宮長明， 彭樂高， 孫景震， 王康， 李棟， 陳天翔

(1. 大連民族大學機電信息工程學院， 遼寧 大連 116600；2. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130025)

?

噴嘴開啟壓力對DISI甲醇發(fā)動機燃燒和排放的影響

宮長明1， 彭樂高2， 孫景震2， 王康2， 李棟2， 陳天翔2

(1. 大連民族大學機電信息工程學院， 遼寧 大連 116600；2. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130025)

在1臺經(jīng)過改裝的1.99 L自然吸氣缸內(nèi)直噴點燃式甲醇發(fā)動機上，進行了噴嘴開啟壓力對發(fā)動機有效熱效率、燃燒及排放影響的試驗研究。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的各負荷工況下，選取7.5 MPa，12.5 MPa和17.5 MPa 3個噴嘴開啟壓力進行試驗分析。結(jié)果表明：隨著噴嘴開啟壓力的降低，發(fā)動機有效熱效率、最大缸內(nèi)壓力和放熱率略微增加，但是在小負荷工況下降低噴嘴開啟壓力，HC排放和CO排放顯著增加，在大負荷工況下提高噴嘴開啟壓力會使NOx排放顯著增加。

燃料噴嘴； 開啟壓力； 缸內(nèi)直噴； 點燃式甲醇發(fā)動機； 燃燒； 排放

能源和環(huán)保問題一直是制約汽車行業(yè)發(fā)展的重要因素，隨著現(xiàn)代汽車行業(yè)的高速發(fā)展，中國汽車保有量與日劇增，隨之帶來的一系列問題也日益凸顯。清潔替代燃料是解決能源和環(huán)保問題的途徑之一，在眾多替代燃料中，甲醇最具潛力，國內(nèi)外針對甲醇發(fā)動機進行了一系列相關(guān)研究并取得了一定的成果[1-12]。甲醇是一種無色透明、易揮發(fā)的可燃液體，其沸點低，有利于與空氣形成混合氣，在發(fā)動機中易于實現(xiàn)清潔燃燒；甲醇的汽化潛熱大，在發(fā)動機上應(yīng)用時，可以降低壓縮功、提高充氣系數(shù)，有利于提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性；甲醇富含氧，在內(nèi)燃機中使用，能大幅度降低CO和HC的排放[13]。但甲醇十六烷值低，自燃溫度高，汽化潛熱大，很難在柴油機上直接應(yīng)用。要在柴油機上燃用純甲醇燃料，輔助裝置或加熱輔助裝置不可或缺，也可用二甲醚二次噴射的方法引燃甲醇混合氣[14]。傳統(tǒng)柴油機的燃料是分散噴入燃燒室，這種方式在甲醇發(fā)動機高負荷時作用比較明顯，對燃燒和排放也比較有利，但低負荷時作用被大大削弱。低負荷時相鄰點火源之間的混合氣非常稀薄，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ベ|(zhì)量變差，甚至有熄火現(xiàn)象發(fā)生。為了改善小噴油量時的火焰?zhèn)鞑デ闆r，燃油應(yīng)集中噴射進燃燒室并要與缸內(nèi)渦流形成良好的配合，這就對噴油器的噴射壓力和噴霧形狀有了比較高的要求。國外就噴射壓力對柴油機經(jīng)濟性、動力性和排放性的影響作了很多的研究[15-20]。Feng Tao等就不同噴射壓力對柴油機各性能的影響作了相關(guān)研究并用KIVA-3V和CHEMKIN進行了模擬[21]；姚春德就噴射壓力對直噴式柴油機燃燒的影響作了相關(guān)研究和分析[22]；史紹熙等人就提高噴射壓力來改善130系列柴油機燃燒過程作了試驗分析[23]；吳亞蘭利用PTC熱敏電阻設(shè)計了甲醇蒸發(fā)器，采用外部加熱模式保護噴嘴及加熱元件，依據(jù)PTC熱敏電阻的加熱特性，提出了新型的加熱控制模式以改善對蓄電池的沖擊[24]；侯令川通過在生物柴油中摻雜甲醇研究得出，生物柴油摻混甲醇可同時降低柴油機的NOx排放和煙度[25]。但針對直噴甲醇發(fā)動機的研究還不多，本研究選定一款柴油機并進行相應(yīng)改動使之燃燒甲醇燃料，用試驗方法重點探索噴嘴開啟壓力對直噴點燃式甲醇發(fā)動機燃燒及排放的影響。

