空气辅助喷射甲醇发动机燃烧特性试验研究

吕继康，胡春明, ，刘 娜，宋玺娟，何永辉

空气辅助喷射甲醇发动机燃烧特性试验研究

吕继康1，胡春明1, 2，刘 娜2，宋玺娟2，何永辉1

(1. 天津大学机械工程学院，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072)

为了优化低负荷下甲醇发动机的燃烧及性能，将空气辅助喷射系统应用于甲醇发动机，并研究了喷气时刻、点火提前角和喷气脉宽对甲醇发动机燃烧特性的影响，结果表明：推迟喷气时刻至进气门开启之后有利于加快燃烧速度，提高发动机燃烧稳定性，尤其是在稀薄燃烧时的影响更明显，最佳的喷气时刻为300°CA BTDC．增大点火提前角可以缩短发动机的急燃期，提高燃烧稳定性，但是当喷气时刻推迟时，为了获得更好的动力性，最佳点火提前角也要推迟．增大喷气脉宽能优化发动机燃烧质量，提升发动机动力性和稳定性，但是当喷气时刻较早(闭阀喷射)或过晚时，喷气脉宽大于4ms后动力性和燃烧稳定性增加不明显．并且在喷气时刻300°CA BTDC、喷气脉宽7ms时，发动机的动力性和燃烧稳定性达到最佳．

空气辅助喷射；甲醇发动机；喷油点火参数；燃烧特性

近年来，社会经济的飞速发展伴随着越来越多的环境和能源问题，这使得开发适用于内燃机的替代性清洁燃料变得更加重要．甲醇的物理和化学性质与汽油相似，并且易于储存和运输[1]，一直被认为是未来内燃机动力机械最有利的替代燃料之一[2-4]．特别是对于火花点火发动机，它是一种具有巨大潜力和优势的替代燃料[4]．

甲醇的分子式为CH3OH，与汽油(C5～C8)不同，它是仅具有单一沸点成分的燃料，它的汽化潜热约为汽油的3倍，饱和蒸气压很低[5-6]．因此在寒冷的冬天，或者在高海拔和严寒地区，甲醇发动机会出现冷启动困难、小负荷下燃烧稳定性降低、燃油经济性变差等问题．近年来许多研究者将甲醇与其他燃料做成混合燃料，或是在发动机上提供两套供油系统开发组合燃烧发动机．Liao等[7]研究了甲醇汽油混合燃料在较低温度下对燃烧特性的影响，发现汽油中适度加入甲醇能够改善燃烧质量，实现快速的火焰传播．Gong等[8]研究了LPG/甲醇双燃料火花点火发动机喷射策略对冷启动及燃烧的影响，发现增加LPG的喷射量可以明显改善发动机冷启动时的燃烧状态，甲醇和LPG之间大约300°CA的喷射正时可以在燃烧循环中形成理想的混合物．Yao等[9-10]在柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)发动机的低负荷工况下，通过EGR、进气加热、调整柴油的喷射正时等措施降低了发动机燃油消耗并优化了排放．李朝晖[11]利用气道喷氢研究了甲醇气道喷射和甲醇缸内喷射两种喷射模式下的燃烧特性，探讨了稀燃下氢助燃甲醇发动机改善燃烧性能的潜力．

燃料蒸发成为可燃混合气的快慢主要取决于两个因素：温度和表面积．如果燃料喷射雾化效果好，拥有更小的粒径，燃料液体的表面面积会增大，蒸发速度加快．空气辅助喷射系统多应用于小型二冲程航空发动机，其利用高压压缩空气离开喷嘴时的超声速气动力克服燃油表面张力促进液滴破碎[12]，使其在相对较低的喷油压力下获得较小的喷雾粒径．空气辅助喷射的雾化质量对燃料种类不敏感[13]，因此可以应用于甲醇燃料．本文基于一台双火花塞点火单缸甲醇发动机，针对小负荷工况燃烧稳定性差的问题，在进气道采用了空气辅助喷射技术来改善甲醇的雾化，开展了低负荷工况下喷气时刻、点火提前角、喷气脉宽等控制参数对甲醇发动机燃烧特性影响的研究，为空气辅助喷射甲醇发动机的开发与燃烧优化匹配提供了重要研究依据．

