轉(zhuǎn)速對乙醇汽油雙燃料噴射系統(tǒng)油耗和排放物的影響

王玉鳳

（煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院車輛運用工程系 山東 煙臺 265500）

引言

目前，隨著世界各國對節(jié)能減排的日益重視，許多國家都對汽車油耗以及尾氣排放提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。相對于石油燃料而言，乙醇有望成為一種替代品。其中，乙醇的氧含量以及H和C的原子比都較高，并且含硫的比例也很低，有助于燃料實現(xiàn)完全燃燒的過程，顯著降低排放物中的各類有害成分；此外，乙醇的汽化潛熱達(dá)到了汽油的2倍以上，可以有效促進(jìn)發(fā)動機進(jìn)氣并對壓縮沖程起到充量冷卻的效果，使充氣效率獲得顯著提升；乙醇的辛烷值比汽油略高，有助于提高發(fā)動機壓縮比并改善其抗爆性能；可以形成比汽油更高的層流火焰速度，對于燃燒過程起到明顯的促進(jìn)作用，從而獲得更高的發(fā)動機熱效率[4-6]。根據(jù)上述分析可知，當(dāng)前國內(nèi)外大部分學(xué)者主要是對乙醇與汽油組成的雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機進(jìn)行了相關(guān)研究，但很少研究乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機關(guān)于燃油互換方面的內(nèi)容[7-12]。本文重點探討了由進(jìn)氣道噴射乙醇和缸內(nèi)直噴汽油共同構(gòu)成的雙燃料雙噴射系統(tǒng)，分析不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，EPI+GDI（進(jìn)氣道噴射乙醇+缸內(nèi)直噴汽油）和EDI+GPI燃燒模式隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大所表現(xiàn)出來的性能變化，本文研究結(jié)果可以為改善GDI發(fā)動機的微粒排放問題提供一定的理論參考價值。

1 試驗設(shè)備及流程

本實驗通過改裝一臺排量為2.0 L的增壓缸內(nèi)直噴汽油機得到了雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機，該系統(tǒng)為4缸類型，缸內(nèi)直噴燃油方式和渦輪增壓進(jìn)氣方式，具體的GDI發(fā)動機的各項性能參數(shù)如表1所示。以原機作為基礎(chǔ)，新增了進(jìn)氣道多點噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了獨立的油泵、油箱、噴油器供油以及燃油分配管；通過開放型ECU與進(jìn)氣噴射系統(tǒng)來達(dá)到實時通信的功能，實現(xiàn)和原機噴射次序、凸輪軸信號與曲軸信號的同步過程；同時，利用標(biāo)定軟件來設(shè)定進(jìn)氣道中噴油器的噴射時間與脈寬等運行參數(shù)。INCA在線標(biāo)定系統(tǒng)為GDI噴射系統(tǒng)和原機開放式ECU建立實時通信來控制缸內(nèi)噴油器。可以利用在線控制的方式對進(jìn)氣道噴射以及缸內(nèi)直噴的噴油比例進(jìn)行精確控制。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

本實驗中用于缸壓測試的設(shè)備包括AVL GH13Z缸壓傳感器、AVL 641燃燒分析儀以及Kistler電荷放大器共同構(gòu)成，可以對缸內(nèi)的各項燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行高效收集與處理；利用ETASLA4型λ測試儀測定了過量空氣系數(shù)；通過2臺AVL731油耗儀來精確測定進(jìn)氣道噴射以及缸內(nèi)直噴燃油量；利用Horiba MEXA-7100排放測試儀測定了氣體排放量；通過DMS500快速顆粒取樣儀來測試了各個粒徑微粒對應(yīng)的數(shù)量分布狀態(tài)，可以測試的粒徑尺寸范圍介于5～1 000 nm，響應(yīng)頻率是10 Hz，同時利用干燥空氣對收集到的發(fā)動機尾氣實施2級稀釋，采樣溫度是100℃，一級與二級的稀釋比依次等于1∶4與1∶100。

2 結(jié)果分析

2.1 燃油經(jīng)濟(jì)性

表2顯示了分別建立在燃油質(zhì)量消耗基礎(chǔ)上的油耗QB以及建立在燃油能量消耗基礎(chǔ)上的油耗QE發(fā)生的改變情況。從表2中可以看到，QB表現(xiàn)出隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而線性上升的結(jié)果。這是由于乙醇熱值較低，只達(dá)到了汽油熱值的61%，具體見表2，因此為了保持同樣的發(fā)動機功率就需要噴入更多的乙醇。QE則表現(xiàn)出隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而下降的變化趨勢，在保持同樣的發(fā)動機功率條件下所需的能量更低，從而促進(jìn)發(fā)動機有效熱效率的提升。

表2 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下Q B和Q E隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化g（/kW·h）

QE出現(xiàn)下降的情況可以通過摩爾乘數(shù)效應(yīng)進(jìn)行解釋。在發(fā)動機的每個循環(huán)過程中，燃油混合物發(fā)生膨脹行程時做的功W越大，則對應(yīng)的摩爾乘數(shù)效應(yīng)也越高，可將其表示成如下形式：

式中：n代表燃燒物質(zhì)的摩爾量，γ是定壓比熱容和定容比熱容相比所得的結(jié)果；T1是膨脹行程在初始狀態(tài)下對應(yīng)的溫度；R是摩爾氣體常數(shù)；V1是膨脹行程中初始體積，V2是膨脹行程最終體積，分別對應(yīng)發(fā)動機余隙體積及排量。