1 試驗設(shè)備

試驗在1臺1.99 L單缸、四沖程、自然吸氣、水冷、高壓縮比火花塞點燃式直噴甲醇發(fā)動機上進行，直噴甲醇發(fā)動機由傳統(tǒng)柴油機改裝而成，對壓縮比、噴油器及點火系統(tǒng)都作了相應(yīng)改動。表1列出直噴甲醇發(fā)動機與原柴油機相關(guān)參數(shù)的對比。高能量火花點火系統(tǒng)能夠產(chǎn)生一系列的連續(xù)火花以點燃混合氣，能否形成理想濃度分層的甲醇混合氣是決定直噴甲醇發(fā)動機性能的重要因素。為了實現(xiàn)理想分層混合氣，對噴油器油束線作了特殊的布置(見圖1)，這種布置可以在火花塞附近形成較濃甲醇混合氣，相對容易著火且滯燃期短[26]。

表1 改裝前后發(fā)動機相關(guān)參數(shù)的對比

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 分層控制及分析

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下噴嘴開啟壓力分別選取7.5 MPa，12.5 MPa和17.5 MPa進行試驗。

噴射壓力主要影響燃油噴霧霧化，而霧化質(zhì)量直接決定了混合氣的混合效果。噴射壓力一定時，隨著背壓的升高，噴霧體和空氣的相互作用增強，噴霧油束霧化過程中受到的阻力增加，所以燃油噴霧的貫穿距減小，噴霧錐角增大。背壓一定時，隨著噴射壓力的升高，噴霧油束的初速度增加，所以噴霧貫穿距增大，燃油密度略微降低，霧化錐角稍有減小的趨勢，但是噴射壓力對噴霧錐角的影響不明顯[27]。

在噴射霧化模式下，隨著噴射壓力的增大，噴霧錐角變大，霧化油滴的索特平均直徑減小，油滴尺寸數(shù)目分布曲線的峰值增加，曲線不平緩；累積體積分布增加，達到某一累積體積的油滴尺寸減小，大顆粒油滴變少，特征直徑減小，相對尺寸范圍和發(fā)散邊界變大。說明隨著噴射壓力的增加,霧化質(zhì)量提高，但尺寸分布相對不均勻，在該模式下，噴射壓力和噴射流速成為了射流碎裂過程的不穩(wěn)定因素[28]。

為了實現(xiàn)分層，對噴油器油線作了特殊的布置，并配合缸內(nèi)氣體渦流以達到目的。通過使用AVL-Fire軟件仿真計算得出燃油分布特性(圖2)和缸內(nèi)混合氣的濃度分布(圖3)。

從圖2和圖3可知，甲醇發(fā)動機缸內(nèi)能夠形成比較理想的分層效果，并且在火花塞位置能夠形成較濃的混合氣，但是在高壓噴射壓力下燃油碰壁現(xiàn)象比較明顯。

2.2 噴嘴開啟壓力對有效熱效率的影響

圖4示出不同噴嘴開啟壓力下平均有效壓力與熱效率的關(guān)系。由圖4可知，轉(zhuǎn)速一定時，隨負荷的增加，有效熱效率增加。主要是由于轉(zhuǎn)速一定，機械損失相對不變，ηm=1-pm/pi，負荷增加使pi增加，pm相對保持不變，所以機械效率增加。隨著負荷增加，燃燒速度加快，燃燒效率提高，散熱損失減小，ηit提高，同時由于ηm隨負荷增加而增加，所以由ηet=ηitηm可知，有效熱效率隨著負荷增加而增加。

