乙醚助燃對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)性能影響的試驗(yàn)研究

劉來，陳文，胥昌懋，張武高

(1.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

目前柴油機(jī)在軍用車輛和中重型載重汽車上應(yīng)用廣泛，由于柴油凝點(diǎn)較高，揮發(fā)性較差，在低溫下難以與空氣形成可燃混合氣，而且柴油機(jī)是壓縮著火，環(huán)境溫度降低引起壓縮上止點(diǎn)溫度難以達(dá)到柴油的著火溫度，導(dǎo)致柴油機(jī)在寒冷高緯度地區(qū)的使用受到限制[1-2]。為了縮短柴油機(jī)高寒條件下冷起動(dòng)所需時(shí)間，提高冷起動(dòng)性能，國內(nèi)外學(xué)者通過在新鮮工質(zhì)內(nèi)摻混特定燃料作為起動(dòng)液[3-5]，加快了焰前反應(yīng)速率,改善主燃燒過程，進(jìn)而改變?cè)瓩C(jī)的起動(dòng)著火和排放規(guī)律。研究認(rèn)為，使用起動(dòng)液助燃是一種安全可靠的改善柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能的方法[6-8]。起動(dòng)液一般使用低沸點(diǎn)、高十六烷值的乙醚，在柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)向進(jìn)氣管內(nèi)注入少量起動(dòng)液，起動(dòng)液迅速蒸發(fā)并在壓縮過程中與空氣中的氧發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)，增加了燃燒室內(nèi)油氣混合物溫度和活性分子濃度，縮短了焰前反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)迅速可靠的起動(dòng)[9]。

在低溫起動(dòng)工況下，如-30 ℃以下的低溫時(shí)，為了能夠順利起動(dòng)著火，柴油機(jī)通常采用加濃噴射的策略，起動(dòng)噴油量幾乎是常溫(25 ℃)冷起動(dòng)的兩倍，會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)初期缸內(nèi)燃料累積過多，最初幾個(gè)著火循環(huán)內(nèi)可燃混合氣過濃引起燃燒粗暴，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷，甚至燒蝕氣缸與活塞頂，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[10]，同時(shí)起動(dòng)過程伴隨大量濃煙排放，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[11-12]。另一方面，由于低溫狀態(tài)下機(jī)油的黏度顯著增大，流動(dòng)性變差，活塞與氣缸等摩擦面之間潤滑油不足，各摩擦件間的運(yùn)動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩增大，引起從起動(dòng)到正常怠速運(yùn)轉(zhuǎn)之間的時(shí)間延長[13]。

針對(duì)柴油機(jī)低溫起動(dòng)的問題，本研究在一臺(tái)小型高速柴油機(jī)上，開發(fā)出針對(duì)乙醚的電控預(yù)噴射系統(tǒng)，研究了定時(shí)定量預(yù)噴助燃燃料對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)過程的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上采用預(yù)噴助燃燃料同時(shí)降低起動(dòng)油量的方式以改善起動(dòng)初期燃燒粗暴性，并進(jìn)一步研究了增加起動(dòng)阻力矩時(shí)預(yù)噴助燃燃料對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能的影響。

1 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)臺(tái)架的測(cè)控系統(tǒng)包括電渦流測(cè)功機(jī)(含測(cè)控柜)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油恒溫系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液恒溫系統(tǒng)、燃燒分析儀、尾氣分析儀等，其中燃燒分析采用法國D2T Osiris燃燒分析儀，尾氣分析儀包括AVL Digas4000五氣分析儀和傅里葉紅外光譜儀。試驗(yàn)臺(tái)架見圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意

起動(dòng)試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)D19TCI小型高速柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用的柴油及乙醚的特性參數(shù)見表2。

表1 D19TCI發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)用柴油和乙醚的特性參數(shù)

為了降低起動(dòng)初期的粗暴性并模擬低溫起動(dòng)工況，試驗(yàn)中將減小起動(dòng)噴油量并增加起動(dòng)時(shí)阻力矩，起動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前以恒定頻率15 Hz向柴油機(jī)進(jìn)氣總管以不同脈寬預(yù)噴不同質(zhì)量流量的乙醚，研究了進(jìn)氣道預(yù)噴助燃燃料乙醚對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)過程的影響。試驗(yàn)中，冷起動(dòng)時(shí)的環(huán)境溫度、機(jī)油溫度、冷卻水溫度均保持在(22±1) ℃。各次試驗(yàn)前，確保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前所處熱狀態(tài)相同。起動(dòng)循環(huán)數(shù)定義為起動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速首次達(dá)到并能穩(wěn)定到怠速轉(zhuǎn)速900 r/min的循環(huán)數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)噴乙醚對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)循環(huán)數(shù)和最高缸壓的影響

在標(biāo)定起動(dòng)油量下，向進(jìn)氣總管預(yù)噴不同質(zhì)量流量的乙醚，分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s，乙醚從進(jìn)氣總管進(jìn)入到各缸，則單個(gè)循環(huán)各缸預(yù)混乙醚熱值約占起動(dòng)首循環(huán)標(biāo)定柴油量熱值的0%，10%，20%。

