宮長明，彭樂高，張自雷，陳天翔，李 棟

（1.大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116600；2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130025）

隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)境問題的日漸突出，尋求優(yōu)良的替代能源對于汽車行業(yè)而言迫在眉睫。中國汽車保有量與日俱增，汽車尾氣污染引起了人們的重視，國家出臺了相關(guān)的排放法規(guī)限制尾氣排放。針對各種替代燃料在汽車上的應(yīng)用已進(jìn)行了大量研究并取得了顯著成果。C.D.Rakopoulos，F(xiàn).Moreno和S.Verhelst等研究了氫氣作為燃料或作為添加劑對發(fā)動機(jī)性能的影響，指出氫氣作為發(fā)動機(jī)燃料的優(yōu)點(diǎn)及需要改進(jìn)的地方［1－7］；Nadir Yilmaz，Rodrigo C.Costa和 Georgios Karavalakis等對乙醇燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行探索并與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)進(jìn)行了對比分析［8－14］；T.Korakianitis和B.Afkhami等對天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究［15－16］。甲醇具有含氧量高、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、著火界限寬、不含硫等特點(diǎn)，是一種清潔的柴油替代燃料［17］。M.Bahattin Celik等對甲醇發(fā)動機(jī)進(jìn)行了大量研究，指出甲醇作為發(fā)動機(jī)燃料非?？尚蟹奖?。甲醇的性質(zhì)與汽油和柴油非常相似，只要運(yùn)用得當(dāng)，對發(fā)動機(jī)性能無大的損耗且對排放非常有利［18－20］。但是甲醇的汽化潛熱非常大，致使點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動機(jī)冷起動困難［21］；甲醇的十六烷值較低，自燃性差，很難直接用于柴油機(jī)。帥石金、宮長明等針對甲醇進(jìn)行了多方面的研究，指出在汽油中摻甲醇對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒有一定改善作用［22］，在外界輔助加熱和輔助點(diǎn)火條件下，在冷起動工況下甲醇燃料發(fā)動機(jī)有較好的排放特性［23］。

基于此，本研究將主要以實(shí)現(xiàn)分層稀薄燃燒為目標(biāo)，研究缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

試驗(yàn)在一臺單缸、四沖程、自然吸氣、水冷、高壓縮比火花塞點(diǎn)燃直噴式發(fā)動機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動機(jī)由傳統(tǒng)柴油機(jī)改裝而成，圖1示出試驗(yàn)框架。試驗(yàn)前對發(fā)動機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，到機(jī)油溫度大于90℃，冷卻水溫在85℃左右時進(jìn)行試驗(yàn)。高能量火花點(diǎn)火系統(tǒng)能夠產(chǎn)生一系列的連續(xù)火花以點(diǎn)燃甲醇混合氣。

決定DISI甲醇發(fā)動機(jī)性能的重要因素是甲醇混合氣能否形成理想的濃度分層。為了實(shí)現(xiàn)混合氣理想分層，對噴油器油線作了特殊的布置（見圖2）。這種布置通過缸內(nèi)氣流運(yùn)動可以在火花塞附近形成相對較濃混合氣區(qū)域，在此區(qū)域混合氣容易被點(diǎn)著且滯燃期短［24］，遠(yuǎn)離火花塞處混合氣相對較稀，從而實(shí)現(xiàn)分層稀薄燃燒。

表1列出直噴火花塞點(diǎn)燃式（DISI）甲醇發(fā)動機(jī)與原機(jī)相關(guān)參數(shù)的對比。

表1 改裝前后發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)的對比

1.2 甲醇理化特性

試驗(yàn)所用的燃料為精制的工業(yè)甲醇，該甲醇純度為99%，與汽油相比具有較好的抗爆性，能夠在壓縮比較大的條件下工作。甲醇的理化特性見表2。

表2 甲醇燃料的理化性質(zhì)

1.3 相關(guān)測試設(shè)備

采用電渦流測功機(jī)測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩輸出，缸壓用SYC04A石英晶體壓力傳感器測量，靈敏度為－260pC／MPa，與其相匹配的還有 WDF－3電荷放大器、ACB366燃燒分析儀、精度為0.5°的角標(biāo)儀。排放用 HORIBA MEXA－8220D廢氣分析儀測量，主要測量HC，CO和NOx排放，HC的測量采用火焰離子探測器，CO的測量采用非色散紅外線分析儀，NOx的測量采用化學(xué)發(fā)光法檢測器。規(guī)定燃料燃燒1%時為燃燒始點(diǎn)，燃料燃燒90%時為燃燒結(jié)束，燃燒持續(xù)期為燃燒始點(diǎn)至燃燒結(jié)束的曲軸轉(zhuǎn)角。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的有效熱效率和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究，對1 200r／min和1 600r／min兩個轉(zhuǎn)速下的燃燒特性和排放特性進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)在最佳點(diǎn)火正時和最佳噴射正時條件下進(jìn)行。

