空氣輔助噴射甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性試驗(yàn)研究

呂繼康，胡春明, ，劉?娜，宋璽娟，何永輝

空氣輔助噴射甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性試驗(yàn)研究

呂繼康1，胡春明1, 2，劉?娜2，宋璽娟2，何永輝1

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072)

為了優(yōu)化低負(fù)荷下甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及性能，將空氣輔助噴射系統(tǒng)應(yīng)用于甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，并研究了噴氣時(shí)刻、點(diǎn)火提前角和噴氣脈寬對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，結(jié)果表明：推遲噴氣時(shí)刻至進(jìn)氣門開啟之后有利于加快燃燒速度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性，尤其是在稀薄燃燒時(shí)的影響更明顯，最佳的噴氣時(shí)刻為300°CA BTDC．增大點(diǎn)火提前角可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的急燃期，提高燃燒穩(wěn)定性，但是當(dāng)噴氣時(shí)刻推遲時(shí)，為了獲得更好的動(dòng)力性，最佳點(diǎn)火提前角也要推遲．增大噴氣脈寬能優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和穩(wěn)定性，但是當(dāng)噴氣時(shí)刻較早(閉閥噴射)或過晚時(shí)，噴氣脈寬大于4ms后動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性增加不明顯．并且在噴氣時(shí)刻300°CA BTDC、噴氣脈寬7ms時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性達(dá)到最佳．

空氣輔助噴射；甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)；噴油點(diǎn)火參數(shù)；燃燒特性

近年來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展伴隨著越來(lái)越多的環(huán)境和能源問題，這使得開發(fā)適用于內(nèi)燃機(jī)的替代性清潔燃料變得更加重要．甲醇的物理和化學(xué)性質(zhì)與汽油相似，并且易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸[1]，一直被認(rèn)為是未來(lái)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力機(jī)械最有利的替代燃料之一[2-4]．特別是對(duì)于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，它是一種具有巨大潛力和優(yōu)勢(shì)的替代燃料[4]．

甲醇的分子式為CH3OH，與汽油(C5～C8)不同，它是僅具有單一沸點(diǎn)成分的燃料，它的汽化潛熱約為汽油的3倍，飽和蒸氣壓很低[5-6]．因此在寒冷的冬天，或者在高海拔和嚴(yán)寒地區(qū)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)冷啟動(dòng)困難、小負(fù)荷下燃燒穩(wěn)定性降低、燃油經(jīng)濟(jì)性變差等問題．近年來(lái)許多研究者將甲醇與其他燃料做成混合燃料，或是在發(fā)動(dòng)機(jī)上提供兩套供油系統(tǒng)開發(fā)組合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)．Liao等[7]研究了甲醇汽油混合燃料在較低溫度下對(duì)燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)汽油中適度加入甲醇能夠改善燃燒質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)快速的火焰?zhèn)鞑ィ瓽ong等[8]研究了LPG/甲醇雙燃料火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)噴射策略對(duì)冷啟動(dòng)及燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)增加LPG的噴射量可以明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)的燃燒狀態(tài)，甲醇和LPG之間大約300°CA的噴射正時(shí)可以在燃燒循環(huán)中形成理想的混合物．Yao等[9-10]在柴油/甲醇組合燃燒(DMCC)發(fā)動(dòng)機(jī)的低負(fù)荷工況下，通過EGR、進(jìn)氣加熱、調(diào)整柴油的噴射正時(shí)等措施降低了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗并優(yōu)化了排放．李朝暉[11]利用氣道噴氫研究了甲醇?xì)獾绹娚浜图状几變?nèi)噴射兩種噴射模式下的燃燒特性，探討了稀燃下氫助燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)改善燃燒性能的潛力．