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

本文试验所用发动机为一台自主研发的进气道空气辅助喷射单缸四冲程甲醇发动机，其基本参数如表1所示．

表1 发动机基本参数

Tab.1 Basic parameters of engine

如图1所示，试验系统由单缸试验机、燃油喷射系统、电力测功机系统、燃烧分析系统和上位机系统等几部分构成．其中发动机燃烧分析系统由氧传感器、ETAS-LA4型仪、增量型光电编码器、ART USB281型数据采集卡、6125CU20压电晶体型火花塞式缸压传感器、5011电荷放大器以及自主研发的燃烧分析软件组成．测功机采用天津科达电力测控技术有限公司生产的DZDC-30S型132kW直流电力测功机进行运行和监测．燃烧分析系统通过传感器采集缸内压力信号、曲轴转角等数据，基于Labview编写的燃烧分析软件可以读取数据采集卡采集的数据，从而对缸内压力进行显示、处理和分析，可得到瞬时放热率、循环变动系数、最大爆发压力等发动机的各项燃烧参数，能够帮助判断发动机的燃烧状态．喷射系统的组成包括油箱、油泵、空气辅助组合喷嘴、油压调节阀、气压调节阀、空气压缩机等．自主研发的空气辅助组合喷嘴如图2所示，包括燃油喷嘴、混合腔和混合气喷嘴．燃油首先由燃油喷嘴喷入混合腔内与压缩空气进行预混，实现初次雾化，经过一段时间后(油气间隔)，混合气喷嘴开启，混合气通过混合气喷嘴出口的拉瓦尔段加速至超声速喷出，在较大的喷射动能作用下，气体克服油滴表面张力进行二次雾化最终得到雾化效果较好的燃油喷雾[14-15].因此在控制策略上要先后产生喷油和喷气信号，其控制信号示意图如图3所示，从图中可以看出喷射策略包含几个关键参数：喷油开始时刻(meth)、喷气开始时刻(mix)、脉宽(Δmeth)、喷气脉宽(Δmix)、油气间隔(Δ)．

1—油箱；2—油泵；3—油压调节阀；4—气压调节阀；5—空气压缩机；6—上位机；7—ECU(electronic control unit)；8—空气辅助组合喷嘴；9—缸压传感器；10—测功机控制器；11—电力测功机；12—单缸试验机；13—电荷放大器；14—燃烧分析软件；15—数据采集卡；16—光电编码器；17—氧传感器；18—l仪

图2 空气辅助组合喷嘴示意

1.2 试验方案及条件

本次研究的试验条件如表2所示．试验转速为4000r/min(此发动机的常用转速)，试验过程中电力测功机与甲醇发动机连接来控制并测量发动机负载和转速，并通过ECU改变发动机的喷气时刻、点火提前角、喷气脉宽等参数．然后利用燃烧分析系统在每个工况下采集200个燃烧循环来研究各参量变化对发动机燃烧特性的影响．

