含水乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)研究

張盼龍+羅馬吉+丁洪春+蔡雄+王一男

摘 要：通過測(cè)取和處理分析汽油機(jī)燃用含水乙醇汽油時(shí)的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，對(duì)比分析平均指示壓力、最高燃燒壓力和質(zhì)量燃燒百分率等不同循環(huán)變動(dòng)表征參數(shù)，并且通過探討平均指示壓力與燃燒相位間的相關(guān)性，深入研究了含水乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)變動(dòng)。結(jié)果表明：在低轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷下，汽油機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油相比于純汽油循環(huán)變動(dòng)增大；燃燒循環(huán)變動(dòng)主要發(fā)生在燃燒初期；滯燃期和主燃期循環(huán)變動(dòng)對(duì)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)影響較大。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)； 循環(huán)變動(dòng)；含水乙醇汽油

中圖分類號(hào)：TK411+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）05-0025-05

Study of cyclic variations on a gasoline engine fueled with hydrous ethanol gasoline

ZHANG Pan-long1，2， LUO Ma-ji1，2，DING Hong-chun3，CAI Xiong1，2， WANG Yi-nan1，2

（ 1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 3. Jiangsu Nonghua Intelligent Agriculture Technology CO.LTD， Yancheng224007， China ）

Abstract： In this paper， the cylinder pressures in a gasoline engine fueled with hydrous ethanol gasoline were acquired and analyzed， and the cyclic variation characterization parameters， including the mean indicated pressure， maximum combustion pressure and combustion quality percentage， were also analyzed. Through the discuss of the correlation between the mean indicated pressure and combustion phase， the cyclic variations of a PFI engine fueled with hydrous ethanol gasoline were deeply investigated. The results show that under the condition of low speed and medium load， compared to pure gasoline， cyclic variations of the engine fueled with E10W5 hydrous ethanol gasoline increase； the cyclic variations mainly occur in the early combustion； ignition delay period and the main combustion period have a great influence on the cyclic variations of the mean indicated pressure.

Key Words： gasoline engine； cyclic variation； hydrous ethanol gasoline

引 言

循環(huán)變動(dòng)是指汽油機(jī)以某一工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這一循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線、火焰?zhèn)鞑デ闆r以及汽油機(jī)功率輸出均不相同[1]。循環(huán)變動(dòng)是火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的一個(gè)重要特征，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能均有不利影響。每個(gè)循環(huán)的燃燒情況不同說明所有循環(huán)不可能都處于設(shè)計(jì)的最佳燃燒狀態(tài)，燃燒較快的循環(huán)容易發(fā)生爆震現(xiàn)象，燃燒較慢的循環(huán)混合氣混合不充分，會(huì)增加污染氣體的排放。有研究表明，如能完全避免循環(huán)變動(dòng)的影響，則發(fā)動(dòng)機(jī)在相同燃油消耗和排放性能前提下，可提高10%的扭矩輸出[2]。研究發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低廢氣排放有重大意義。國(guó)外的學(xué)者關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的研究表明：火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)循環(huán)間的最大氣缸壓力可能存在較大的變動(dòng)[3-5]，主要是因?yàn)槿剂匣旌喜痪鶆?，火花塞點(diǎn)火出現(xiàn)問題，以及氣缸內(nèi)的湍流流動(dòng)會(huì)有變動(dòng)。國(guó)內(nèi)的學(xué)者關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)方面做出了大量的深入研究：在探究火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)壓力循環(huán)變動(dòng)評(píng)價(jià)方法的過程中，李興虎等學(xué)者認(rèn)為火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒變動(dòng)主要發(fā)生在燃燒初期[6]。含水乙醇汽油作為潛在的純汽油替代燃料，有大量的學(xué)者研究其穩(wěn)定性、燃燒特性和排放特性，研究表明：在未對(duì)汽油機(jī)作任何調(diào)整的情況下，燃用E10W5含水乙醇汽油的動(dòng)力性略低于燃用純汽油；當(dāng)量燃油消耗率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善；排放污染物降低，排放特性得到改善[7]。但是，目前關(guān)于含水乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)研究相對(duì)較少。本文采用典型工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油的循環(huán)變動(dòng)對(duì)比分析，以此研究含水乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)特性。endprint

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在一臺(tái)進(jìn)氣道噴射的4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，缸徑為75mm ，行程為84.8mm，排量為1.5升，壓縮比為10.5。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)采用江蘇啟測(cè)測(cè)功器有限公司的EMC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控單元和DW60電渦流測(cè)功器。氣缸壓力的測(cè)取采用德國(guó)SMETEC燃燒分析儀，瑞士Kisler公司生產(chǎn)的6117BFD17型火花塞缸內(nèi)壓力傳感器和5018型電荷放大器組成的氣缸壓力測(cè)試系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200r/min，扭矩為40Nm的低速中等負(fù)荷工況下進(jìn)行，利用機(jī)油和冷卻水恒溫系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水保持在（85±1）℃，機(jī)油溫度保持在（90±1）℃之間，待發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，連續(xù)采集100個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，由壓力數(shù)據(jù)求出氣缸壓力有關(guān)參數(shù)，用以分析燃燒不同燃料的燃燒循環(huán)變動(dòng)。試驗(yàn)用燃料為市售93號(hào)純汽油、用E10車用乙醇汽油和市售93號(hào)純汽油配置的E10W5含水乙醇汽油。其中E10W5表示燃油中含水乙醇體積比為10%，含水乙醇中水含量為5%。

