DISI甲醇发动机分层稀薄燃烧试验研究

宫长明，彭乐高，张自雷，陈天翔，李 栋

（1.大连民族学院机电信息工程学院，辽宁 大连 116600；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025）

随着能源危机的加剧和环境问题的日渐突出，寻求优良的替代能源对于汽车行业而言迫在眉睫。中国汽车保有量与日俱增，汽车尾气污染引起了人们的重视，国家出台了相关的排放法规限制尾气排放。针对各种替代燃料在汽车上的应用已进行了大量研究并取得了显著成果。C.D.Rakopoulos，F.Moreno和S.Verhelst等研究了氢气作为燃料或作为添加剂对发动机性能的影响，指出氢气作为发动机燃料的优点及需要改进的地方［1－7］；Nadir Yilmaz，Rodrigo C.Costa和 Georgios Karavalakis等对乙醇燃料发动机进行探索并与传统发动机进行了对比分析［8－14］；T.Korakianitis和B.Afkhami等对天然气发动机进行了研究［15－16］。甲醇具有含氧量高、燃烧火焰传播速度快、着火界限宽、不含硫等特点，是一种清洁的柴油替代燃料［17］。M.Bahattin Celik等对甲醇发动机进行了大量研究，指出甲醇作为发动机燃料非常可行方便。甲醇的性质与汽油和柴油非常相似，只要运用得当，对发动机性能无大的损耗且对排放非常有利［18－20］。但是甲醇的汽化潜热非常大，致使点燃式甲醇发动机冷起动困难［21］；甲醇的十六烷值较低，自燃性差，很难直接用于柴油机。帅石金、宫长明等针对甲醇进行了多方面的研究，指出在汽油中掺甲醇对发动机缸内燃烧有一定改善作用［22］，在外界辅助加热和辅助点火条件下，在冷起动工况下甲醇燃料发动机有较好的排放特性［23］。

基于此，本研究将主要以实现分层稀薄燃烧为目标，研究缸内直喷点燃式甲醇发动机的燃烧排放特性。

1 试验设备

1.1 试验发动机

试验在一台单缸、四冲程、自然吸气、水冷、高压缩比火花塞点燃直喷式发动机上进行，发动机由传统柴油机改装而成，图1示出试验框架。试验前对发动机进行预热，到机油温度大于90℃，冷却水温在85℃左右时进行试验。高能量火花点火系统能够产生一系列的连续火花以点燃甲醇混合气。

决定DISI甲醇发动机性能的重要因素是甲醇混合气能否形成理想的浓度分层。为了实现混合气理想分层，对喷油器油线作了特殊的布置（见图2）。这种布置通过缸内气流运动可以在火花塞附近形成相对较浓混合气区域，在此区域混合气容易被点着且滞燃期短［24］，远离火花塞处混合气相对较稀，从而实现分层稀薄燃烧。

表1列出直喷火花塞点燃式（DISI）甲醇发动机与原机相关参数的对比。

表1 改装前后发动机相关参数的对比

1.2 甲醇理化特性

试验所用的燃料为精制的工业甲醇，该甲醇纯度为99%，与汽油相比具有较好的抗爆性，能够在压缩比较大的条件下工作。甲醇的理化特性见表2。

表2 甲醇燃料的理化性质

1.3 相关测试设备

采用电涡流测功机测量发动机转速和扭矩输出，缸压用SYC04A石英晶体压力传感器测量，灵敏度为－260pC／MPa，与其相匹配的还有 WDF－3电荷放大器、ACB366燃烧分析仪、精度为0.5°的角标仪。排放用 HORIBA MEXA－8220D废气分析仪测量，主要测量HC，CO和NOx排放，HC的测量采用火焰离子探测器，CO的测量采用非色散红外线分析仪，NOx的测量采用化学发光法检测器。规定燃料燃烧1%时为燃烧始点，燃料燃烧90%时为燃烧结束，燃烧持续期为燃烧始点至燃烧结束的曲轴转角。