2.2 兩組體質(zhì)量凈增值的比較 出生至42 d、42 d～2個月、2～3個月，體質(zhì)量凈增值干預(yù)組均大于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)，而3～6個月兩組體質(zhì)量凈增值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表2。

在小負荷工況下，甲醇噴射量很少，缸內(nèi)平均過量空氣系數(shù)大，混合氣過稀，難以組織合適的混合氣濃度分層分布，會出現(xiàn)大面積的稀熄火區(qū)，隔斷火焰?zhèn)鞑?，造成燃燒不完全[24]，特別在強渦流的影響下分層效果更差，造成有效熱效率較低。隨著負荷的增加，甲醇噴射量增加， 在噴油器噴孔布置和燃燒室內(nèi)渦流運動共同影響下形成較好的分層，燃燒質(zhì)量較好，大部分燃料能夠在上止點附近燃燒完畢，有效熱效率上升。

圖5示出2 000 r/min全負荷下噴嘴開啟壓力與直噴甲醇發(fā)動機熱效率的關(guān)系。由圖5可知，與12.5 MPa時相比，噴嘴開啟壓力為7.5 MPa的有效熱效率有1.5%的增幅，與17.5 MPa時相比有3%的增幅。原因是甲醇黏度小, 流阻也小, 蒸發(fā)性和霧化性比較好，甲醇的這種特性完全可以彌補壓力低造成的噴射質(zhì)量降低。另外采用較低噴嘴開啟壓力可以降低燃料供給系統(tǒng)的負荷，使得噴油泵泵油的輔助功減小，直噴甲醇發(fā)動機的輸出功增加。在較高噴嘴開啟壓力條件下，燃料噴射霧化質(zhì)量好，

加上強渦流作用，混合氣均勻性好，分層很不明顯，混合氣整體較稀，在上止點附近燃燒部分較少,有效熱效率偏低。

2.3 噴嘴開啟壓力對氣缸壓力和放熱率的影響

圖6示出2 000 r/min全負荷下噴嘴開啟壓力對氣缸壓力和放熱率的影響。試驗結(jié)果表明，噴射壓力對缸內(nèi)壓力的影響并不明顯，主要是因為甲醇本身黏度較小，蒸發(fā)性較好，容易形成可燃混合氣。當噴嘴開啟壓力為7.5 MPa時缸壓峰值稍高，主要是缸內(nèi)能形成良好的分層效果，前期燃燒速度較快。當噴嘴開啟壓力為17.5 MPa時缸內(nèi)混合氣分層效果不佳，整體混合氣略稀，前期燃燒速度比7.5 MPa和12.5 MPa時慢，燃燒持續(xù)期長，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力略低。噴嘴開啟壓力為7.5 MPa時前期放熱率高于噴嘴開啟壓力為12.5 MPa和17.5 MPa時，放熱率峰值相對較高，同時由于混合氣分層效果比較明顯，燃燒后期混合氣很稀，放熱率小于噴嘴開啟壓力為12.5 MPa和17.5 MPa時。

2.4 噴嘴開啟壓力對滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響

圖7示出2 000 r/min全負荷工況下，噴嘴開啟壓力對滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響。由圖7可知，噴射壓力增大，滯燃期和燃燒持續(xù)期稍有延長但不明顯。