2 典型工況循環(huán)變動(dòng)參數(shù)分析

2.1 平均指示壓力

平均指示壓力（IMEP）綜合了缸內(nèi)壓力值及其對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響，而且IMEP被大多數(shù)研究人員用作表征發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的首選參數(shù)[8]。發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)情況用IMEP的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)來評(píng)價(jià)：

CoVIMEP=σIMEP / PIMEP （1）

式中，PIMEP為100次循環(huán)IMEP的平均值；σIMEP為100次循環(huán)IMEP的標(biāo)準(zhǔn)差；CoVIMEP為100次循環(huán)IMEP的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)。

圖1表示發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油連續(xù)100個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)壓力曲線。從圖1可以看出，相比于燃用純汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下燃用E10W5含水乙醇汽油的缸內(nèi)壓力循環(huán)變動(dòng)變化幅度較大，燃燒較不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)燃燒不完全和失火的現(xiàn)象。圖2表示發(fā)動(dòng)機(jī)燃用兩種燃料的IMEP隨循環(huán)數(shù)變化的關(guān)系。從圖2可以看出，在試驗(yàn)工況下，相比于燃用純汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的IMEP較低，IMEP變動(dòng)幅值較大。表1為相關(guān)的計(jì)算參數(shù)，其中，含水乙醇汽油的相關(guān)計(jì)算參數(shù)已經(jīng)去掉失火循環(huán)。相比于燃用純汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的IMEP較低，CoVIMEP較高的原因是：發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的燃燒始點(diǎn)推遲，燃燒速率放慢，主燃期延長(zhǎng)，燃料燃燒不充分，火焰?zhèn)鞑ブ琳麄€(gè)燃燒室的時(shí)刻偏離活塞到達(dá)至上止點(diǎn)的時(shí)刻，散熱損失增加，因而，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的循環(huán)變動(dòng)相比于燃用純汽油的循環(huán)變動(dòng)增加。

從圖2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油第53個(gè)循環(huán)的平均指示壓力和最高燃燒壓力明顯低于其它循環(huán)，發(fā)生了失火現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榍耙粋€(gè)循環(huán)后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，增加了氣缸中的殘余廢氣量，在失火循環(huán)中，因?yàn)闅堄鄰U氣量的增加，使得混合氣混合不均勻，因而燃燒不完全，最高燃燒壓力大大下降，同時(shí)該循環(huán)的IMEP大大降低。

2.2 最高燃燒壓力

最高燃燒壓力（Pmax） 是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴性的重要參數(shù)，易于測(cè)量并且對(duì)循環(huán)變動(dòng)很敏感[9]，被許多學(xué)者采用進(jìn)行分析。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油的Pmax和燃燒始點(diǎn)（用混合氣已燃10%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA10表示）之間的關(guān)系進(jìn)行分析，如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油的Pmax和CA10之間的線性關(guān)系表現(xiàn)出良好一致性，因此Pmax的循環(huán)變動(dòng)依賴于燃燒始點(diǎn)循環(huán)變動(dòng)[10]。

2.3 質(zhì)量燃燒百分率

質(zhì)量燃燒百分率是一種深入了解燃燒循環(huán)變動(dòng)的可靠方法[6]。其過程主要是統(tǒng)計(jì)若干個(gè)連續(xù)循環(huán)某一曲軸轉(zhuǎn)角下的質(zhì)量燃燒百分率或者放熱率，求取其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變動(dòng)率等，例如對(duì)所有循環(huán)下燃料燃燒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0-10%經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角（φ0-10）和從0-50%經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角（φ0-50）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在圖中做出二者之間的變化關(guān)系和相關(guān)性。圖4為φ0-10和φ0-50之間的變化關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下燃用純汽油的φ0-10和φ0-50之間的相關(guān)系數(shù)為0.8783，燃用E10W5含水乙醇汽油的φ0-10和φ0-50之間的相關(guān)系數(shù)為0.9173，相關(guān)性顯著，因而，發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下燃用E10W5含水乙醇汽油的燃燒循環(huán)變動(dòng)主要發(fā)生在燃燒初期。

3 循環(huán)變動(dòng)參數(shù)與燃燒相位的相關(guān)性分析

為了分析不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5乙醇汽油時(shí)影響發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)的關(guān)鍵因素，本文分析了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純汽油和E10W5時(shí)燃燒相位和平均指示壓力的相關(guān)性。各個(gè)參數(shù)間的相關(guān)性定義為：