2 试验结果及分析

对不同转速下发动机的有效热效率和运转稳定性进行试验研究，对1 200r／min和1 600r／min两个转速下的燃烧特性和排放特性进行对比分析。试验在最佳点火正时和最佳喷射正时条件下进行。

2.1 不同转速下有效热效率和运转稳定性研究

图3示出最佳点火正时和最佳喷油正时条件下大负荷有效热效率随转速的变化。从图3可以看出，当转速为1 200r／min时有效热效率最大。该发动机燃烧模式为稀薄分层燃烧，利用进气涡流配合喷射正时和喷油量形成分层混合气，火花塞附近混合气浓，有利于点火。转速过低时，气体流速慢、惯量小，不能形成良好的分层，气缸内混合气局部过浓或过稀，燃烧质量差，有效热效率低。800r／min升至1 200r／min过程中，缸内漏气量和散热量减少，单位时间燃烧次数增加，热力状态提高，有效热效率升高；转速超过1 200r／min时，气流流速过快，惯量大，超过良好分层所需流速，对缸内扰动大，使分层效果差，混合气整体较稀，燃烧质量稍有恶化，有效热效率降低。

运转稳定性用循环变动系数表示，在一定程度上能反映燃烧质量的好坏。图4示出大负荷不同转速下的循环变动系数对比。从图4可以看出，转速为1 200r／min时循环变动系数最小，2 000r／min时达到最大值。800r／min时循环变动系数较大，主要原因是此时缸内混合气区分布不均匀，分层效果差，燃烧稳定性差；2 000r／min时进气涡流太强，分层效果差，基本形成均匀稀薄混合气，燃烧速度慢，甚至可能熄火，导致燃烧不稳定，循环变动系数变大。

通过以上分析，接下来的研究中选定1 200r／min和1 600r／min两个转速，前者热效率最高、循环变动系数最小，后者这两个指标不大也不小，也具有代表性，着重对这两个转速下发动机的燃烧和排放进行分析。

2.2 缸内燃烧分析

图5示出1 600r／min和1 200r／min工况下的缸压，图6示出两种转速下的放热率，定义压缩上止点为0°曲轴转角。从图中可以看出，在燃烧前期，1 200r／min时缸压和放热率较大，着火时刻早，缸压峰值相位靠前。这是因为1 200r／min转速下混合气分层效果好，前期燃烧速度快，放热率高，在火花塞附近区域混合气浓度分布合理，大部分燃料在前期燃烧，因此，最大缸压在1 200r／min时稍高。在燃烧后期，1 200r／min时混合气变得较稀薄，但在前期燃烧影响下也能燃烧完全，但放热率降低，并且又是在活塞下行阶段燃烧，导致缸压降低较快。

图7示出不同转速下滞燃期的对比。由图7可看出，1 200r／min工况下滞燃期比1 600r／min工况下小3°。当转速为1 200r／min时，进气速度和惯量与喷油特征能良好配合，火花塞附近能形成浓度适宜、易于点燃的混合气。由于1 200r／min时滞燃期短、放热开始时刻早（见图6），燃料在前期燃烧量多，燃烧结束期早且后燃少，因而热效率高。

2.3 燃烧特性随负荷的变化

1 200 r／min和1 600r／min工况下燃烧特性参数随负荷变化趋势大致相同，以下给出1 600r／min转速下燃烧特性随负荷的变化关系。图8示出滞燃期和主燃期随负荷的变化。从图8可以看出，滞燃期和主燃期变化趋势相同，都随负荷增加而减小。主要因为小负荷时，甲醇喷射量少，缸内混合气较稀，火焰传播速度下降，因而主燃烧期较长［25］；此外，火花塞附近混合气相对较稀，滞燃期稍长。随负荷的增加，甲醇喷射量增加，缸内混合气加浓，火焰传播速度加快，实现快速燃烧。由于发动机采用分层稀薄燃烧模式，在全负荷缸内也不会出现异常浓区，因此，甲醇量越多，火花塞附近混合气浓度越合理，缸内混合气整体质量就越好，滞燃期和主燃期越短。