燃料蒸發(fā)成為可燃混合氣的快慢主要取決于兩個(gè)因素：溫度和表面積．如果燃料噴射霧化效果好，擁有更小的粒徑，燃料液體的表面面積會(huì)增大，蒸發(fā)速度加快．空氣輔助噴射系統(tǒng)多應(yīng)用于小型二沖程航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其利用高壓壓縮空氣離開噴嘴時(shí)的超聲速氣動(dòng)力克服燃油表面張力促進(jìn)液滴破碎[12]，使其在相對(duì)較低的噴油壓力下獲得較小的噴霧粒徑．空氣輔助噴射的霧化質(zhì)量對(duì)燃料種類不敏感[13]，因此可以應(yīng)用于甲醇燃料．本文基于一臺(tái)雙火花塞點(diǎn)火單缸甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，針對(duì)小負(fù)荷工況燃燒穩(wěn)定性差的問題，在進(jìn)氣道采用了空氣輔助噴射技術(shù)來(lái)改善甲醇的霧化，開展了低負(fù)荷工況下噴氣時(shí)刻、點(diǎn)火提前角、噴氣脈寬等控制參數(shù)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性影響的研究，為空氣輔助噴射甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與燃燒優(yōu)化匹配提供了重要研究依據(jù)．

1?試驗(yàn)裝置及方案

1.1?試驗(yàn)裝置

本文試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)自主研發(fā)的進(jìn)氣道空氣輔助噴射單缸四沖程甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示．

表1?發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

Tab.1?Basic parameters of engine

如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)由單缸試驗(yàn)機(jī)、燃油噴射系統(tǒng)、電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、燃燒分析系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成．其中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析系統(tǒng)由氧傳感器、ETAS-LA4型儀、增量型光電編碼器、ART USB281型數(shù)據(jù)采集卡、6125CU20壓電晶體型火花塞式缸壓傳感器、5011電荷放大器以及自主研發(fā)的燃燒分析軟件組成．測(cè)功機(jī)采用天津科達(dá)電力測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DZDC-30S型132kW直流電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行運(yùn)行和監(jiān)測(cè)．燃燒分析系統(tǒng)通過傳感器采集缸內(nèi)壓力信號(hào)、曲軸轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)，基于Labview編寫的燃燒分析軟件可以讀取數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，從而對(duì)缸內(nèi)壓力進(jìn)行顯示、處理和分析，可得到瞬時(shí)放熱率、循環(huán)變動(dòng)系數(shù)、最大爆發(fā)壓力等發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)燃燒參數(shù)，能夠幫助判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀態(tài)．噴射系統(tǒng)的組成包括油箱、油泵、空氣輔助組合噴嘴、油壓調(diào)節(jié)閥、氣壓調(diào)節(jié)閥、空氣壓縮機(jī)等．自主研發(fā)的空氣輔助組合噴嘴如圖2所示，包括燃油噴嘴、混合腔和混合氣噴嘴．燃油首先由燃油噴嘴噴入混合腔內(nèi)與壓縮空氣進(jìn)行預(yù)混，實(shí)現(xiàn)初次霧化，經(jīng)過一段時(shí)間后(油氣間隔)，混合氣噴嘴開啟，混合氣通過混合氣噴嘴出口的拉瓦爾段加速至超聲速噴出，在較大的噴射動(dòng)能作用下，氣體克服油滴表面張力進(jìn)行二次霧化最終得到霧化效果較好的燃油噴霧[14-15].因此在控制策略上要先后產(chǎn)生噴油和噴氣信號(hào)，其控制信號(hào)示意圖如圖3所示，從圖中可以看出噴射策略包含幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：噴油開始時(shí)刻(meth)、噴氣開始時(shí)刻(mix)、脈寬(Δmeth)、噴氣脈寬(Δmix)、油氣間隔(Δ)．

1—油箱；2—油泵；3—油壓調(diào)節(jié)閥；4—?dú)鈮赫{(diào)節(jié)閥；5—空氣壓縮機(jī)；6—上位機(jī)；7—ECU(electronic control unit)；8—空氣輔助組合噴嘴；9—缸壓傳感器；10—測(cè)功機(jī)控制器；11—電力測(cè)功機(jī)；12—單缸試驗(yàn)機(jī)；13—電荷放大器；14—燃燒分析軟件；15—數(shù)據(jù)采集卡；16—光電編碼器；17—氧傳感器；18—l儀

圖2?空氣輔助組合噴嘴示意

1.2?試驗(yàn)方案及條件

本次研究的試驗(yàn)條件如表2所示．試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為4000r/min(此發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速)，試驗(yàn)過程中電力測(cè)功機(jī)與甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)連接來(lái)控制并測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速，并通過ECU改變發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣時(shí)刻、點(diǎn)火提前角、噴氣脈寬等參數(shù)．然后利用燃燒分析系統(tǒng)在每個(gè)工況下采集200個(gè)燃燒循環(huán)來(lái)研究各參量變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響．

