DISI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒試驗(yàn)研究

宮長(zhǎng)明，彭樂(lè)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(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025）

隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)境問(wèn)題的日漸突出，尋求優(yōu)良的替代能源對(duì)于汽車(chē)行業(yè)而言迫在眉睫。中國(guó)汽車(chē)保有量與日俱增，汽車(chē)尾氣污染引起了人們的重視，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)的排放法規(guī)限制尾氣排放。針對(duì)各種替代燃料在汽車(chē)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，指出氫氣作為發(fā)動(dòng)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(duì)乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行探索并與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析［8－14］；T.Korakianitis和B.Afkhami等對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究［15－16］。甲醇具有含氧量高、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒅鸾缦迣?、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(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量研究，指出甲醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料非常可行方便。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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能無(wú)大的損耗且對(duì)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(dòng)機(jī)冷起動(dòng)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(zhǎng)明等針對(duì)甲醇進(jìn)行了多方面的研究，指出在汽油中摻甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)工況下甲醇燃料發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的燃燒排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)在一臺(tái)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(dòng)機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(duì)噴油器油線作了特殊的布置（見(jiàn)圖2）。這種布置通過(guò)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)可以在火花塞附近形成相對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)與原機(jī)相關(guān)參數(shù)的對(duì)比。

表1 改裝前后發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)的對(duì)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(jiàn)表2。

表2 甲醇燃料的理化性質(zhì)

1.3 相關(guān)測(cè)試設(shè)備

采用電渦流測(cè)功機(jī)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩輸出，缸壓用SYC04A石英晶體壓力傳感器測(cè)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(cè)量，主要測(cè)量HC，CO和NOx排放，HC的測(cè)量采用火焰離子探測(cè)器，CO的測(cè)量采用非色散紅外線分析儀，NOx的測(cè)量采用化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)器。規(guī)定燃料燃燒1%時(shí)為燃燒始點(diǎn)，燃料燃燒90%時(shí)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(duì)不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)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(duì)1 200r／min和1 600r／min兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的燃燒特性和排放特性進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)在最佳點(diǎn)火正時(shí)和最佳噴射正時(shí)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(shí)和最佳噴油正時(shí)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(shí)有效熱效率最大。該發(fā)動(dòng)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(shí)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(guò)低時(shí)，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(guò)濃或過(guò)稀，燃燒質(zhì)量差，有效熱效率低。800r／min升至1 200r／min過(guò)程中，缸內(nèi)漏氣量和散熱量減少，單位時(shí)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(guò)1 200r／min時(shí)，氣流流速過(guò)快，慣量大，超過(guò)良好分層所需流速，對(duì)缸內(nèi)擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)系數(shù)對(duì)比。從圖4可以看出，轉(zhuǎn)速為1 200r／min時(shí)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)最小，2 000r／min時(shí)達(dá)到最大值。800r／min時(shí)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)較大，主要原因是此時(shí)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(shí)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(dòng)系數(shù)變大。

通過(guò)以上分析，接下來(lái)的研究中選定1 200r／min和1 600r／min兩個(gè)轉(zhuǎn)速，前者熱效率最高、循環(huán)變動(dòng)系數(shù)最小，后者這兩個(gè)指標(biāo)不大也不小，也具有代表性，著重對(duì)這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)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(shí)缸壓和放熱率較大，著火時(shí)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(shí)稍高。在燃燒后期，1 200r／min時(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)滯燃期短、放熱開(kāi)始時(shí)刻早（見(jiàn)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(shì)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(shì)相同，都隨負(fù)荷增加而減小。主要因?yàn)樾∝?fù)荷時(shí)，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(zhǎng)［25］；此外，火花塞附近混合氣相對(duì)較稀，滯燃期稍長(zhǎng)。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?，?shí)現(xiàn)快速燃燒。由于發(fā)動(dòng)機(jī)采用分層稀薄燃燒模式，在全負(fù)荷缸內(nèi)也不會(huì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(guò)最大放熱率相位可以得出燃料完全燃燒的時(shí)刻。最大放熱率和最大放熱率峰值相位隨負(fù)荷的變化見(jiàn)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(duì)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(shí) HC排放小于1 200r／min時(shí)。小負(fù)荷時(shí)，甲醇噴射量少，轉(zhuǎn)速較高（1 600r／min）時(shí)缸內(nèi)渦流強(qiáng)度大，混合氣的濃度分布比1 200r／min時(shí)理想，所以HC排放比1 200r／min時(shí)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(shí)，兩種轉(zhuǎn)速下CO排放較多，1 200r／min時(shí)更高些。負(fù)荷較小時(shí)，甲醇量少，1 200r／min轉(zhuǎn)速下會(huì)產(chǎn)生異常稀薄混合氣區(qū)域，溫度過(guò)低的區(qū)域增多，CO生成量增加；轉(zhuǎn)速為1 600r／min時(shí)混合氣雖然稀薄，燃燒惡化，但沒(méi)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(shí)1 600r／min轉(zhuǎn)速下CO排放開(kāi)始增加，但1 200r／min無(wú)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(shí)混合氣的均勻性要優(yōu)于轉(zhuǎn)速為1 200r／min時(shí)。