图9示出着火时刻随负荷的变化。随着负荷增加，甲醇喷油射增加，火花塞附近混合气浓度分布合理，易于着火，着火时刻提前。图10示出缸压峰值和缸压峰值相位（上止点之后）随负荷的变化。从图10可以看出，随着负荷增大，缸压峰值增大，缸压峰值相位稍微推迟。在大负荷时，缸内能形成良好混合气，燃烧速度较快，缸压上升。

要想得到理想的燃烧效果，混合气必须在上止点附近完全燃烧，通过最大放热率相位可以得出燃料完全燃烧的时刻。最大放热率和最大放热率峰值相位随负荷的变化见图11。

从图11可以看出，随着负荷增大，火花塞附近混合气稍浓，滞燃期短；燃料量多，整体混合气浓度增大，燃烧速度快，最大放热率增大，对应相位提前。

2.4 排放特性随负荷的变化

图12示出1 200r／min和1 600r／min转速下HC排放随负荷的变化。从图12可以看出，随着负荷较增加，HC排放减小，且1 600r／min时 HC排放小于1 200r／min时。小负荷时，甲醇喷射量少，转速较高（1 600r／min）时缸内涡流强度大，混合气的浓度分布比1 200r／min时理想，所以HC排放比1 200r／min时低。随着负荷增加，甲醇喷射量增加，混合气浓度分布比小负荷更理想，故两转速下HC排放都减小，而1 200r／min转速下混合气浓度分布更为理想，因此两转速下HC排放差距减小。

图13示出两转速下CO排放随负荷的变化。负荷较小时，两种转速下CO排放较多，1 200r／min时更高些。负荷较小时，甲醇量少，1 200r／min转速下会产生异常稀薄混合气区域，温度过低的区域增多，CO生成量增加；转速为1 600r／min时混合气虽然稀薄，燃烧恶化，但没有异常稀薄区域产生，因此，CO排放量小于1 200r／min工况。负荷增大，CO排放量都减小，某一负荷时1 600r／min转速下CO排放开始增加，但1 200r／min无此现象，这主要是分层稀薄燃烧条件下混合气的分配引起的。大部分负荷范围1 600r／min转速下CO排放较少，混合气均匀性是影响CO排放的重要因素，转速为1 600r／min时混合气的均匀性要优于转速为1 200r／min时。

图14示出两转速下NOx排放特性随负荷的变化。当负荷增加，甲醇喷射量增加，混合气加浓，燃烧质量好，燃烧速度快，放热率增加，缸内温度增加，NOx排放增加。中小负荷时1 600r／min转速下NOx排放量高于1 200r／min，原因是中小负荷甲醇喷射量少，转速为1 200r／min时分层明显，远离火花塞区域混合气比较稀薄，燃烧速度慢，放热率低，低温区域多，NOx生成量减小，1 600r／min时混合气虽然整体偏稀，但没有低温区域产生，NOx稍高。

大负荷时1 200r／min转速下NOx排放高。这是因为甲醇量多，分层燃烧在大负荷时优势得以体现，火花塞附近混合气浓度高，易于点燃，燃烧快；远离火花塞区域混合气稍稀，在前期燃烧影响下，也能很好地燃烧，放热率高，温度升高快，NOx生成量高，而1 600r／min时燃烧质量就稍次，缸内温度也稍低，NOx生成量低。

3 结论

a）DISI甲醇发动机分层稀薄燃烧在不同转速下有效热效率和循环变动系数有一定差别，中等转速1 200r／min时有效热效率大且运转稳定；

b）燃烧前期1 200r／min转速下的缸压和放热率优于1 600r／min，燃烧后期则1 600r／min更优；

c）DISI甲醇发动机分层稀薄燃烧大负荷时的经济性和排放性都比较好，小负荷时的经济性和排放性较差，有待改善。

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