表2?試驗(yàn)條件

Tab.2?Test conditions

2?結(jié)果與討論

2.1?噴氣時(shí)刻Tmix對(duì)燃燒特性的影響

本文在轉(zhuǎn)速4000r/min，節(jié)氣門開度為20%的工況下研究了噴氣時(shí)刻對(duì)燃燒特性的影響．圖4和圖5顯示了噴氣時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力(max)及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(max)的影響，從圖中可以看出在不同的過量空氣系數(shù)下，在450～300°CA BTDC范圍內(nèi)，隨著mix推遲，max逐漸增加，并且相位提前．當(dāng)mix＝300°CA BTDC時(shí)，max均達(dá)到最大值，之后再推遲mix，max有減小的趨勢(shì)，其相位也有所推遲.這是因?yàn)榻?jīng)由空氣輔助噴嘴所噴射出的油氣混合物中燃料的索特平均直徑(SMD)非常小[13]，大部分燃料都是懸浮在空氣中蒸發(fā)，如果噴射時(shí)間太早，尤其是在進(jìn)氣門開啟之前噴射，會(huì)使更多的燃油液滴附著在進(jìn)氣道壁上，進(jìn)氣道中漂浮的小液滴重聚的可能性也會(huì)增大，進(jìn)而影響混合氣形成．圖6所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速4000r/min、節(jié)氣門開度為20%倒拖時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流速曲線，從圖中可以看出，進(jìn)氣門開啟后進(jìn)氣道壓力減小，進(jìn)氣道空氣流速增加，推遲mix后，燃油噴射時(shí)進(jìn)氣道有更小的噴射背壓，更有利于降低噴霧的SMD[14]，并且此時(shí)噴出油氣混合物在高速的進(jìn)氣氣流擾動(dòng)下可以進(jìn)一步優(yōu)化霧化效果，促進(jìn)混合氣形成．當(dāng)mix推遲到250°CA BTDC時(shí)，從圖6中可以看出，此時(shí)的進(jìn)氣流速已經(jīng)下降，同時(shí)留給燃料蒸發(fā)的時(shí)間也過短，點(diǎn)火時(shí)沒有形成良好的混合氣，因此導(dǎo)致max減小，燃燒相位滯后．

圖4?噴氣時(shí)刻對(duì)pmax影響

圖5?噴氣時(shí)刻對(duì)qmax的影響

圖6?倒拖進(jìn)氣流速和進(jìn)氣壓力曲線

圖7和圖8顯示了在不同下發(fā)動(dòng)機(jī)的滯燃期和急燃期隨著mix的推遲，均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)．通常認(rèn)為，滯燃期主要受火花塞附近可燃混合物的濃度的影響[15]，當(dāng)混合氣稀薄時(shí)很難點(diǎn)燃，燃燒速度變慢．噴氣時(shí)刻過早時(shí)會(huì)影響霧化質(zhì)量，而推遲噴氣時(shí)刻可以利用進(jìn)氣氣流的擾動(dòng)使甲醇快速蒸發(fā)，點(diǎn)火時(shí)火花塞附近有更濃的混合氣，因此滯燃期相應(yīng)縮短．在后續(xù)的燃燒過程中同樣由于混合氣形成快、濃度高使得急燃期也隨之縮短，燃燒速度加快．而噴射時(shí)刻過晚時(shí)由于蒸發(fā)時(shí)間短，無(wú)法及時(shí)形成充足的混合氣使得燃燒速度變慢．另外，圖中滯燃期和急燃期隨mix的變化趨勢(shì)在稀薄燃燒條件下更為明顯，尤其是＝1.2時(shí)，這是可能是因?yàn)閷ix推遲到進(jìn)氣門打開后，噴入的甲醇混合氣直接進(jìn)入缸內(nèi)能夠形成分層的混合氣[16]，有助于甲醇的稀薄燃燒．

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性是評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，因?yàn)椴环€(wěn)定的燃燒會(huì)增加燃料消耗和污染物排放．最高爆發(fā)壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)[17]通常用于表征發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性，其定義為：

