楊白凡,楊海青，劉　銳

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京　210016)

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不同負荷下噴射時刻對重油發(fā)動機性能的影響

楊白凡,楊海青，劉銳

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京210016)

摘要：針對某型采用空氣輔助燃油噴射系統(tǒng)的二沖程直噴重油發(fā)動機，通過試驗研究了在中間轉(zhuǎn)速小負荷與高轉(zhuǎn)速大負荷工況下噴射時刻對直噴重油發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性以及排氣溫度的影響。試驗結(jié)果表明：在小負荷工況下，隨著噴射時刻的提前，功率增大，油耗率降低，排氣溫度隨負荷的加大下降幅度增大；在大負荷工況下，隨著噴射時刻的提前，雖然存在1個或多個不穩(wěn)定運行工況點，但總體上功率先增大后減小，油耗率先下降后上升，排氣溫度先下降后回升，可調(diào)整噴射時刻范圍較大。

關(guān)鍵詞：二沖程點燃式發(fā)動機；重油；缸內(nèi)直噴；發(fā)動機性能；噴射時刻

二沖程點燃式活塞發(fā)動機以其具有高功重比、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、易維護等特點，廣泛應(yīng)用于輕型航空飛行器、舷外機、雪地車以及便攜式發(fā)電機等對機動性要求較高的場合。相比汽油燃料，重油具備閃點高、不易揮發(fā)、易獲取等特點，使其在燃料儲運、使用安全及價格上有較大優(yōu)勢[1]。結(jié)合重油與二沖程點燃式發(fā)動機的特點，點燃式重油發(fā)動機有著較好的應(yīng)用前景。在環(huán)境溫度較低時，重油燃料蒸發(fā)性差、黏度大，難以在缸內(nèi)形成可燃混合氣，冷起動困難[2]，且受制于火花塞積碳的問題，使得點燃式重油發(fā)動機的發(fā)展受到限制[3]。隨著電控技術(shù)的發(fā)展以及缸內(nèi)直噴技術(shù)的和配套的先進燃燒系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得二沖程點燃式發(fā)動機能通過對噴油時刻的控制，減輕或消除傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機在掃氣過程中存在的燃油短路損失以及排氣損失，提高了燃油經(jīng)濟性，減輕了HC排放，具有重要的應(yīng)用價值[4]。

目前，國外對二沖程點燃式缸內(nèi)直噴重油發(fā)動機有較全面的研究，擁有成熟的燃油霧化、缸內(nèi)流動以及缸內(nèi)直噴燃燒技術(shù)[5]。其中，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)主要分為空氣輔助燃油噴射系統(tǒng)與高壓燃油噴射系統(tǒng)兩類。高壓燃油噴射系統(tǒng)由于受到結(jié)構(gòu)的限制，難以在結(jié)構(gòu)緊湊的二沖程發(fā)動機上得到應(yīng)用。澳大利亞Orbital公司生產(chǎn)的空氣輔助燃油噴射系統(tǒng)(air-assist direct injection system)具備極好的燃油霧化效果、緊湊的布局方式以及對活塞頂部形狀無特殊要求的特點，應(yīng)用最為廣泛[6]。國內(nèi)學者近年來的研究主要針對二沖程點燃式直噴汽油機，如天津大學的楊延相、蔡曉林[7]對FAI二沖程直噴汽油機性能進行了全面的研究。但對于二沖程點燃式重油發(fā)動機的研究尚處于起步階段，大多數(shù)研究尚停留在數(shù)值仿真。石允、寧智[8]對二沖程點燃式直噴重油發(fā)動機缸內(nèi)混合氣的形成進行了數(shù)值模擬研究，確定了對重油混合氣形成的影響因素。王永偉等[9]對空氣輔助二沖程直噴發(fā)動機的點火及噴油正時控制策略進行了初步研究。

對于二沖程點燃式直噴重油發(fā)動機，燃油噴射時缸內(nèi)的環(huán)境溫度以及燃油持續(xù)蒸發(fā)時間對可燃混合氣形成速率以及缸內(nèi)可燃混合氣數(shù)量有著至關(guān)重要的影響，是二沖程缸內(nèi)直噴重油發(fā)動機開發(fā)過程中重點關(guān)注的因素。

點燃式重油活塞發(fā)動機中的重油指的是航空煤油(JP5、JP8)或輕質(zhì)柴油[10]。其中，輕質(zhì)柴油在市場上最為常見，便于獲取，價格低廉。本文對某型二沖程點燃式進氣道噴射汽油發(fā)動機進行直噴化改造，采用0號柴油作為燃料。通過實驗的方法，分別研究了在小負荷與大負荷工況下噴射時刻對直噴重油發(fā)動機動力性能、燃油經(jīng)濟性以及排氣溫度的影響。