在2 000 r/min時缸內(nèi)渦流強度大，噴嘴開啟壓力高對應(yīng)噴射壓力較高，甲醇噴射霧化質(zhì)量非常好，燃油顆粒索特平均直徑很小，燃油均勻性較好，再加上強的渦流，甲醇混合氣變稀，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣日w下降，燃燒持續(xù)期稍長。噴嘴開啟壓力較低時甲醇霧化較差，在強渦流引導(dǎo)下能形成較好的分層混合氣，火花塞附近甲醇混合氣較濃，大部分的濃混合氣在上止點附近燃燒完且燃燒速度很快，遠離火花塞區(qū)域數(shù)量不多的較稀的混合氣在已燃濃混合氣影響下也能燃燒完全。雖然遠離火花塞區(qū)域較稀混合氣燃燒速度比高噴射壓力平均燃燒速度慢，但其數(shù)量很少，所以整體上燃燒持續(xù)期在噴射壓力為7.5 MPa時最短，但與其他噴射壓力下差別不明顯。

2.5 噴嘴開啟壓力對排放的影響

圖8示出2 000 r/min時噴嘴開啟壓力對直噴甲醇發(fā)動機排放的影響。

由圖8可知，3種噴嘴開啟壓力下HC排放都隨著負荷的增大而減小，在噴嘴開啟壓力為7.5 MPa時明顯大于另外兩種噴嘴開啟壓力時，且隨著負荷增大這種差別變小。主要是因為負荷較小時，甲醇噴射量少，甲醇混合氣過稀，分層效果很差，燃燒惡化，再加上甲醇的理化特性，燃燒進一步惡化，HC排放量增加；另外甲醇混合氣過稀可能導(dǎo)致失火現(xiàn)象的發(fā)生，從而小負荷時HC排放更高[25]。負荷增大甲醇噴射量較多，甲醇混合氣加濃，分層效果明顯，燃燒質(zhì)量變好，HC排放開始減少，負荷為0.6 MPa時達到最低。負荷增大時，隨著混合氣加濃，噴嘴開啟壓力帶來的噴霧質(zhì)量的影響已被削弱，不同開啟壓力下 HC排放差別越來越小。

CO排放不像HC排放具有單調(diào)性。小負荷時甲醇混合氣較稀，又因甲醇汽化潛熱高，燃燒過程中有低溫區(qū)域產(chǎn)生，導(dǎo)致CO排放較高。隨著負荷增加，甲醇噴射量增多，混合氣加濃且混合質(zhì)量逐漸升高，CO排放得到改善。當負荷繼續(xù)加大到某一時刻時CO排量開始上升。當噴嘴開啟壓力較低時，甲醇霧化質(zhì)量差，燃油蒸發(fā)量少，在強渦流作用下缸內(nèi)混合氣分布很不均勻，低溫區(qū)域產(chǎn)生的概率就大，CO排放偏高。隨著負荷的增大，甲醇自身理化特性使噴射壓力成為次要因素，不同噴射壓力下的CO排放差別越來越小。負荷很大時，相對于噴嘴開啟壓力為12.5 MPa和17.5 MPa時，7.5 MPa時CO排放增加明顯。這是因為噴射壓力較小時，噴射霧化質(zhì)量差，配合缸內(nèi)渦流運動，容易形成分層混合氣，超濃混合氣在燃燒前期燃燒，會有較多CO產(chǎn)生。

NOx排放隨負荷增大單調(diào)遞增，且噴嘴開啟壓力越大增加趨勢越明顯。負荷較小時甲醇噴射量少，甲醇混合氣過稀，基本上沒有分層，再加上甲醇的理化性質(zhì)，燃燒惡化，使燃燒最高溫度低，雖然噴嘴開啟壓力對甲醇混合氣分布有影響，但甲醇噴射量占主要因素，所以小負荷時，3種開啟壓力下NOx排放差別不大。隨著負荷的增大，甲醇噴射量增大，最高燃燒溫度大，NOx排放開始增加。較高的噴嘴開啟壓力可以提高噴射霧化質(zhì)量，油滴的噴射能量增大，噴霧均勻度提高，氣體的擾動及卷吸作用加強，又因強渦流作用，混合氣分層特征不明顯，基本上是均質(zhì)稍稀混合氣，有利于NOx生成。