對表2進(jìn)一步分析還可發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，QB和QE均表現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。

所有轉(zhuǎn)速下的最低QE都出現(xiàn)于乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的狀態(tài)下，在EPI+GDI燃燒模式下QE最低值等于255 g/（kW·h），相對于純汽油而言，燃油的經(jīng)濟(jì)性提升了2%左右。在EDI+GPI燃燒模式下，QE最低值時為241 g/（kW·h），相對于純汽油的燃油經(jīng)濟(jì)性上升了10%左右。

2.2 氣態(tài)常規(guī)排放物

從表3中可以看到在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變后HC排放量發(fā)生的變化情況。根據(jù)表3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速對HC排放量影響不明顯，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大后都出現(xiàn)了降低的結(jié)果。含有乙醇的層流火焰速度更快，對于缸內(nèi)的燃燒過程起到了良好的促進(jìn)作用，同時因為乙醇含有較高的氧含量，從而增大了燃油局部區(qū)域內(nèi)混合氣含有的氧濃度，同時乙醇具備優(yōu)異的蒸發(fā)性能也對形成均質(zhì)混合氣起到了明顯的促進(jìn)作用，使燃燒過程變得更充分，最終有效降低了HC的排放量。

表3 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下HC排放量隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化g（/kW·h）

在乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的條件下，EDI+GPI燃燒模式相對于EPI+GDI燃燒模式將會產(chǎn)生更大的HC排放量，表明進(jìn)氣道噴射純汽油將比缸內(nèi)噴射純汽油產(chǎn)生更大的HC排放量；在乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的時候，EPI+GDI燃燒模式將會產(chǎn)生比EDI+GPI燃燒模式更大的HC排放量，表明在氣道噴射乙醇將會產(chǎn)生比缸內(nèi)直噴乙醇更高的HC排放量。

液態(tài)燃油可以通過進(jìn)氣道噴油器被直接噴射到進(jìn)氣口以及進(jìn)氣門背部區(qū)域，所需的噴射壓力也較低。在較大的進(jìn)氣道噴射比例下，將會形成很長的噴射脈寬。表4給出了進(jìn)氣道噴射持續(xù)期對應(yīng)的進(jìn)氣門開啟與關(guān)閉狀態(tài)下的噴射角度。根據(jù)表4結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣道中有一部分燃油噴射出現(xiàn)在進(jìn)氣門關(guān)閉狀態(tài)下，在進(jìn)氣門開啟的時候，隨著缸內(nèi)燃燒后氣體發(fā)生快速回流可以對燃油的蒸發(fā)起到明顯的促進(jìn)作用，位于進(jìn)氣門以及進(jìn)氣口的液態(tài)燃油將通過氣態(tài)狀態(tài)進(jìn)入缸中；剩余燃油將在開啟進(jìn)氣門之后通過液滴的形態(tài)與進(jìn)氣氣流一起進(jìn)入到氣缸內(nèi)，同時大部分的液態(tài)燃油都會和缸內(nèi)的氣態(tài)燃油、空氣以及剩余廢氣發(fā)生充分混合，之后通過進(jìn)氣與圧縮過程產(chǎn)生可燃混合氣。

表4 進(jìn)氣道噴射持續(xù)期相對進(jìn)氣門開啟和關(guān)閉時的噴射角度

表5顯示了不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的CO排放量和乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。根據(jù)表5可以發(fā)現(xiàn)，在所有轉(zhuǎn)速下，CO排放量都表現(xiàn)出了相近的變化規(guī)律，都隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而出現(xiàn)先降低后上升的現(xiàn)象，其中在乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的條件下CO排放量達(dá)到最低。其中，在最低點之前，因為乙醇氧含量較高，層流火焰速度也較快，使燃燒過程能夠充分進(jìn)行，減少了CO的產(chǎn)生量。進(jìn)入最低點之后，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大則會引起池火現(xiàn)象，從而使CO的排放量上升。

表5 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下CO排放量隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化g（/kW·h）

對表5進(jìn)行分析還可發(fā)現(xiàn)，在最低點之前，EDI+GPI具有比EPI+GDI更高的CO排放量；之后EPI+GDI具有比EDI+GPI更大的CO排放量。無論何種燃料，在較大的進(jìn)氣道噴射燃料比例下，低噴射壓力將會增加噴射脈寬，在進(jìn)氣門與進(jìn)氣口表面也會附著燃油，同時還有一些燃油從進(jìn)氣門進(jìn)入到了氣缸中，從而生成更多的CO。

3 結(jié)論

1）QB表現(xiàn)出隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而線性上升的結(jié)果，QE則表現(xiàn)出隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而下降的變化趨勢。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，QB和QE均表現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。所有轉(zhuǎn)速下的最低QE都出現(xiàn)于乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的狀態(tài)下，在EDI+GPI燃燒模式下，QE最低值時為241 g/（kW·h）。

2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速對HC排放量影響不明顯，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大后都出現(xiàn)了降低的結(jié)果。在乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的條件下，EDI+GPI燃燒模式相對于EPI+GDI燃燒模式將會產(chǎn)生更大的HC排放量；在乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%時，EPI+GDI燃燒模式將會產(chǎn)生比EDI+GPI燃燒模式更大的HC排放量。

3）在所有轉(zhuǎn)速下，CO排放量都表現(xiàn)出了相近的變化規(guī)律，都隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而出現(xiàn)先降低后上升的現(xiàn)象，其中在乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的條件下CO排放量達(dá)到最低。