圖7?噴氣時(shí)刻對(duì)滯燃期的影響

圖8?噴氣時(shí)刻對(duì)急燃期的影響

圖9顯示了噴氣時(shí)刻mix對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)COV,IMEP的影響，從圖中可以看出推遲mix可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)彎動(dòng)系數(shù)，提升燃燒穩(wěn)定性．一方面是因?yàn)橥七t噴氣時(shí)刻加快了混合氣制備進(jìn)而加快了甲醇的燃燒速率，縮短了滯燃期和急燃期(見圖7、圖8)，有研究表明，縮短燃燒過程是提高燃燒穩(wěn)定性的有效途徑[18]．另一方面，推遲mix至進(jìn)氣門開啟后，噴出的燃料隨進(jìn)氣氣流直接進(jìn)入缸內(nèi)而不在氣道內(nèi)停留，能夠減少每循環(huán)殘留在進(jìn)氣道內(nèi)的燃油，而使得每個(gè)循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃油量接近一致，從而減小燃燒循環(huán)波動(dòng)．

圖9?噴氣時(shí)刻對(duì)KCOV,IMEP的影響

2.2?點(diǎn)火提前角ST對(duì)燃燒特性的影響

本文在轉(zhuǎn)速4000r/min、噴氣時(shí)刻為300°CA BTDC、節(jié)氣門開度20%的條件下，研究了開閥噴射(推遲噴氣時(shí)刻至進(jìn)氣門開啟之后)時(shí)不同點(diǎn)火提前角對(duì)空氣輔助噴射甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響．由圖10可知，隨著點(diǎn)火提前角提前，最大爆發(fā)壓力max逐漸增大，其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸向上止點(diǎn)靠近，放熱率峰值也隨之提前．這是因?yàn)辄c(diǎn)火提前角提前使燃燒相位提前，燃燒等容度上升，因此max增大．圖11所示為發(fā)動(dòng)機(jī)滯燃期和急燃期隨點(diǎn)火提前角的變化，從圖中可以看出滯燃期隨點(diǎn)火提前角的提前而增大，這是因?yàn)殚_閥噴射時(shí)燃料大部分在缸內(nèi)蒸發(fā)，點(diǎn)火提前角的提前，使點(diǎn)火時(shí)火花塞附近沒有足夠的可燃混合氣，因此滯燃期增大．隨著點(diǎn)火提前角的增大，急燃期開始減小，達(dá)到最小值，然后上升．這是因?yàn)殡S著點(diǎn)火提前角的提前，活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的溫度和壓力越高，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，而點(diǎn)火提前角過大會(huì)導(dǎo)致初始燃燒在相對(duì)較低的溫度和壓力下發(fā)生，燃燒過程惡化，因此急燃期增加[19]．

2.1節(jié)的分析指出，噴氣時(shí)刻mix的推遲也會(huì)使燃燒相位提前，最高爆發(fā)壓力增大，因此在不同的噴氣時(shí)刻下存在一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在該情況下的動(dòng)力性、燃燒穩(wěn)定性最佳．圖12和圖13所示為不同噴氣時(shí)刻下不同點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性的影響．從圖12可以看出，當(dāng)噴氣時(shí)刻較早并且點(diǎn)火時(shí)刻推遲時(shí)動(dòng)力損失最大，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性隨mix的推遲整體有增大的趨勢(shì)，但是不同的噴氣時(shí)刻下的最佳點(diǎn)火提前角不同．當(dāng)噴氣時(shí)刻在450～350°CA BTDC變化時(shí)，最佳點(diǎn)火提前角在35°CA BTDC左右，當(dāng)噴氣時(shí)刻推遲到300°CA BTDC時(shí)，最佳點(diǎn)火提前角推遲到31～32°CA BTDC，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)IMEP最大可以達(dá)到0.672MPa.從圖13中可以看出，當(dāng)點(diǎn)火提前角在26°CA BTDC，mix在450°CA BTDC時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性最差，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨著點(diǎn)火提前角的增大而減小，同時(shí)隨著噴氣時(shí)刻的推遲循環(huán)變動(dòng)率也有減小的趨勢(shì)，當(dāng)點(diǎn)火提前角為38°CA BTDC，噴氣時(shí)刻為300°CA BTDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)最?。霈F(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)椋寒?dāng)點(diǎn)火過晚時(shí)，燃燒相位推遲，傳熱損失增加，加上噴氣時(shí)刻過早會(huì)影響燃料霧化效果，不利于混合氣形成，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，燃燒等容度下降，因此?dòng)力損失增大，燃燒穩(wěn)定性變差．推遲噴氣時(shí)刻能提高燃燒速度，增大最高爆發(fā)壓力，但是由于燃燒相位的提前導(dǎo)致壓縮負(fù)功增大，而點(diǎn)火提前角的增大也會(huì)使燃燒相位提前，因此噴射時(shí)刻推遲時(shí)必須適當(dāng)減小點(diǎn)火提前角來(lái)獲得最佳的動(dòng)力性．