由HC，CO和NOx排放看出，直噴甲醇發(fā)動機分層燃燒質(zhì)量是影響其排放的重要指標，正是由于小負荷分層燃燒難以實現(xiàn)，因此，小負荷時直噴甲醇發(fā)動機的排放和經(jīng)濟性成為限制其性能全面提高的一個重要因素。

3 結(jié)論

a) 噴嘴開啟壓力對直噴甲醇發(fā)動機放熱率、缸壓的影響不明顯，噴嘴開啟壓力為7.5 MPa時的氣缸壓力峰值稍高于12.5 MPa和17.5 MPa時，噴嘴開啟壓力為7.5 MPa時燃燒持續(xù)期短，較多的燃料在靠近燃燒上止點急速燃燒，放熱率在燃燒前期要大于12.5 MPa和17.5 MPa時；燃燒后期噴嘴開啟壓力為7.5 MPa時由于分層混合氣很稀薄，放熱率最??；

b) 噴射壓力對排放的影響明顯，小負荷噴嘴開啟壓力為17.5 MPa時，CO和HC排放較低， NOx排放差別不明顯；負荷增大時，甲醇混合氣加濃，噴嘴開啟壓力對HC和CO排放影響削弱，但對NOx排放影響明顯。

[1] Seto T,Yoshida Y,Yamaguchi I,et al.Combustion exhaust emissions of the spark-assisted methanol diesel engine[C]．SAE Paper 861165,1986.

[2] Frank B.An overview of the technique implications of methanol and ethanol as highway motor vehicle fuels[C]．SAE Paper 912413,1991.

[3] Bassem H R,Fakhri J H,Charles L G,et al.Numerical evaluation of a methanol fueled directly-injected engine[C]．SAE Paper 2002-01-2702.

[4] Heinrich W,Marquardt K J,Schaefer A J.Methanol as a fuel for commercial vehicle[C]．SAE Paper 861581,1986.

[5] Wei Y J,Liu S H,Liu F J,et al.Aldehydes and methanol emission mechanisms and characteristics froma methanol/gasoline fueled spark-ignition(SI) engine[J]．Energy Fuels,2009,23(12)：6222-6230.

[6] Nadir Yilmaz.Comparative analysis of biodiesel-ethanol-diesel and Biodiesel-methanol-diesel blends in a diesel engine[J]．Energy,2012,40:210-213.

[7] Vancoillie J,Demuynck J,Sileghem L,et al.Comparison of the renewable transportation fuels, hydrogen and methanol formed from hydrogen, with gasoline -Engine efficiency study[J]．Hydrogen Energy,2012,37:9914-9924.

[8] Yusuf Cay,Ibrahim Korkmaz.Prediction of engine performance and exhaust emissions for gasoline and methanol using artificial neural network[J]．Energy,2013,50:177-186.

[9] 李駿，宮長明，王忠，等.點火和噴射正時對甲醇發(fā)動機冷啟動非常規(guī)排放的影響[J]．吉林大學學報(工學版)，2010，40(5)：1188-1192.

[10] 王舒.電控噴射點燃式甲醇發(fā)動機起動性能研究[D]．長春：吉林大學，2007.

[11] 宮長明，張自雷，賈京龍，等.點燃式缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機甲醛和未燃甲醇排放特性[J]．吉林大學學報(工學版)，2012，42(4)：867-870.

[12] 魏衍舉,劉圣華,劉方杰,等.甲醇汽油發(fā)動機醇醛排放特性及其影響因素研究[J]．西安交通大學學報，2011，45(1)：1-5.

[13] 張娟利，楊天華，張新莊，等.低比例甲醇汽油的揮發(fā)性研究[J]．車用發(fā)動機,2014(2)：78-81.

[14] 梁霞，堯命發(fā)，鄭尊清.二甲基醚/甲醇雙燃料均質(zhì)壓燃低溫氧化反應(yīng)機理數(shù)值模擬[J]．燃燒科學與技術(shù)，2005(2):17-22.