表2 试验条件

Tab.2 Test conditions

2 结果与讨论

2.1 喷气时刻Tmix对燃烧特性的影响

本文在转速4000r/min，节气门开度为20%的工况下研究了喷气时刻对燃烧特性的影响．图4和图5显示了喷气时刻对发动机最大爆发压力(max)及其对应的曲轴转角(max)的影响，从图中可以看出在不同的过量空气系数下，在450～300°CA BTDC范围内，随着mix推迟，max逐渐增加，并且相位提前．当mix＝300°CA BTDC时，max均达到最大值，之后再推迟mix，max有减小的趋势，其相位也有所推迟.这是因为经由空气辅助喷嘴所喷射出的油气混合物中燃料的索特平均直径(SMD)非常小[13]，大部分燃料都是悬浮在空气中蒸发，如果喷射时间太早，尤其是在进气门开启之前喷射，会使更多的燃油液滴附着在进气道壁上，进气道中漂浮的小液滴重聚的可能性也会增大，进而影响混合气形成．图6所示为发动机在转速4000r/min、节气门开度为20%倒拖时进气道内的进气压力和进气流速曲线，从图中可以看出，进气门开启后进气道压力减小，进气道空气流速增加，推迟mix后，燃油喷射时进气道有更小的喷射背压，更有利于降低喷雾的SMD[14]，并且此时喷出油气混合物在高速的进气气流扰动下可以进一步优化雾化效果，促进混合气形成．当mix推迟到250°CA BTDC时，从图6中可以看出，此时的进气流速已经下降，同时留给燃料蒸发的时间也过短，点火时没有形成良好的混合气，因此导致max减小，燃烧相位滞后．

图4 喷气时刻对pmax影响

图5 喷气时刻对qmax的影响

图6 倒拖进气流速和进气压力曲线

图7和图8显示了在不同下发动机的滞燃期和急燃期随着mix的推迟，均呈现出先减小后增大的趋势．通常认为，滞燃期主要受火花塞附近可燃混合物的浓度的影响[15]，当混合气稀薄时很难点燃，燃烧速度变慢．喷气时刻过早时会影响雾化质量，而推迟喷气时刻可以利用进气气流的扰动使甲醇快速蒸发，点火时火花塞附近有更浓的混合气，因此滞燃期相应缩短．在后续的燃烧过程中同样由于混合气形成快、浓度高使得急燃期也随之缩短，燃烧速度加快．而喷射时刻过晚时由于蒸发时间短，无法及时形成充足的混合气使得燃烧速度变慢．另外，图中滞燃期和急燃期随mix的变化趋势在稀薄燃烧条件下更为明显，尤其是＝1.2时，这是可能是因为将mix推迟到进气门打开后，喷入的甲醇混合气直接进入缸内能够形成分层的混合气[16]，有助于甲醇的稀薄燃烧．

发动机稳定性是评估发动机性能的重要指标，因为不稳定的燃烧会增加燃料消耗和污染物排放．最高爆发压力的循环变动系数[17]通常用于表征发动机稳定性，其定义为：

图7 喷气时刻对滞燃期的影响

图8 喷气时刻对急燃期的影响

图9显示了喷气时刻mix对发动机COV,IMEP的影响，从图中可以看出推迟mix可以减小发动机循环弯动系数，提升燃烧稳定性．一方面是因为推迟喷气时刻加快了混合气制备进而加快了甲醇的燃烧速率，缩短了滞燃期和急燃期(见图7、图8)，有研究表明，缩短燃烧过程是提高燃烧稳定性的有效途径[18]．另一方面，推迟mix至进气门开启后，喷出的燃料随进气气流直接进入缸内而不在气道内停留，能够减少每循环残留在进气道内的燃油，而使得每个循环进入气缸内的燃油量接近一致，从而减小燃烧循环波动．

图9 喷气时刻对KCOV,IMEP的影响

2.2 点火提前角ST对燃烧特性的影响

本文在转速4000r/min、喷气时刻为300°CA BTDC、节气门开度20%的条件下，研究了开阀喷射(推迟喷气时刻至进气门开启之后)时不同点火提前角对空气辅助喷射甲醇发动机燃烧特性的影响．由图10可知，随着点火提前角提前，最大爆发压力max逐渐增大，其对应的曲轴转角逐渐向上止点靠近，放热率峰值也随之提前．这是因为点火提前角提前使燃烧相位提前，燃烧等容度上升，因此max增大．图11所示为发动机滞燃期和急燃期随点火提前角的变化，从图中可以看出滞燃期随点火提前角的提前而增大，这是因为开阀喷射时燃料大部分在缸内蒸发，点火提前角的提前，使点火时火花塞附近没有足够的可燃混合气，因此滞燃期增大．随着点火提前角的增大，急燃期开始减小，达到最小值，然后上升．这是因为随着点火提前角的提前，活塞到达上止点时发动机缸内的温度和压力越高，导致火焰传播速度提高，而点火提前角过大会导致初始燃烧在相对较低的温度和压力下发生，燃烧过程恶化，因此急燃期增加[19]．