圖10?點(diǎn)火提前角對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

圖11?點(diǎn)火提前角對(duì)滯燃期和急燃期的影響

圖12?不同噴氣時(shí)刻下點(diǎn)火提前角對(duì)IMEP的影響

2.3?噴氣脈寬DTmix對(duì)燃燒特性的影響

本文在轉(zhuǎn)速4000r/min、點(diǎn)火提前角為30°CA BTDC、節(jié)氣門開度20%、噴氣開始時(shí)刻mix為300°CA BTDC的條件下，研究了不同噴氣脈寬Δmix發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響．圖14為不同Δmix條件下缸內(nèi)壓力和放熱率曲線，從圖中可以看出，隨著Δmix的增加，max和放熱率幅值增大，其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也提前．同時(shí)，從圖15中可以看出，滯燃期和急燃期均隨著Δmix增加而減小，這說(shuō)明噴氣脈寬增加縮短了滯燃期并加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋霈F(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：隨著Δmix逐漸增大，在噴射過程中會(huì)有更多的壓縮空氣參與到燃油液滴的二次霧化過程中，液滴與壓縮空氣的相互作用時(shí)間增長(zhǎng)，促進(jìn)了燃油與空氣之間的動(dòng)能傳遞[20]，加速了燃油液滴表面扭曲與破壞，使噴霧粒徑減?。硗?，空氣在壓縮時(shí)溫度會(huì)上升，噴射時(shí)壓縮空氣與甲醇混合，也能為甲醇蒸發(fā)提供熱量，增大噴氣脈寬這種加熱作用也會(huì)加強(qiáng)．而噴霧粒徑減小，溫度提高可以縮短燃料蒸發(fā)的時(shí)間，使得混合氣形成更快，在點(diǎn)火時(shí)火花塞附近有足夠濃度的可燃混合氣，并且燃燒的前期有更多的混合氣參與燃燒，因此燃燒速度加快，燃燒相位提前，最大爆發(fā)壓力max增大．

圖14?噴氣脈寬對(duì)缸壓和放熱率的影響

圖15?噴氣脈寬DTmix對(duì)滯燃期和急燃期的影響

2.1節(jié)分析表明，適當(dāng)推遲mix能優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)有效噴射窗口的限制，推遲噴氣時(shí)刻必然也限制了有效的Δmix．另外考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗的問題，不能一味地提升Δmix來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，因此必須找到最優(yōu)的噴氣時(shí)刻和Δmix，制定相應(yīng)的噴射策略．

