含水乙醇汽油发动机循环变动研究

张盼龙+罗马吉+丁洪春+蔡雄+王一男

摘 要：通过测取和处理分析汽油机燃用含水乙醇汽油时的缸内压力数据，对比分析平均指示压力、最高燃烧压力和质量燃烧百分率等不同循环变动表征参数，并且通过探讨平均指示压力与燃烧相位间的相关性，深入研究了含水乙醇汽油发动机的燃烧循环变动。结果表明：在低转速中等负荷下，汽油机燃用E10W5含水乙醇汽油相比于纯汽油循环变动增大；燃烧循环变动主要发生在燃烧初期；滞燃期和主燃期循环变动对平均指示压力循环变动影响较大。

关键词：汽油机； 循环变动；含水乙醇汽油

中图分类号：TK411+.2 文献标识码：A 文章编号：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

循環变动是指汽油机以某一工况稳定运转时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况以及汽油机功率输出均不相同[1]。循环变动是火花点火发动机燃烧的一个重要特征，它对发动机各方面性能均有不利影响。每个循环的燃烧情况不同说明所有循环不可能都处于设计的最佳燃烧状态，燃烧较快的循环容易发生爆震现象，燃烧较慢的循环混合气混合不充分，会增加污染气体的排放。有研究表明，如能完全避免循环变动的影响，则发动机在相同燃油消耗和排放性能前提下，可提高10%的扭矩输出[2]。研究发动机的循环变动对于改善发动机的动力输出，提高燃油经济性和降低废气排放有重大意义。国外的学者关于发动机循环变动的研究表明：火花点火发动机多个循环间的最大气缸压力可能存在较大的变动[3-5]，主要是因为燃料混合不均匀，火花塞点火出现问题，以及气缸内的湍流流动会有变动。国内的学者关于发动机燃烧循环变动方面做出了大量的深入研究：在探究火花点火发动机压力循环变动评价方法的过程中，李兴虎等学者认为火花点火发动机燃烧变动主要发生在燃烧初期[6]。含水乙醇汽油作为潜在的纯汽油替代燃料，有大量的学者研究其稳定性、燃烧特性和排放特性，研究表明：在未对汽油机作任何调整的情况下，燃用E10W5含水乙醇汽油的动力性略低于燃用纯汽油；当量燃油消耗率降低，燃油经济性得到改善；排放污染物降低，排放特性得到改善[7]。但是，目前关于含水乙醇汽油发动机的循环变动研究相对较少。本文采用典型工况下发动机燃用纯汽油和E10W5含水乙醇汽油的循环变动对比分析，以此研究含水乙醇汽油发动机的循环变动特性。endprint

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

试验在一台进气道喷射的4缸汽油发动机上进行，缸径为75mm ，行程为84.8mm，排量为1.5升，压缩比为10.5。发动机测控系统采用江苏启测测功器有限公司的EMC发动机测控单元和DW60电涡流测功器。气缸压力的测取采用德国SMETEC燃烧分析仪，瑞士Kisler公司生产的6117BFD17型火花塞缸内压力传感器和5018型电荷放大器组成的气缸压力测试系统。

1.2 试验方法

试验在发动机转速为1200r/min，扭矩为40Nm的低速中等负荷工况下进行，利用机油和冷却水恒温系统使发动机冷却水保持在（85±1）℃，机油温度保持在（90±1）℃之间，待发动机稳定运转后，连续采集100个循环的缸内压力数据，由压力数据求出气缸压力有关参数，用以分析燃烧不同燃料的燃烧循环变动。试验用燃料为市售93号纯汽油、用E10车用乙醇汽油和市售93号纯汽油配置的E10W5含水乙醇汽油。其中E10W5表示燃油中含水乙醇体积比为10%，含水乙醇中水含量为5%。

2 典型工况循环变动参数分析

2.1 平均指示压力

平均指示压力（IMEP）综合了缸内压力值及其对应曲轴转角对发动机输出功率的影响，而且IMEP被大多数研究人员用作表征发动机循环变动的首选参数[8]。发动機的循环变动情况用IMEP的循环变动系数来评价：

CoVIMEP=σIMEP / PIMEP （1）

式中，PIMEP为100次循环IMEP的平均值；σIMEP为100次循环IMEP的标准差；CoVIMEP为100次循环IMEP的循环变动系数。

图1表示发动机在试验工况下燃用纯汽油和E10W5含水乙醇汽油连续100个循环的缸内压力曲线。从图1可以看出，相比于燃用纯汽油，发动机在试验工况下燃用E10W5含水乙醇汽油的缸内压力循环变动变化幅度较大，燃烧较不稳定，容易出现燃烧不完全和失火的现象。图2表示发动机燃用两种燃料的IMEP随循环数变化的关系。从图2可以看出，在试验工况下，相比于燃用纯汽油，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的IMEP较低，IMEP变动幅值较大。表1为相关的计算参数，其中，含水乙醇汽油的相关计算参数已经去掉失火循环。相比于燃用纯汽油，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的IMEP较低，CoVIMEP较高的原因是：发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的燃烧始点推迟，燃烧速率放慢，主燃期延长，燃料燃烧不充分，火焰传播至整个燃烧室的时刻偏离活塞到达至上止点的时刻，散热损失增加，因而，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的循环变动相比于燃用纯汽油的循环变动增加。