2.1节的分析指出，喷气时刻mix的推迟也会使燃烧相位提前，最高爆发压力增大，因此在不同的喷气时刻下存在一个最佳点火提前角，使得发动机在该情况下的动力性、燃烧稳定性最佳．图12和图13所示为不同喷气时刻下不同点火提前角对发动机的动力性和燃烧稳定性的影响．从图12可以看出，当喷气时刻较早并且点火时刻推迟时动力损失最大，发动机的动力性随mix的推迟整体有增大的趋势，但是不同的喷气时刻下的最佳点火提前角不同．当喷气时刻在450～350°CA BTDC变化时，最佳点火提前角在35°CA BTDC左右，当喷气时刻推迟到300°CA BTDC时，最佳点火提前角推迟到31～32°CA BTDC，此时发动机IMEP最大可以达到0.672MPa.从图13中可以看出，当点火提前角在26°CA BTDC，mix在450°CA BTDC时发动机燃烧稳定性最差，循环变动系数随着点火提前角的增大而减小，同时随着喷气时刻的推迟循环变动率也有减小的趋势，当点火提前角为38°CA BTDC，喷气时刻为300°CA BTDC时，发动机的循环变动系数最小．出现上述现象是因为：当点火过晚时，燃烧相位推迟，传热损失增加，加上喷气时刻过早会影响燃料雾化效果，不利于混合气形成，导致火焰传播速度变慢，燃烧等容度下降，因此动力损失增大，燃烧稳定性变差．推迟喷气时刻能提高燃烧速度，增大最高爆发压力，但是由于燃烧相位的提前导致压缩负功增大，而点火提前角的增大也会使燃烧相位提前，因此喷射时刻推迟时必须适当减小点火提前角来获得最佳的动力性．

图10 点火提前角对缸内压力和放热率的影响

图11 点火提前角对滞燃期和急燃期的影响

图12 不同喷气时刻下点火提前角对IMEP的影响

2.3 喷气脉宽DTmix对燃烧特性的影响

本文在转速4000r/min、点火提前角为30°CA BTDC、节气门开度20%、喷气开始时刻mix为300°CA BTDC的条件下，研究了不同喷气脉宽Δmix发动机燃烧特性的影响．图14为不同Δmix条件下缸内压力和放热率曲线，从图中可以看出，随着Δmix的增加，max和放热率幅值增大，其对应的曲轴转角也提前．同时，从图15中可以看出，滞燃期和急燃期均随着Δmix增加而减小，这说明喷气脉宽增加缩短了滞燃期并加快了火焰传播速度．出现上述现象的原因是：随着Δmix逐渐增大，在喷射过程中会有更多的压缩空气参与到燃油液滴的二次雾化过程中，液滴与压缩空气的相互作用时间增长，促进了燃油与空气之间的动能传递[20]，加速了燃油液滴表面扭曲与破坏，使喷雾粒径减小．另外，空气在压缩时温度会上升，喷射时压缩空气与甲醇混合，也能为甲醇蒸发提供热量，增大喷气脉宽这种加热作用也会加强．而喷雾粒径减小，温度提高可以缩短燃料蒸发的时间，使得混合气形成更快，在点火时火花塞附近有足够浓度的可燃混合气，并且燃烧的前期有更多的混合气参与燃烧，因此燃烧速度加快，燃烧相位提前，最大爆发压力max增大．