[15] Melvin Woods.High Pressure Fuel Injection for High Power Density Diesel Engines[C]．SAE Paper 2000-01-1186.

[16] Dodge L D.Effect of Small Holes and High Injection Pressures on Diesel Engine Combustion[C]．SAE Paper 2002-01-0494.

[17] Hountalas D T.Effect of Injection Pressure on the Performance and Exhaust Emissions of a Heavy Duty DI Diesel Engine[C]．SAE Paper 2003-01-0340.

[18] Chrsitophe Garsi.Potential to Improve Specific Power Using Very High Injection Pressure In HSDI Diesel Engines[C]．SAE Paper 2009-01-1524.

[19] Sangwook Han.The Influence of Fuel Injection Pressure and Intake Pressure on Conventional and Low Temperature Diesel Combustion[C]．SAE Paper 2012-01-1721.

[20] Seung Yeon Yang.An experimental Study on the Effects of High-pressure and Multiple Injection Strategies on DI Diesel Engine Emissions[C]．SAE Paper 2013-01-0045.

[21] Feng Tao.E ffect of Ultra-High Injection Pressure on Diesel Ignition and Flame under High-Boost Conditions[C]．SAE Paper 2008-01-1603.

[22] 姚春德.啟噴壓力對直噴式柴油機燃燒的影響[J]．內(nèi)燃機工程，1993，14(4)：7-12.

[23] 史紹熙.提高噴射壓力改善130系列柴油機燃燒過程的研究[J]．內(nèi)燃機學報，1991,9(4)：300-306.

[24] 吳亞蘭，王進，劉萌，等.純甲醇發(fā)動機冷啟動系統(tǒng)開發(fā)[J]．車用發(fā)動機，2014(5):26-29.

[25] 侯令川，王忠，安玉光，等.柴油機燃用甲醇-生物柴油混合燃料的性能與排放研究[J]．車用發(fā)動機，2011(2)：30-33.

[26] 宮長明，郭英男，譚滿志，等.改善火花助燃甲醇發(fā)動機小負荷經(jīng)濟性的研究[J]．汽車技術(shù)，1995,10(5)：28-31.

[27] 杜志環(huán)，豈斌，劉慧，等.高壓共軌燃油噴射霧化特性試驗研究[J]．內(nèi)燃機與動力裝置，2011(2):4-7.

[28] 曹建明，李雪莉，劉朋，等.噴射壓力對噴霧的影響[J]．長安大學學報,2009(4)：91-97.

[編輯： 袁曉燕]

Effects of Injector Opening Pressure on Combustion and Emission of DISI Methanol Engine

GONG Changming1, PENG Legao2, SUN Jingzhen2, WANG Kang2, LI Dong2, CHEN Tianxiang2

(1. School of Electromechanical & Information Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China;2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

On a retrofited 1.99 L direct injection and naturally aspirated spark-ignition (DISI) methanol engine, the effects of injector opening pressure on engine effective thermal efficiency, combustion and emission were researched. At different loads of 2 000 r/min, the experiments of 7.5 MPa, 12.5 MPa and 17. 5 MPa injector opening pressure were conducted. The results show that the effective thermal efficiency, maximum in-cylinder pressure and heat release rate slightly increase, but the HC and CO emissions will increase obviously at low load with the decrease of injector opening pressure. At high load, the increasing opening pressure will lead to the obvious increase of NOx.

fuel injector; opening pressure; in-cylinder direct injection; spark-ignition methanol engine; combustion; emission

2014-08-30；

2015-04-02

國家自然科學基金資助項目(51176063)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DC201502010203)

宮長明(1964—)，男，教授，博士，研究方向為發(fā)動機燃燒與排放控制；gongcm@dlnu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.015

TK464

B

1001-2222(2015)03-0070-06