1直噴燃燒系統(tǒng)設(shè)計及改造

1.1空氣輔助燃油噴射技術(shù)

直噴重油試驗樣機采用AADI直噴技術(shù)。如圖1所示，空氣輔助燃油噴射系統(tǒng)由2部分組成：① 燃油計量噴嘴，類似于進氣道噴射使用的燃油計量噴嘴；② 氣質(zhì)霧化噴嘴(直噴噴嘴)。燃油計量噴嘴將一定壓力的燃油(0.75～0.90 MPa)噴入與氣質(zhì)霧化噴嘴之間的交界處，并與一定壓力的空氣(0.50～0.65 MPa)進行初次混合，氣質(zhì)霧化噴嘴再將油氣混合物通過噴嘴內(nèi)部通道進行二次混合后將其噴入氣缸內(nèi)。氣質(zhì)霧化噴嘴出口氣體速度達到超音速水平，強大的氣動力促使油束分裂、霧化，燃油的索特平均直徑(SMD)可達5～8 μm，有利于促進可燃混合氣的形成，且對燃油種類不敏感[11]。在低速小負荷工況下，采用較晚的噴射時刻使缸內(nèi)形成高度分層的稀薄混合氣，有利于提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性以及冷起動性能。在高速大負荷工況下，采用較早的噴射時刻，缸內(nèi)為均質(zhì)混合氣，可確保發(fā)揮發(fā)動機的動力性能[12]。

1.2燃燒室與直噴化改造

原型機為某型直列三缸二沖程進氣道噴射汽油機。在試驗樣機的直噴化改造過程中，對原型機的機體、曲軸箱、配氣相位、進/排氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及主要附件配件不進行改動，將燃燒室形狀由對稱盆形改為偏置深坑浴盆形，并重新設(shè)計直噴缸蓋以及油/氣共軌裝置用于AADI直噴系統(tǒng)的布置。表1為直噴化改造前后發(fā)動機主要參數(shù)對比。

圖1　空氣輔助噴射原理

表1　直噴化改造前后發(fā)動機主要參數(shù)對比

2試驗設(shè)備及試驗方案

2.1試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備如表2所示。圖2為直噴重油試驗樣機臺架示意圖。圖3為試驗搭建的發(fā)動機臺架系統(tǒng)實物。

表2　主要試驗設(shè)備

圖2　直噴重油試驗樣機臺架示意圖

圖3　直噴重油發(fā)動機臺架系統(tǒng)實物

2.2試驗方案

在中間轉(zhuǎn)速小負荷工況下，盡量選擇較晚的噴射時刻，在缸內(nèi)形成分層可燃混合氣，有利于燃料的燃燒。在高速大負荷工況下，由于燃油噴射量的增大，需要有足夠的時間供燃油蒸發(fā)，應(yīng)選擇較早的噴射時刻。節(jié)氣門開度在20%～28%時為小負荷工況，相應(yīng)選擇50°～110°CA BTDC的噴氣結(jié)束角；節(jié)氣門開度在41%～55%時為大負荷工況，相應(yīng)選擇80°～180°CA BTDC的噴氣結(jié)束角，以保證燃油有充足的時間在缸內(nèi)進行蒸發(fā)。AADI直噴噴嘴向缸內(nèi)噴射的為燃油與空氣的混合物。定義噴氣結(jié)束角出現(xiàn)時為缸內(nèi)噴射結(jié)束時刻，噴油時刻為燃油計量噴嘴的噴射時刻。

圖4為典型AADI直噴系統(tǒng)的噴射次序。表3為相應(yīng)負荷下的試驗工況點。

圖4　AADI直噴系統(tǒng)噴射次序圖

表3　試驗工況點

試驗過程中主要調(diào)整的參數(shù)為噴氣結(jié)束時刻，控制其他參數(shù)保持一致，其中點火提前角θ為25°CA BTDC，噴氣脈寬為3 ms，油氣間隔為1 ms，充磁脈寬為5 ms。在小負荷與大負荷各工況下，保持相應(yīng)的噴油脈寬不變。

3試驗結(jié)果及分析

3.1在中間轉(zhuǎn)速小負荷工況下噴射時刻對發(fā)動機性能的影響

3.1.1噴氣結(jié)束角對功率的影響

從圖5可知：對于工況點1，2，3，隨著噴氣結(jié)束時刻的提前，發(fā)動機的有效功率隨之增大。節(jié)氣門開度越大，有效功率上升的幅度就越大，可調(diào)整噴氣結(jié)束角的范圍也越大。這是因為：噴氣結(jié)束角越大，缸內(nèi)燃油實際蒸發(fā)時間就越大，形成的可燃混合氣數(shù)量也就越多；節(jié)氣門開度越大，進氣節(jié)流損失就越小，充氣效率就越高，有效功率上升幅度也就越大。