圖16與圖17所示為不同噴氣時(shí)刻下改變噴氣脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性的影響，從圖中可以看出，在不同的噴氣時(shí)刻下隨著Δmix增大，IMEP增大，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)減?。环矫?，這是因?yàn)樵龃螃ix能增強(qiáng)霧化效果提升燃燒速度和燃燒等容度；另一方面，由于Δmix的增加使得每次噴射殘留在油氣混合腔內(nèi)的燃油量減少，每個(gè)噴射循環(huán)噴入氣缸內(nèi)的燃油量接近相等，減小了燃燒循環(huán)波動(dòng)．另外從圖中可以看出，不同的噴氣時(shí)刻下Δmix對(duì)動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性的影響程度不一樣，當(dāng)mix在350°CA BTDC以前和300°CA BTDC之后時(shí)等高線稀疏，Δmix的增大對(duì)動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性的影響作用減弱，而中間的開閥噴射階段等高線密集，增大Δmix對(duì)動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性的影響較強(qiáng)，并且在mix＝300°CA BTDC，噴氣脈寬為7ms時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性最強(qiáng)，燃燒循環(huán)變動(dòng)最?。@是因?yàn)楫?dāng)噴射時(shí)刻過早時(shí)，噴射持續(xù)期內(nèi)進(jìn)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)氣道空間狹小，雖然增大噴氣脈寬能夠?qū)е聡婌F膨脹破碎的能力增加，但是也會(huì)使貫穿距增加[20]，噴射出的燃油液滴更容易附著到進(jìn)氣道壁上影響霧化效果從而影響動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性的提升．而當(dāng)開閥噴射時(shí)加大Δmix，燃油噴霧在更多的壓縮空氣和進(jìn)氣氣流的共同作用下進(jìn)入氣缸，提升霧化質(zhì)量的同時(shí)還能夠利用噴霧的推動(dòng)力在進(jìn)氣時(shí)起到微增壓的作用，從而使更多空氣進(jìn)入缸內(nèi)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性．但是當(dāng)mix推遲到250°CA時(shí)，雖然增大Δmix能提高霧化質(zhì)量，但由于混合氣蒸發(fā)時(shí)間縮短，依然會(huì)導(dǎo)致混合氣形成不均勻，并且當(dāng)Δmix到4ms時(shí)活塞已經(jīng)到達(dá)下止點(diǎn)開始上行，進(jìn)氣流速減小，此時(shí)再增加Δmix對(duì)缸內(nèi)混合氣的形成幫助不大，因此Δmix的影響作用減弱．

圖16?不同噴氣時(shí)刻下DTmix對(duì)IMEP的影響

3?結(jié)?論

本文以一臺(tái)點(diǎn)燃式單缸甲醇試驗(yàn)機(jī)為研究平臺(tái)，基于壓縮空氣輔助噴射技術(shù)通過臺(tái)架試驗(yàn)研究了噴氣時(shí)刻、點(diǎn)火提前角以及噴氣脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響．分析得出以下結(jié)論：

(1) 噴氣時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒有較大的影響．推遲噴氣時(shí)刻至進(jìn)氣門開啟之后(開閥噴射)有利于加快燃燒速度，提高燃燒穩(wěn)定性，尤其是在稀薄燃燒時(shí)的影響更明顯，當(dāng)噴氣時(shí)刻為300°CA BTDC時(shí)，?發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性最好，過晚的噴氣時(shí)刻會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化．

(3) 增大Δmix能增強(qiáng)燃油霧化效果，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和穩(wěn)定性．但是在不同的噴氣時(shí)刻下影響程度不同．當(dāng)噴氣時(shí)刻較早(閉閥噴射)或過晚時(shí)，Dmix大于4ms后動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定增加不明顯，而當(dāng)開閥噴射時(shí)Δmix對(duì)燃燒的影響比較顯著．在噴氣時(shí)刻mix＝300°CA BTDC，Δmix＝7ms時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃燒穩(wěn)定性達(dá)到最佳．

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Combustion Characteristics of Air-Assisted Injection Methanol Engine

Lü Jikang1，Hu Chunming1, 2，Liu Na2，Song Xijuan2，He Yonghui1

(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to optimize the combustion and performance of a methanol engine under low load，the air-assisted injection system was applied to the methanol engine. The effect of injection timing，spark timing and mixture injection pulse width on the combustion characteristics and performance was studied. The results showed that delaying the injection timing until the intake valve opens is beneficial to accelerating the combustion speed and improving the combustion stability，especially during lean combustion. The best injection time is 300°CA BTDC. Advancing the spark timing can shorten the rapid combustion period of the engine and improve the combustion stability，but when the injection timing is delayed，in order to obtain a better power performance，the spark timing should also be delayed. Increasing the mixture injection pulse width can optimize the engine combustion quality and improve its power and stability. However，when the injection timing is too early(before the intake valve opens)or too late，the power performance and combustion stability will not be improved significantly after the mixture injection pulse width is greater than 4ms. When the injection time is 300°CA BTDC and the jet pulse width is 7ms，the engine will achieve the best power and combustion stability.

air-assisted injection；methanol engine；parameters of injection and ignition；combustion characteristics

TK46

A

1006-8740(2022)04-0481-08

10.11715/rskxjs.R202101011

2021-01-12．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476112).

呂繼康（1994—??），男，碩士研究生，ljk5257@foxmail.com.

胡春明，男，博士，研究員，cmhu@tju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)