如圖2所示，在標(biāo)定油量下，進(jìn)氣道預(yù)噴少量助燃乙醚對(duì)起動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯影響，但起動(dòng)過程最高缸壓顯著增大，初始循環(huán)缸壓變化率顯著增大，振動(dòng)噪聲加大，起動(dòng)過程異常粗暴；從圖2b至圖2d可以看出，在不預(yù)噴乙醚的情況下，初始循環(huán)最高缸壓、累計(jì)放熱量明顯較小，表明該循環(huán)沒有完全燃燒，導(dǎo)致油氣累積，使第2、3循環(huán)缸壓變化率和累計(jì)放熱量顯著增大，起動(dòng)循環(huán)累計(jì)放熱量變化規(guī)律基本一致，累計(jì)放熱量沒有顯著變化，且起動(dòng)初始循環(huán)時(shí)起動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力矩起主要作用，所以起動(dòng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯變化。

圖2 標(biāo)定油量下預(yù)噴乙醚對(duì)起動(dòng)過程的影響

2.2 減少起動(dòng)油量條件下預(yù)噴乙醚對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)循環(huán)數(shù)的影響

為了避免起動(dòng)燃燒過于粗暴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷，在進(jìn)氣道噴射乙醚助燃前需要先合理地減少起動(dòng)油量。

圖3a示出不同起動(dòng)油量時(shí)起動(dòng)循環(huán)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化。由圖3a可見，減少起動(dòng)噴射油量后，起動(dòng)循環(huán)數(shù)增加，尤其是60%噴油量時(shí)，起動(dòng)循環(huán)數(shù)從4個(gè)增加到9個(gè)。試驗(yàn)過程中可以明顯發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)起動(dòng)困難，并伴有異常噪聲。由圖3b可見，減少噴油量后循環(huán)最高缸壓降低，可以避免預(yù)噴乙醚后起動(dòng)燃燒過于粗暴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷。

在60%起動(dòng)油量下，向進(jìn)氣總管預(yù)噴不同質(zhì)量流量的乙醚，分別為0 mg/s，20 mg/s，40mg/s，起動(dòng)過程見圖4。

圖3 減少起動(dòng)噴油量后起動(dòng)過程對(duì)比

圖4 在60%噴油量下預(yù)噴乙醚對(duì)起動(dòng)過程的影響

如圖4a所示，在噴射不同質(zhì)量流量的乙醚后，起動(dòng)循環(huán)數(shù)分別從9個(gè)循環(huán)變?yōu)?個(gè)循環(huán)、5個(gè)循環(huán)。圖4b示出在60%噴油量下起動(dòng)過程中最高缸壓隨乙醚預(yù)噴量增大而增大，但相比標(biāo)定油量100%時(shí)的最高缸壓得到了有效降低，起動(dòng)過程變得安靜平穩(wěn)。如圖4c所示，在起動(dòng)循環(huán)噴油量相同的情況下，進(jìn)氣道噴射助燃燃料使得燃料的總能量增加，每循環(huán)的平均有效壓力增大，即每循環(huán)做功能力更強(qiáng)，所以起動(dòng)后轉(zhuǎn)速上升和穩(wěn)定得更為迅速。

如圖5所示，噴油量減少為60%后進(jìn)氣道噴射乙醚的起動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)速和80%噴油量不噴乙醚的循環(huán)轉(zhuǎn)速變化基本一致，前5個(gè)循環(huán)累計(jì)放熱量無明顯差距。說明在進(jìn)氣道預(yù)噴乙醚，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)較少噴油量的情況下達(dá)到相同的起動(dòng)效果，這樣可以在低溫起動(dòng)過程中適當(dāng)減少噴油量，避免油量累積過多，燒蝕氣缸。

圖5 減少起動(dòng)噴油量下預(yù)噴乙醚對(duì)循環(huán)轉(zhuǎn)速的影響

2.3 附加阻力矩條件下預(yù)噴乙醚對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)循環(huán)數(shù)的影響

為了更廣泛地研究助燃乙醚對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)循環(huán)數(shù)的影響，試驗(yàn)中在減小起動(dòng)油量的同時(shí)增加起動(dòng)阻力矩?？紤]到增加阻力矩導(dǎo)致的起動(dòng)困難，起動(dòng)油量不宜太小，在減少油量至60%時(shí)附加阻力矩，發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常起動(dòng)，因此試驗(yàn)中采用在80%起動(dòng)油量的情況下增加阻力矩。圖6a示出不同阻力矩時(shí)的轉(zhuǎn)速循環(huán)。由圖6a可以看出，增加阻力矩后起動(dòng)循環(huán)數(shù)明顯變大，尤其是當(dāng)施加28 N·m阻力矩時(shí)，起動(dòng)循環(huán)數(shù)從5個(gè)增加到10個(gè)，表明此時(shí)起動(dòng)困難。

圖6 附加阻力矩條件下的助燃乙醚對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)循環(huán)數(shù)的影響