2.1 不同轉(zhuǎn)速下有效熱效率和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性研究

圖3示出最佳點(diǎn)火正時和最佳噴油正時條件下大負(fù)荷有效熱效率隨轉(zhuǎn)速的變化。從圖3可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200r／min時有效熱效率最大。該發(fā)動機(jī)燃燒模式為稀薄分層燃燒，利用進(jìn)氣渦流配合噴射正時和噴油量形成分層混合氣，火花塞附近混合氣濃，有利于點(diǎn)火。轉(zhuǎn)速過低時，氣體流速慢、慣量小，不能形成良好的分層，氣缸內(nèi)混合氣局部過濃或過稀，燃燒質(zhì)量差，有效熱效率低。800r／min升至1 200r／min過程中，缸內(nèi)漏氣量和散熱量減少，單位時間燃燒次數(shù)增加，熱力狀態(tài)提高，有效熱效率升高；轉(zhuǎn)速超過1 200r／min時，氣流流速過快，慣量大，超過良好分層所需流速，對缸內(nèi)擾動大，使分層效果差，混合氣整體較稀，燃燒質(zhì)量稍有惡化，有效熱效率降低。

運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性用循環(huán)變動系數(shù)表示，在一定程度上能反映燃燒質(zhì)量的好壞。圖4示出大負(fù)荷不同轉(zhuǎn)速下的循環(huán)變動系數(shù)對比。從圖4可以看出，轉(zhuǎn)速為1 200r／min時循環(huán)變動系數(shù)最小，2 000r／min時達(dá)到最大值。800r／min時循環(huán)變動系數(shù)較大，主要原因是此時缸內(nèi)混合氣區(qū)分布不均勻，分層效果差，燃燒穩(wěn)定性差；2 000r／min時進(jìn)氣渦流太強(qiáng)，分層效果差，基本形成均勻稀薄混合氣，燃燒速度慢，甚至可能熄火，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，循環(huán)變動系數(shù)變大。

通過以上分析，接下來的研究中選定1 200r／min和1 600r／min兩個轉(zhuǎn)速，前者熱效率最高、循環(huán)變動系數(shù)最小，后者這兩個指標(biāo)不大也不小，也具有代表性，著重對這兩個轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的燃燒和排放進(jìn)行分析。

2.2 缸內(nèi)燃燒分析

圖5示出1 600r／min和1 200r／min工況下的缸壓，圖6示出兩種轉(zhuǎn)速下的放熱率，定義壓縮上止點(diǎn)為0°曲軸轉(zhuǎn)角。從圖中可以看出，在燃燒前期，1 200r／min時缸壓和放熱率較大，著火時刻早，缸壓峰值相位靠前。這是因?yàn)? 200r／min轉(zhuǎn)速下混合氣分層效果好，前期燃燒速度快，放熱率高，在火花塞附近區(qū)域混合氣濃度分布合理，大部分燃料在前期燃燒，因此，最大缸壓在1 200r／min時稍高。在燃燒后期，1 200r／min時混合氣變得較稀薄，但在前期燃燒影響下也能燃燒完全，但放熱率降低，并且又是在活塞下行階段燃燒，導(dǎo)致缸壓降低較快。

圖7示出不同轉(zhuǎn)速下滯燃期的對比。由圖7可看出，1 200r／min工況下滯燃期比1 600r／min工況下小3°。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200r／min時，進(jìn)氣速度和慣量與噴油特征能良好配合，火花塞附近能形成濃度適宜、易于點(diǎn)燃的混合氣。由于1 200r／min時滯燃期短、放熱開始時刻早（見圖6），燃料在前期燃燒量多，燃燒結(jié)束期早且后燃少，因而熱效率高。

2.3 燃燒特性隨負(fù)荷的變化

1 200 r／min和1 600r／min工況下燃燒特性參數(shù)隨負(fù)荷變化趨勢大致相同，以下給出1 600r／min轉(zhuǎn)速下燃燒特性隨負(fù)荷的變化關(guān)系。圖8示出滯燃期和主燃期隨負(fù)荷的變化。從圖8可以看出，滯燃期和主燃期變化趨勢相同，都隨負(fù)荷增加而減小。主要因?yàn)樾∝?fù)荷時，甲醇噴射量少，缸內(nèi)混合氣較稀，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，因而主燃燒期較長［25］；此外，火花塞附近混合氣相對較稀，滯燃期稍長。隨負(fù)荷的增加，甲醇噴射量增加，缸內(nèi)混合氣加濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤瑢?shí)現(xiàn)快速燃燒。由于發(fā)動機(jī)采用分層稀薄燃燒模式，在全負(fù)荷缸內(nèi)也不會出現(xiàn)異常濃區(qū)，因此，甲醇量越多，火花塞附近混合氣濃度越合理，缸內(nèi)混合氣整體質(zhì)量就越好，滯燃期和主燃期越短。