图14 喷气脉宽对缸压和放热率的影响

图15 喷气脉宽DTmix对滞燃期和急燃期的影响

2.1节分析表明，适当推迟mix能优化发动机燃烧质量，但由于发动机有效喷射窗口的限制，推迟喷气时刻必然也限制了有效的Δmix．另外考虑到发动机功率消耗的问题，不能一味地提升Δmix来优化发动机性能，因此必须找到最优的喷气时刻和Δmix，制定相应的喷射策略．

图16与图17所示为不同喷气时刻下改变喷气脉宽对发动机动力性和燃烧稳定性的影响，从图中可以看出，在不同的喷气时刻下随着Δmix增大，IMEP增大，循环变动系数减小．一方面，这是因为增大Δmix能增强雾化效果提升燃烧速度和燃烧等容度；另一方面，由于Δmix的增加使得每次喷射残留在油气混合腔内的燃油量减少，每个喷射循环喷入气缸内的燃油量接近相等，减小了燃烧循环波动．另外从图中可以看出，不同的喷气时刻下Δmix对动力性和燃烧稳定性的影响程度不一样，当mix在350°CA BTDC以前和300°CA BTDC之后时等高线稀疏，Δmix的增大对动力性和燃烧稳定性的影响作用减弱，而中间的开阀喷射阶段等高线密集，增大Δmix对动力性和燃烧稳定性的影响较强，并且在mix＝300°CA BTDC，喷气脉宽为7ms时发动机的动力性最强，燃烧循环变动最小．这是因为当喷射时刻过早时，喷射持续期内进气门处于关闭状态，进气道空间狭小，虽然增大喷气脉宽能够导致喷雾膨胀破碎的能力增加，但是也会使贯穿距增加[20]，喷射出的燃油液滴更容易附着到进气道壁上影响雾化效果从而影响动力性和燃烧稳定性的提升．而当开阀喷射时加大Δmix，燃油喷雾在更多的压缩空气和进气气流的共同作用下进入气缸，提升雾化质量的同时还能够利用喷雾的推动力在进气时起到微增压的作用，从而使更多空气进入缸内，提升发动机动力性和燃烧稳定性．但是当mix推迟到250°CA时，虽然增大Δmix能提高雾化质量，但由于混合气蒸发时间缩短，依然会导致混合气形成不均匀，并且当Δmix到4ms时活塞已经到达下止点开始上行，进气流速减小，此时再增加Δmix对缸内混合气的形成帮助不大，因此Δmix的影响作用减弱．

图16 不同喷气时刻下DTmix对IMEP的影响

3 结 论

本文以一台点燃式单缸甲醇试验机为研究平台，基于压缩空气辅助喷射技术通过台架试验研究了喷气时刻、点火提前角以及喷气脉宽对发动机燃烧特性的影响．分析得出以下结论：

(1) 喷气时刻对发动机燃烧有较大的影响．推迟喷气时刻至进气门开启之后(开阀喷射)有利于加快燃烧速度，提高燃烧稳定性，尤其是在稀薄燃烧时的影响更明显，当喷气时刻为300°CA BTDC时， 发动机燃烧稳定性最好，过晚的喷气时刻会导致燃烧恶化．

(3) 增大Δmix能增强燃油雾化效果，优化发动机燃烧质量，提升发动机动力性和稳定性．但是在不同的喷气时刻下影响程度不同．当喷气时刻较早(闭阀喷射)或过晚时，Dmix大于4ms后动力性和燃烧稳定增加不明显，而当开阀喷射时Δmix对燃烧的影响比较显著．在喷气时刻mix＝300°CA BTDC，Δmix＝7ms时，发动机的动力性和燃烧稳定性达到最佳．

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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．

国家自然科学基金资助项目(51476112).

吕继康（1994—  ），男，硕士研究生，ljk5257@foxmail.com.

胡春明，男，博士，研究员，cmhu@tju.edu.cn.

(责任编辑：隋韶颖)