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(shí)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(shí)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(shí)混合氣雖然整體偏稀，但沒(méi)有低溫區(qū)域產(chǎn)生，NOx稍高。

大負(fù)荷時(shí)1 200r／min轉(zhuǎn)速下NOx排放高。這是因?yàn)榧状剂慷啵謱尤紵诖筘?fù)荷時(shí)優(yōu)勢(shì)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(shí)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(dòng)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(dòng)系數(shù)有一定差別，中等轉(zhuǎn)速1 200r／min時(shí)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(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒大負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和排放性都比較好，小負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和排放性較差，有待改善。

［1］ Rakopoulos C D.A combined experimental and numerical study of thermal processes，performance and nitric oxide emissions in hydrogen－fueled spark－ignition engine［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36：5163－5180.

［2］ An H，Yang W M.A numerical study on a hydrogen assisted dieselengine［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2013，38：2912－2928.

［3］ Olivier Laget，Stéphane Richard.Combining experimental and numerical investigations to explore the potential of downsized engines operating with methane／hydrogen blends［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37：11514－11530.

［4］ Moreno F，Arroyo J.Combustion analysis of a spark ignition engine fueled with gaseous blends containing hydrogen［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37：13564－13573.

［5］ Vancoillie J，Demuynck J.Comparison of the renewable transportation fuels，hydrogen and methanol formed from hydrogen，with gasoline e Engine efficiency study［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37：9914－9924.

［6］ Sáinz D，Diéguez P M.Conversion of a gasoline enginegenerator set to a bi－fuel （hydrogen／gasoline）electronic fuel－injected power unit［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36：13781－13792.

［7］ Moreno F，Mun z M.Efficiency and emissions in a vehicle spark ignition engine fueled with hydrogen and methane blends［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37：11495－11503.

［8］ Luis Carlos Monteiro Sales.Cold start characteristics of an ethanol－fuelled engine with heated intake air and fuel［J］.Applied Thermal Engineering，2012，40：198－201.

［9］ Nadir Yilmaz.Comparative analysis of biodiesel－ethanol－diesel and Biodiesel－methanol－diesel blends in a diesel engine［J］.Energy，2012，40（1）：210－213.

［10］ Rodrigo C Costa，JoséR Sodré.Compression ratio effects on an ethanol／gasoline fuelled engine performance［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31：278－283.

［11］ Zhang Z H，Tsang K S.Effect of fumigation methanol and ethanol on the gaseous and particulate emissions of a direct－injection diesel engine［J］.Atmospheric Environment，2011，45：2001－2008.

［12］ Georgios Karavalakis，Thomas D Durbin.Impacts of ethanol fuel level on emissions of regulated and unregulated pollutants from a fleet of gasoline light－duty vehicles［J］.Fuel，2012，93：549－558.

［13］ Nadir Yilmaz.Performance and emission characteristics of a diesel engine fuelled with biodiesel－ethanol and biodiesel－methanol blends at elevated air temperatures［J］.Fuel，2012，94：440－443.

［14］ Chinda Charo enphonphanich.Low Temperature Starting Techniques for Ethanol Engine without Secondary Fuel Tank［C］.SAE Paper 2011－32－0552.

［15］ Korakianitis T，Namasivayam A M.Natural－gas fueled spark－ignition （SI）and compression－ignition（CI）engine performance and emissions［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2011，37：89－112.

［16］ Afkhami B，Kakaee A H.Studying engine cold start characteristics at low temperatures for CNG and HCNG by investigating low－temperature oxidation［J］.Energy Conversion and Management，2012，64：122－128.

［17］ 李仁春，王 忠，袁銀男，等.甲醇－柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程分析［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014（2）：82－89.

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

［19］ Vancoillie J，Demuynck J.The potential of methanol as a fuel for flex－fuel and dedicated spark－ignition engines［J］.Applied Energy，2013，102：140－149.

［20］ Bahattin Celik M，Bulent Ozdalyan.The use of pure methanol as fuel at high compression ratio in a single cylinder gasoline engine ［J］.Fuel，2011，90：1591－1598.

［21］ 宮長(zhǎng)明，王 舒，劉家郡，等.基于循環(huán)控制的點(diǎn)燃式LPG－甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008（2）：19－21.

［22］ 帥石金，張 凡，肖建華，等.低比例甲醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)非常規(guī)排放燃燒特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2010（6）：1－7.

［23］ 宮長(zhǎng)明，王 舒，鄧寶清，等.點(diǎn)火和噴射正時(shí)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)特性的影響［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（11）：1367－1371.

［24］ 宮長(zhǎng)明，郭英男，譚滿(mǎn)志，等.改善火花助燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的研究［J］.汽車(chē)技術(shù)，1995（10）：28－31.

［25］ 周龍保，劉忠長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.