在80%起動(dòng)油量，施加28 N·m阻力矩工況下，向進(jìn)氣總管預(yù)噴不同質(zhì)量流量的乙醚，分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s，如圖6b所示，在噴射不同質(zhì)量流量的乙醚后，起動(dòng)循環(huán)數(shù)分別從10個(gè)循環(huán)減小到9個(gè)循環(huán)、7個(gè)循環(huán)。表明在80%油量時(shí)附加阻力矩，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)惡化，起動(dòng)噪聲大，噴射乙醚可以改善此類工況。

2.4 預(yù)噴乙醚對(duì)起動(dòng)階段燃燒排放特性的影響

為了進(jìn)一步分析乙醚助燃對(duì)起動(dòng)階段的影響，在60%起動(dòng)油量下，向進(jìn)氣道預(yù)噴質(zhì)量流量分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s的乙醚，分別提取前兩個(gè)循環(huán)的缸壓曲線進(jìn)行比較，結(jié)果見圖7。

對(duì)比第1個(gè)循環(huán)缸壓曲線可見，隨著乙醚噴射量的增加，起動(dòng)首循環(huán)的燃燒由失火變?yōu)橹?不完全燃燒)。對(duì)比第2個(gè)循環(huán)缸壓曲線可見，增大乙醚濃度對(duì)于著火時(shí)刻的影響更為明顯，著火延遲期縮短，著火始點(diǎn)明顯提前到上止點(diǎn)前25°左右，最大缸壓也進(jìn)一步增大。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)進(jìn)入怠速后，繼續(xù)以恒定速率向進(jìn)氣道噴射不同質(zhì)量流量的乙醚(0 mg/s， 20 mg/s， 40 mg/s)，采集100個(gè)循環(huán)的缸壓曲線取平均值，并計(jì)算得到缸壓變化率和放熱率等參數(shù)，分析進(jìn)氣道噴射乙醚對(duì)怠速階段燃燒特性的影響。

圖7 在60%噴油量時(shí)預(yù)噴乙醚起動(dòng)前 兩個(gè)循環(huán)缸壓曲線對(duì)比

由圖8a可以看出，隨著乙醚噴射量的增大，缸壓曲線在上止點(diǎn)前30°開始出現(xiàn)較明顯的預(yù)混燃燒放熱現(xiàn)象，缸內(nèi)壓力呈現(xiàn)雙峰曲線，最高缸壓增大。從圖8b可見，預(yù)噴乙醚后缸壓變化率略有增大。乙醚早燃使缸內(nèi)溫度升高導(dǎo)致缸壓變化，改善了柴油著火前期的熱氛圍，從而有助于主噴燃油更為充分穩(wěn)定地燃燒。

柴油機(jī)冷起動(dòng)期間，未燃HC，CO排放在總排放中所占比例最大[14-16]，試驗(yàn)中主要針對(duì)乙醚對(duì)起動(dòng)過程未燃HC，CO排放影響進(jìn)行研究。在60%起動(dòng)油量下，向進(jìn)氣道預(yù)噴質(zhì)量流量分別為0 mg/s，20 mg/s，40 mg/s的乙醚，對(duì)冷起動(dòng)過程排放特性進(jìn)行分析。

圖8 怠速階段噴射不同濃度乙醚對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

由圖9a可以看出，起動(dòng)時(shí)刻噴射不同質(zhì)量流量乙醚后HC排放的峰值逐漸升高，且峰值增幅越來越大。進(jìn)入怠速后停止噴射乙醚，HC排放曲線趨于一致?？梢?，預(yù)噴乙醚有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間的缸內(nèi)燃燒狀態(tài)，但是由于乙醚預(yù)混進(jìn)入燃燒室，造成壁面附近形成較多的過稀乙醚空氣混合氣，形成不燃燒或不完全燃燒的火焰淬熄層，在排放沖程產(chǎn)生較多未燃HC排出。

圖9b示出噴射不同濃度乙醚后起動(dòng)過程前100個(gè)循環(huán)的CO排放對(duì)比。由圖9b可知，隨著乙醚噴射濃度的增加，起動(dòng)后CO排放逐漸增大，原因與HC排放增加一致。

圖9 預(yù)噴乙醚對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)過程排放特性的影響

3 結(jié)論

a) 在標(biāo)定起動(dòng)油量下，進(jìn)氣道預(yù)噴少量助燃乙醚對(duì)起動(dòng)循環(huán)數(shù)沒有明顯影響，但起動(dòng)過程最高缸壓顯著增大，起動(dòng)過程變得粗暴；

b) 預(yù)噴乙醚并減小起動(dòng)噴油量能有效改善柴油機(jī)的低溫起動(dòng)粗暴性；

c) 減少起動(dòng)噴油量并增加起動(dòng)阻力矩時(shí)，在進(jìn)氣道預(yù)噴乙醚，流量為起動(dòng)首循環(huán)標(biāo)定油量熱值的20%時(shí)，可以將起動(dòng)時(shí)間提前3～5個(gè)循環(huán)，有效加快起動(dòng)過程；

d) 進(jìn)氣道預(yù)噴乙醚能使放熱提前，燃燒放熱率峰值減小，缸壓變化率略有增大，燃燒過程更平穩(wěn)，但預(yù)噴乙醚會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)過程HC和CO排放增多。