（2）

式中，Xi、Yi分別表示第i個(gè)循環(huán)不同表征參數(shù)的數(shù)值，X、Y分別表示所有循環(huán)不同表征參數(shù)的平均值，SD （X）、SD （Y）分別表示所有循環(huán)不同表征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

本文以文獻(xiàn)[11]中的相關(guān)性強(qiáng)弱性判斷作為依據(jù)，認(rèn)為| R（X，Y）|小于0.3時(shí)，兩個(gè)變量間的相關(guān)性為弱相關(guān)；| R（X，Y）|從0.3增加至0.8時(shí)，兩個(gè)變量間的相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，并認(rèn)為| R（X，Y）|在0.3與0.5之間為中度相關(guān)，| R（X，Y）|在0.5到0.8之間為顯著相關(guān)；| R（X，Y）|大于0.8時(shí)，兩個(gè)變量間的相關(guān)性為強(qiáng)烈相關(guān)。

3.1 平均指示壓力與滯燃期的相關(guān)性

圖5表示發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下燃用不同燃料的平均指示壓力與滯燃期（φ0-10）的關(guān)系。從圖5可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的平均指示壓力與滯燃期的關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)為-0.7206，二者顯著相關(guān)；發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純汽油的平均指示壓力與滯燃期無明顯線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)僅為0.1325，二者弱相關(guān)。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油時(shí)E10W5含水乙醇汽油的汽化潛熱作用使得進(jìn)氣過程中溫度降低，相比于純汽油，滯燃期延長(zhǎng)，而滯燃期的長(zhǎng)短是影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)的主要因素[12]，滯燃期的延長(zhǎng)不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。endprint

3.2 平均指示壓力與主燃期的相關(guān)性

圖6表示發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下燃用不同燃料的平均指示壓力與主燃期（φ10-90）的關(guān)系。主燃期是指燃料燃燒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%-90%經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角。圖6表示發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料的主燃期隨循環(huán)數(shù)變化的關(guān)系。從圖6可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的平均指示壓力與主燃期線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)為-0.7497，二者顯著相關(guān)；發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純汽油的平均指示壓力與主燃期的線性關(guān)系一般，相關(guān)系數(shù)為-0.3446，二者中度相關(guān)。這是因?yàn)橄啾扔谌加眉兤?，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的燃燒穩(wěn)定性較差，主燃期的幅值變化大，如圖7所示，而且發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇的主燃期延長(zhǎng)，增加了主燃期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油的循環(huán)變動(dòng)，因而，相比于燃用純汽油，主燃期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油影響更大。

4 結(jié)論

本文在進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)上開展了燃用E10W5含水乙醇汽油和純汽油的循環(huán)變動(dòng)試驗(yàn)，通過測(cè)取和處理分析100個(gè)連續(xù)循環(huán)的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，對(duì)比分析平均指示壓力、最高燃燒壓力和質(zhì)量燃燒百分率等不同循環(huán)變動(dòng)表征參數(shù)，并通過探討平均指示壓力與燃燒相位間的相關(guān)性，研究了含水乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)變動(dòng)。結(jié)果表明：在低轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10W5含水乙醇汽油相比于純汽油的循環(huán)變動(dòng)增加；燃燒循環(huán)變動(dòng)主要發(fā)生在燃燒初期；滯燃期和主燃期的循環(huán)變動(dòng)對(duì)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)有顯著影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社， 2001.

[2]周洋毅. 汽油機(jī)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)的規(guī)律和預(yù)測(cè)方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2015.

[3]de Melo T C C， Machado G B， de Oliveira E J， et al. Experimental Investigation of Different Hydrous Ethanol-Gasoline Blends on a Flex-Fuel Engine[J]. SAE Paper， 2010，2010-36-0469.

[4]Stone R. Introduction to internal combustion engines[M].London： Macmillan Education UK， 1999.

[5]Heywood J B. Internal combustion engine fundamentals[M]. New York： Mcgraw-hill， 1988.

[6]李興虎， 蔣德明， 沈惠賢. 火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)壓力循環(huán)變動(dòng)的評(píng)價(jià)方法研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2000， 18（2）：171-174.

[7]劉少華， 申立中， 葉年業(yè)， 等. E10含水乙醇汽油對(duì)汽油機(jī)性能及排放的影響研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2012， 33（5）： 46-51.

[8]韓雪嬌， 姚寶峰， 張紅光， 等. 不同點(diǎn)火時(shí)刻取值方式對(duì)CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)特性的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2012， 30（5）： 446-450.

[9]程勇， 王建昕， 莊人雋，等. 汽油機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)表征參數(shù)的探討[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)， 2001（6）：16-20.

[10]馬凡華， 王宇， 劉海全. 天然氣火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的分析方法[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2008， 29（3）：41-46.

[11]孫柏剛， 張冬生， 劉福水. 氫內(nèi)燃機(jī)循環(huán)變動(dòng)特性的評(píng)價(jià)方法[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2013，31（2）：133-138.

[12]姜立永， 馮建權(quán). 汽油機(jī)的循環(huán)變動(dòng)及其影響因素[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 1991， 9（4）： 294-298.endprint