圖5　在工況點1，2，3輸出功率隨噴氣結(jié)束角的變化

3.1.2噴氣結(jié)束角對排氣溫度的影響

排氣溫度反映了燃燒過程結(jié)束時發(fā)動機氣缸內(nèi)的溫度。排氣溫度過高表明發(fā)動機燃燒過慢。柴油燃燒為擴散性燃燒，火焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^慢?；鹧?zhèn)鞑ニ俾手饕c可燃混合氣形成速率以及缸內(nèi)湍流強度有關(guān)。可燃混合氣形成速率越快，缸內(nèi)湍流強度就越大，火焰?zhèn)鞑ニ俾示驮娇?，燃燒過程中后燃期就越短，排氣溫度也就越低。

從圖6可知：在工況點1，排氣溫度隨噴氣結(jié)束時刻的提前先上升后下降，且變化幅度不大；在工況點2，3，排氣溫度隨噴氣結(jié)束時刻的提前先大幅度下降后小幅度回升。這說明，適當提前噴氣結(jié)束時刻可以加快可燃混合氣形成速率，降低缸內(nèi)燃燒終了溫度，但過早的噴氣時刻會使缸內(nèi)燃燒情況惡化，排氣溫度上升。此外，在節(jié)氣門開度很小時，進氣節(jié)流損失很大，缸內(nèi)湍流強度較小，不利于火焰的傳播。可見，對于工況點1，增大噴氣結(jié)束角可以加快混合氣形成速率，但缸內(nèi)較弱的湍流強度是影響排氣溫度的主要因素。

3.1.3噴氣結(jié)束角對油耗率的影響

從圖7可知：對于工況點1，2，3，隨著噴氣結(jié)束時刻的提前，發(fā)動機的油耗率隨之下降，但整體油耗較大。在試驗過程中，同一工況下噴油量不變，油耗率與輸出功率成反比，隨著有效功率的上升，油耗率相應(yīng)減小。在小負荷工況下，節(jié)氣門開度小，充氣效率較低，不易發(fā)揮發(fā)動機的動力性能，因此油耗普遍偏大。不過，適當提前缸內(nèi)噴射時刻可以在一定程度上降低油耗。

圖6　在工況點1，2，3排氣溫度隨噴氣結(jié)束角的變化

圖7　在工況點1，2，3油耗率隨噴氣結(jié)束角的變化

3.2在高轉(zhuǎn)速大負荷工況下噴射時刻對發(fā)動機性能的影響

在高轉(zhuǎn)速大負荷工況下，由于可用噴射時間的縮短以及燃油噴射量的增大，必須提前缸內(nèi)噴射時刻。這樣就造成一定量的燃油是在排氣口關(guān)閉前噴射，存在一定的燃油短路損失。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)：在相應(yīng)工況下存在某幾個噴氣結(jié)束時刻，發(fā)動機不能穩(wěn)定運行。表4為在工況點4，5，不同噴氣結(jié)束時刻試驗樣機的運行狀態(tài)。

這說明，隨著噴氣時刻的提前，燃油短路損失并不是線性增加，而是在某些時刻存在較大燃油短路損失，即使燃油蒸發(fā)時間加長，可燃混合氣數(shù)量有所增加，但實際停留在缸內(nèi)的可燃混合氣數(shù)量也無法維持發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

表4　直噴試驗樣機運行狀態(tài)

○代表穩(wěn)定運行，●代表無法穩(wěn)定運行。

3.2.1噴氣結(jié)束角對功率的影響

從圖8可知：對于工況點4，在噴氣結(jié)束角由80°CA BTDC增至140°CA BTDC的過程中，輸出功率上升；當噴氣結(jié)束角為150°CA BTDC時，輸出功率下降明顯，此時燃油短路損失較大，但缸內(nèi)實際可燃混合氣數(shù)量仍能維持發(fā)動機穩(wěn)定運行；在噴氣結(jié)束角由150°CA BTDC增至180°CA BTDC的過程中，輸出功率先上升后下降。對于工況點5，在噴氣結(jié)束角由90°CA BTDC增至150°CA BTDC的過程中，輸出功率明顯上升；在噴氣結(jié)束角由150°CA BTDC增大至180°CA BTDC的過程中，輸出功率逐漸下降。

圖8　在工況4，5輸出功率隨噴氣結(jié)束角的變化

這說明在大負荷工況下，輸出功率并不是隨著噴氣時刻的提前持續(xù)增大。在合適的較早噴氣時刻下，可燃混合氣的增量比例最大，缸內(nèi)實際可燃混合氣數(shù)量增加，有利于提升發(fā)動機的動力性能。