从图2可以看出，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油第53个循环的平均指示压力和最高燃烧压力明显低于其它循环，发生了失火现象。这主要是因为前一个循环后燃现象严重，增加了气缸中的残余废气量，在失火循环中，因为残余废气量的增加，使得混合气混合不均匀，因而燃烧不完全，最高燃烧压力大大下降，同时该循环的IMEP大大降低。

2.2 最高燃烧压力

最高燃烧压力（Pmax） 是评价发动机工作粗暴性的重要参数，易于测量并且对循环变动很敏感[9]，被许多学者采用进行分析。本文对发动机燃用纯汽油和E10W5含水乙醇汽油的Pmax和燃烧始点（用混合气已燃10%对应的曲轴转角CA10表示）之间的关系进行分析，如图3所示。发动机在试验工况下燃用纯汽油和E10W5含水乙醇汽油的Pmax和CA10之间的线性关系表现出良好一致性，因此Pmax的循环变动依赖于燃烧始点循环变动[10]。

2.3 质量燃烧百分率

质量燃烧百分率是一种深入了解燃烧循环变动的可靠方法[6]。其过程主要是统计若干个连续循环某一曲轴转角下的质量燃烧百分率或者放热率，求取其平均值、标准差和变动率等，例如对所有循环下燃料燃烧的质量分数从0-10%经过的曲轴转角（φ0-10）和从0-50%经过的曲轴转角（φ0-50）进行统计，并在图中做出二者之间的变化关系和相关性。图4为φ0-10和φ0-50之间的变化关系。发动机在试验工况下燃用纯汽油的φ0-10和φ0-50之间的相关系数为0.8783，燃用E10W5含水乙醇汽油的φ0-10和φ0-50之间的相关系数为0.9173，相关性显著，因而，发动机在试验工况下燃用E10W5含水乙醇汽油的燃烧循环变动主要发生在燃烧初期。

3 循环变动参数与燃烧相位的相关性分析

为了分析不同工况下发动机燃用E10W5乙醇汽油时影响发动机平均指示压力循环变动的关键因素，本文分析了发动机燃用纯汽油和E10W5时燃烧相位和平均指示压力的相关性。各个参数间的相关性定义为：

（2）

式中，Xi、Yi分别表示第i个循环不同表征参数的数值，X、Y分别表示所有循环不同表征参数的平均值，SD （X）、SD （Y）分别表示所有循环不同表征参数的标准差。

本文以文献[11]中的相关性强弱性判断作为依据，认为| R（X，Y）|小于0.3时，两个变量间的相关性为弱相关；| R（X，Y）|从0.3增加至0.8时，两个变量间的相关性逐渐增强，并认为| R（X，Y）|在0.3与0.5之间为中度相关，| R（X，Y）|在0.5到0.8之间为显著相关；| R（X，Y）|大于0.8时，两个变量间的相关性为强烈相关。

3.1 平均指示压力与滞燃期的相关性

图5表示发动机在试验工况下燃用不同燃料的平均指示压力与滞燃期（φ0-10）的关系。从图5可以看出，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的平均指示压力与滞燃期的关系良好，相关系数为-0.7206，二者显著相关；发动机燃用纯汽油的平均指示压力与滞燃期无明显线性关系，相关系数仅为0.1325，二者弱相关。这是因为发动机燃用E10W5含水乙醇汽油时E10W5含水乙醇汽油的汽化潜热作用使得进气过程中温度降低，相比于纯汽油，滞燃期延长，而滞燃期的长短是影响发动机燃烧循环变动的主要因素[12]，滞燃期的延长不利于发动机的稳定运转。endprint

3.2 平均指示压力与主燃期的相关性

图6表示发动机在试验工况下燃用不同燃料的平均指示压力与主燃期（φ10-90）的关系。主燃期是指燃料燃烧的质量分数从10%-90%经过的曲轴转角。图6表示发动机燃用不同燃料的主燃期随循环数变化的关系。从图6可以看出，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的平均指示压力与主燃期线性关系良好，相关系数为-0.7497，二者显著相关；发动机燃用纯汽油的平均指示压力与主燃期的线性关系一般，相关系数为-0.3446，二者中度相关。这是因为相比于燃用纯汽油，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的燃烧稳定性较差，主燃期的幅值变化大，如图7所示，而且发动机燃用E10W5含水乙醇的主燃期延长，增加了主燃期内发动机燃用E10W5含水乙醇汽油的循环变动，因而，相比于燃用纯汽油，主燃期对发动机燃用E10W5含水乙醇汽油影响更大。

4 结论

本文在进气道喷射汽油机上开展了燃用E10W5含水乙醇汽油和纯汽油的循环变动试验，通过测取和处理分析100个连续循环的缸内压力数据，对比分析平均指示压力、最高燃烧压力和质量燃烧百分率等不同循环变动表征参数，并通过探讨平均指示压力与燃烧相位间的相关性，研究了含水乙醇汽油发动机的燃烧循环变动。结果表明：在低转速中等负荷下，发动机燃用E10W5含水乙醇汽油相比于纯汽油的循环变动增加；燃烧循环变动主要发生在燃烧初期；滞燃期和主燃期的循环变动对平均指示压力循环变动有显著影响。

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