圖9示出著火時刻隨負(fù)荷的變化。隨著負(fù)荷增加，甲醇噴油射增加，火花塞附近混合氣濃度分布合理，易于著火，著火時刻提前。圖10示出缸壓峰值和缸壓峰值相位（上止點(diǎn)之后）隨負(fù)荷的變化。從圖10可以看出，隨著負(fù)荷增大，缸壓峰值增大，缸壓峰值相位稍微推遲。在大負(fù)荷時，缸內(nèi)能形成良好混合氣，燃燒速度較快，缸壓上升。

要想得到理想的燃燒效果，混合氣必須在上止點(diǎn)附近完全燃燒，通過最大放熱率相位可以得出燃料完全燃燒的時刻。最大放熱率和最大放熱率峰值相位隨負(fù)荷的變化見圖11。

從圖11可以看出，隨著負(fù)荷增大，火花塞附近混合氣稍濃，滯燃期短；燃料量多，整體混合氣濃度增大，燃燒速度快，最大放熱率增大，對應(yīng)相位提前。

2.4 排放特性隨負(fù)荷的變化

圖12示出1 200r／min和1 600r／min轉(zhuǎn)速下HC排放隨負(fù)荷的變化。從圖12可以看出，隨著負(fù)荷較增加，HC排放減小，且1 600r／min時 HC排放小于1 200r／min時。小負(fù)荷時，甲醇噴射量少，轉(zhuǎn)速較高（1 600r／min）時缸內(nèi)渦流強(qiáng)度大，混合氣的濃度分布比1 200r／min時理想，所以HC排放比1 200r／min時低。隨著負(fù)荷增加，甲醇噴射量增加，混合氣濃度分布比小負(fù)荷更理想，故兩轉(zhuǎn)速下HC排放都減小，而1 200r／min轉(zhuǎn)速下混合氣濃度分布更為理想，因此兩轉(zhuǎn)速下HC排放差距減小。

圖13示出兩轉(zhuǎn)速下CO排放隨負(fù)荷的變化。負(fù)荷較小時，兩種轉(zhuǎn)速下CO排放較多，1 200r／min時更高些。負(fù)荷較小時，甲醇量少，1 200r／min轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生異常稀薄混合氣區(qū)域，溫度過低的區(qū)域增多，CO生成量增加；轉(zhuǎn)速為1 600r／min時混合氣雖然稀薄，燃燒惡化，但沒有異常稀薄區(qū)域產(chǎn)生，因此，CO排放量小于1 200r／min工況。負(fù)荷增大，CO排放量都減小，某一負(fù)荷時1 600r／min轉(zhuǎn)速下CO排放開始增加，但1 200r／min無此現(xiàn)象，這主要是分層稀薄燃燒條件下混合氣的分配引起的。大部分負(fù)荷范圍1 600r／min轉(zhuǎn)速下CO排放較少，混合氣均勻性是影響CO排放的重要因素，轉(zhuǎn)速為1 600r／min時混合氣的均勻性要優(yōu)于轉(zhuǎn)速為1 200r／min時。

圖14示出兩轉(zhuǎn)速下NOx排放特性隨負(fù)荷的變化。當(dāng)負(fù)荷增加，甲醇噴射量增加，混合氣加濃，燃燒質(zhì)量好，燃燒速度快，放熱率增加，缸內(nèi)溫度增加，NOx排放增加。中小負(fù)荷時1 600r／min轉(zhuǎn)速下NOx排放量高于1 200r／min，原因是中小負(fù)荷甲醇噴射量少，轉(zhuǎn)速為1 200r／min時分層明顯，遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域混合氣比較稀薄，燃燒速度慢，放熱率低，低溫區(qū)域多，NOx生成量減小，1 600r／min時混合氣雖然整體偏稀，但沒有低溫區(qū)域產(chǎn)生，NOx稍高。

大負(fù)荷時1 200r／min轉(zhuǎn)速下NOx排放高。這是因?yàn)榧状剂慷?，分層燃燒在大?fù)荷時優(yōu)勢得以體現(xiàn)，火花塞附近混合氣濃度高，易于點(diǎn)燃，燃燒快；遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域混合氣稍稀，在前期燃燒影響下，也能很好地燃燒，放熱率高，溫度升高快，NOx生成量高，而1 600r／min時燃燒質(zhì)量就稍次，缸內(nèi)溫度也稍低，NOx生成量低。

3 結(jié)論

a）DISI甲醇發(fā)動機(jī)分層稀薄燃燒在不同轉(zhuǎn)速下有效熱效率和循環(huán)變動系數(shù)有一定差別，中等轉(zhuǎn)速1 200r／min時有效熱效率大且運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定；

b）燃燒前期1 200r／min轉(zhuǎn)速下的缸壓和放熱率優(yōu)于1 600r／min，燃燒后期則1 600r／min更優(yōu)；

c）DISI甲醇發(fā)動機(jī)分層稀薄燃燒大負(fù)荷時的經(jīng)濟(jì)性和排放性都比較好，小負(fù)荷時的經(jīng)濟(jì)性和排放性較差，有待改善。

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