3.2.2噴氣結(jié)束角對排氣溫度的影響

由圖9可知：在工況點4，5，隨著噴氣結(jié)束時刻的提前，排氣溫度先大幅度下降，后小幅回升。其中在工況點4，噴氣結(jié)束時刻較晚時，即噴氣結(jié)束角為80°CA BTDC時，排氣溫度高達707 ℃。當噴氣結(jié)束角為150°CA BTDC時，排氣溫度為617 ℃，下降70 ℃。對于工況點5，排氣溫度下降幅度也較大，為48 ℃。

本試驗樣機的原型機要求發(fā)動機的排氣溫度不超過680 ℃，過高的排氣溫度會導致發(fā)動機氣缸壁面溫度過高，使油膜受損、傳熱增加、缸蓋和活塞頂溫度升高，造成發(fā)動機高溫粘缸、損壞發(fā)動機的重大事故。適當提前的噴射時刻有利于降低排氣溫度，使發(fā)動機工作在安全溫度范圍內(nèi)。

圖9　在工況點4，5排氣溫度隨噴氣結(jié)束角的變化

3.2.3噴氣結(jié)束角對油耗率的影響

由圖10可知：對于工況點4，在噴氣結(jié)束角由80°CA BTDC升至140°CA BTDC的過程中，油耗率逐漸下降；當噴氣結(jié)束角增至150°CA BTDC時，油耗率顯著上升，此時燃油短路損失較大；在噴氣結(jié)束角由150°CA BTDC增至180°CA BTDC的過程中，油耗率先下降后有小幅回升。對于工況點5，隨著噴氣結(jié)束角的增大，油耗率先下降，后上升，與發(fā)動機的輸出功率相對應(yīng)。選擇合理的較早的噴氣時刻，能在一定程度上提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

圖10　在工況點4，5油耗率隨噴氣結(jié)束角的變化

4結(jié)束語

1) 適當提前的噴射時刻有利于提升缸內(nèi)可燃混合氣形成速率、增加缸內(nèi)實際可燃混合氣的數(shù)量，在一定程度上可以提升試驗樣機的動力性以及經(jīng)濟性，并降低排氣溫度。特別是在大負荷工況下，噴射時刻的提前能大幅度降低排氣溫度，使發(fā)動機工作在安全溫度范圍內(nèi)。

2) 通過試驗總結(jié)了在不同轉(zhuǎn)速與負荷下直噴重油試驗樣機性能隨噴射時刻變化的變化規(guī)律；為下一步安全進行試驗樣機全負荷性能試驗提供了指導方向與理論依據(jù)。

3) 重油燃油的辛烷值不及汽油的一半，因此點燃式重油發(fā)動機極容易發(fā)生爆震。推遲點火時刻有利于抑制爆震。本研究在試驗過程中未對點火時刻進行優(yōu)化，因此在今后全負荷試驗中，應(yīng)對各轉(zhuǎn)速下的點火時刻進行優(yōu)化，避免爆震的出現(xiàn)，提高直噴重油試驗樣機的爆震極限功率。

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(責任編輯陳艷)

Influence of Injection Timing on Engine Performance of a Heavy Fuel Engine Under Different Loads

YANG Bai-fan, YANG Hai-qing, LIU Rui

(College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:Experiments were carried out to research the influence of direct injection timing on engine power, fuel consumption rate and exhaust temperature of a 2-stroke heavy fuel engine based on AADI system under different loads of part loads and heavy loads. The experiment result show that: under part loads, with the injection timing advances, the engine power increases, and the fuel consumption rate and the exhaust temperature decrease accordingly. Under heavy loads, with the injection timing advances, there are several unsteady working conditions which can not affect the pattern, the engine power increases firstly, and then decreases, and the fuel consumption rate and exhaust temperature decreases firstly, and then increases, and there exists a large range of adjustable injection timing angle.

Key words:two-stroke spark-ignited engine; heavy fuel; direct injection; engine performance; injection timing

收稿日期：2015-01-10

基金項目：江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(KYLX15_0262)

作者簡介：楊白凡(1991—),男,蘇州人,碩士研究生,主要從事內(nèi)燃機性能仿真與控制研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.008

中圖分類號：V234

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0041-06

引用格式：楊白凡,楊海青，劉銳.不同負荷下噴射時刻對重油發(fā)動機性能的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(5):41-46.

Citation format：YANG Bai-fan, YANG Hai-qing, LIU Rui.Influence of Injection Timing on Engine Performance of a Heavy Fuel Engine Under Different Loads[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):41-46.