油进行加热的方法，利用发动机排气余热为燃油加热需要对发动机供油装置的部分结构进行改造，如提高输油泵压力，增加供油量，并在输油泵出油口位置增加一个回油。增大输油泵的供油量，在保证正常为发动机供油的同时，增量部分将通过输油泵的回出油口流经加热油管后回到油箱。将由回出油口引出的加热油管以螺旋形式紧密地缠绕在发动机排气管外侧，使其充分的与排气管接触。为了更好的吸收排气热量可将加热油管做成管片状包裹于排气管周围，同时用保温材料将加热油管进行包裹，最大程度的吸收排气管的热量，减少热量损失。最后将加热油管接回油箱，以达到给油箱内燃油加热的目的。使用发动机排出的高温气体加热燃油，既节省了蓄电池的电量，又充分利用的发动机余热。但其存在的不足是：改动发动机供油系统结构会造成发动机供油量不足，影响发动机正常的动力输出;并且该方法需要在汽车结构上添加人量金属管件，严重的增加了汽车的负载;发动机排气温度极高，可达到600℃以上，单纯使用排放排气的热量来加热油箱内的燃油，无法控制燃油温度，不仅危险程度加大，而且无法达到预期的试验效果。 四、燃油预热对柴油机经济性影响
1、燃油温度与燃油雾化效果。发动机的动力性、经济性和排放污染物的浓度都与发动机的燃烧过程由关系。影响发动机燃烧过程的直接冈素很多，如燃油喷射雾化、进气系统和燃烧室形状等，其中燃油雾化的质量是最重要的影响因素。喷油雾化质量好的标志是所喷出的油粒细小均匀，这样可增大油粒与空气接触的总而积，使燃料蒸发和氧化进行得较快，缩短着火延迟时期，有利于燃料迅速、完全地燃烧，提高柴油机的动力性和经济性。蓄压管压力及燃油在喷油器喷孔处的压降，是决定燃油雾化质量和油滴尺寸的主要因素。而蓄压管压力及燃油喷孔处压降是受燃油弹性模量、粘度及表面张力直接影响的，燃油温度间接对其产牛影响。但现代高压共轨电控燃油喷射系统的喷油压力极高，受燃油温度影响的压降率极小，其对喷雾的油滴尺寸、索特平均直径的影响不显著。在对燃油温度的变化范围20～260℃区间内进行燃油雾化特性研究过程中得到，燃油温度的升高，使燃油的气相转换率提高，燃油的蒸发效果随燃油温度的升高而增大。
2、燃油温度与发动机燃烧特性。发动机的燃烧特性直接影响发动机的动力性、经济性及排放污染物浓度。当发动机处于稳定工况时，蓄压管压力、喷油量、喷油率等喷射参数都随燃油温度的增加而线性减小，燃油的雾化效果随温度升高而增强。由燃油温度变化而产生变化的燃油喷射参数及蒸发效果会导致缸内燃烧特性如：气缸压力、最高燃烧压力、燃料放热率等的变化。燃油温度的升高引起喷油率减小，噴油器针阀开启持续时问延长，这一系列的连锁变化导致发动机燃料燃烧的着火延迟期滞后。由于燃料燃烧的滞燃期迟后，燃料开始燃烧对应的曲轴转角延迟，在燃料燃烧释放出最大燃烧压力之前发动机活塞已经进入下行阶段，燃料燃烧速率减缓，主燃期延长，因此降低了燃烧的最高压力及最高温度，同时引起发动机排放温度的升高。对燃油温度与燃烧特性的关系进行过论述中提到，燃油温度升高，喷油器针阀开启持续时间延长，导致发动机燃料燃烧的滞燃期延迟。由于燃料燃烧的滞燃期迟后，燃料开始燃烧对应的曲轴转角延迟，在燃料燃烧释放出最大燃烧压力之前发动机活塞已经进入下行阶段，燃烧的主燃期延长，因此使燃烧的最高压力及最高燃烧温度降低。同时燃油温度升高，燃料雾化充分，燃烧彻底，但是燃料温度升高也会造成喷油率和喷油量的减少，燃料燃烧所放出的总热量降低，而使发动机的有效功率降低。
3、燃油温度对燃油消耗率的影响。燃油温度与喷油定时、喷雾特性和混合气形成过程以及燃油结焦与否等因素密切相关，过高的燃油温度不利于喷雾在轴向及径向的发展，进而影响缸内混合气当量比的合理分布，并导致喷油定时过分推迟。实际上，对在用机型通过高温燃油喷射来改善其性能，存在着一个最佳的燃油温度范围，在此温度范围内，可兼顾发动机的燃油经济性与低排放性能。为了寻求受试发动机的最佳燃油温度范围，可通过数值模拟计算对高温燃油喷射雾化、蒸发及其混合气形成过程进行研究，以探讨燃油热强化的作用机理及其与燃烧参数的匹配关系。
结论
由此可见，柴油发动机的燃油经济性随燃油预热温度的提高而有一定的改善。在柴油发动机不同的转速条件下，分别进行燃油消耗量随燃油预热温度变化的特性实验，实验表明特性曲线呈现出非常相近的最低燃油消耗量值，最低值点在42℃左右附近范围。
1、通过燃油预热装置对燃油预加热，柴油发动机燃油消耗量有一定程度的下降。
2、如果将柴油发动机燃油预热温度持续提高，燃油消耗量并非呈现线性递减的趋势，在预热温度超过某一特定温度范围时，燃油消耗量反而会呈上升趋势。
3、在进行测试实验的特定工况下，燃油消耗量随温度变化的特征曲线最低点（拐点）温度值在 42℃左右附近范围。
参考文献：
[1]刘高. 基于模糊 PID 算法的柴油机冷却水模糊控制器的 研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2017.
[2]杨荣海，李心月，李少岩. 基于燃烧室外预热的柴油 发动机性能分析[J]. 森林工程，2018（6）.
[3]李心月，杨荣海，韩慧岷. 柴油燃烧室外预热对发动 机性能的影响[J]. 森林工程，2017（3）.
（作者单位：辽宁工业大学）