宮長明，彭樂高，張自雷，陳天翔，李 棟

（1.大連民族學院機電信息工程學院，遼寧 大連 116600；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025）

隨著能源危機的加劇和環(huán)境問題的日漸突出，尋求優(yōu)良的替代能源對于汽車行業(yè)而言迫在眉睫。中國汽車保有量與日俱增，汽車尾氣污染引起了人們的重視，國家出臺了相關的排放法規(guī)限制尾氣排放。針對各種替代燃料在汽車上的應用已進行了大量研究并取得了顯著成果。C.D.Rakopoulos，F.Moreno和S.Verhelst等研究了氫氣作為燃料或作為添加劑對發(fā)動機性能的影響，指出氫氣作為發(fā)動機燃料的優(yōu)點及需要改進的地方［1－7］；Nadir Yilmaz，Rodrigo C.Costa和 Georgios Karavalakis等對乙醇燃料發(fā)動機進行探索并與傳統(tǒng)發(fā)動機進行了對比分析［8－14］；T.Korakianitis和B.Afkhami等對天然氣發(fā)動機進行了研究［15－16］。甲醇具有含氧量高、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、著火界限寬、不含硫等特點，是一種清潔的柴油替代燃料［17］。M.Bahattin Celik等對甲醇發(fā)動機進行了大量研究，指出甲醇作為發(fā)動機燃料非常可行方便。甲醇的性質與汽油和柴油非常相似，只要運用得當，對發(fā)動機性能無大的損耗且對排放非常有利［18－20］。但是甲醇的汽化潛熱非常大，致使點燃式甲醇發(fā)動機冷起動困難［21］；甲醇的十六烷值較低，自燃性差，很難直接用于柴油機。帥石金、宮長明等針對甲醇進行了多方面的研究，指出在汽油中摻甲醇對發(fā)動機缸內燃燒有一定改善作用［22］，在外界輔助加熱和輔助點火條件下，在冷起動工況下甲醇燃料發(fā)動機有較好的排放特性［23］。

基于此，本研究將主要以實現分層稀薄燃燒為目標，研究缸內直噴點燃式甲醇發(fā)動機的燃燒排放特性。

1 試驗設備

1.1 試驗發(fā)動機

試驗在一臺單缸、四沖程、自然吸氣、水冷、高壓縮比火花塞點燃直噴式發(fā)動機上進行，發(fā)動機由傳統(tǒng)柴油機改裝而成，圖1示出試驗框架。試驗前對發(fā)動機進行預熱，到機油溫度大于90℃，冷卻水溫在85℃左右時進行試驗。高能量火花點火系統(tǒng)能夠產生一系列的連續(xù)火花以點燃甲醇混合氣。

決定DISI甲醇發(fā)動機性能的重要因素是甲醇混合氣能否形成理想的濃度分層。為了實現混合氣理想分層，對噴油器油線作了特殊的布置（見圖2）。這種布置通過缸內氣流運動可以在火花塞附近形成相對較濃混合氣區(qū)域，在此區(qū)域混合氣容易被點著且滯燃期短［24］，遠離火花塞處混合氣相對較稀，從而實現分層稀薄燃燒。

表1列出直噴火花塞點燃式（DISI）甲醇發(fā)動機與原機相關參數的對比。

表1 改裝前后發(fā)動機相關參數的對比

1.2 甲醇理化特性

試驗所用的燃料為精制的工業(yè)甲醇，該甲醇純度為99%，與汽油相比具有較好的抗爆性，能夠在壓縮比較大的條件下工作。甲醇的理化特性見表2。

表2 甲醇燃料的理化性質

1.3 相關測試設備

采用電渦流測功機測量發(fā)動機轉速和扭矩輸出，缸壓用SYC04A石英晶體壓力傳感器測量，靈敏度為－260pC／MPa，與其相匹配的還有 WDF－3電荷放大器、ACB366燃燒分析儀、精度為0.5°的角標儀。排放用 HORIBA MEXA－8220D廢氣分析儀測量，主要測量HC，CO和NOx排放，HC的測量采用火焰離子探測器，CO的測量采用非色散紅外線分析儀，NOx的測量采用化學發(fā)光法檢測器。規(guī)定燃料燃燒1%時為燃燒始點，燃料燃燒90%時為燃燒結束，燃燒持續(xù)期為燃燒始點至燃燒結束的曲軸轉角。

2 試驗結果及分析

對不同轉速下發(fā)動機的有效熱效率和運轉穩(wěn)定性進行試驗研究，對1 200r／min和1 600r／min兩個轉速下的燃燒特性和排放特性進行對比分析。試驗在最佳點火正時和最佳噴射正時條件下進行。

2.1 不同轉速下有效熱效率和運轉穩(wěn)定性研究

圖3示出最佳點火正時和最佳噴油正時條件下大負荷有效熱效率隨轉速的變化。從圖3可以看出，當轉速為1 200r／min時有效熱效率最大。該發(fā)動機燃燒模式為稀薄分層燃燒，利用進氣渦流配合噴射正時和噴油量形成分層混合氣，火花塞附近混合氣濃，有利于點火。轉速過低時，氣體流速慢、慣量小，不能形成良好的分層，氣缸內混合氣局部過濃或過稀，燃燒質量差，有效熱效率低。800r／min升至1 200r／min過程中，缸內漏氣量和散熱量減少，單位時間燃燒次數增加，熱力狀態(tài)提高，有效熱效率升高；轉速超過1 200r／min時，氣流流速過快，慣量大，超過良好分層所需流速，對缸內擾動大，使分層效果差，混合氣整體較稀，燃燒質量稍有惡化，有效熱效率降低。

運轉穩(wěn)定性用循環(huán)變動系數表示，在一定程度上能反映燃燒質量的好壞。圖4示出大負荷不同轉速下的循環(huán)變動系數對比。從圖4可以看出，轉速為1 200r／min時循環(huán)變動系數最小，2 000r／min時達到最大值。800r／min時循環(huán)變動系數較大，主要原因是此時缸內混合氣區(qū)分布不均勻，分層效果差，燃燒穩(wěn)定性差；2 000r／min時進氣渦流太強，分層效果差，基本形成均勻稀薄混合氣，燃燒速度慢，甚至可能熄火，導致燃燒不穩(wěn)定，循環(huán)變動系數變大。

通過以上分析，接下來的研究中選定1 200r／min和1 600r／min兩個轉速，前者熱效率最高、循環(huán)變動系數最小，后者這兩個指標不大也不小，也具有代表性，著重對這兩個轉速下發(fā)動機的燃燒和排放進行分析。

2.2 缸內燃燒分析

圖5示出1 600r／min和1 200r／min工況下的缸壓，圖6示出兩種轉速下的放熱率，定義壓縮上止點為0°曲軸轉角。從圖中可以看出，在燃燒前期，1 200r／min時缸壓和放熱率較大，著火時刻早，缸壓峰值相位靠前。這是因為1 200r／min轉速下混合氣分層效果好，前期燃燒速度快，放熱率高，在火花塞附近區(qū)域混合氣濃度分布合理，大部分燃料在前期燃燒，因此，最大缸壓在1 200r／min時稍高。在燃燒后期，1 200r／min時混合氣變得較稀薄，但在前期燃燒影響下也能燃燒完全，但放熱率降低，并且又是在活塞下行階段燃燒，導致缸壓降低較快。

圖7示出不同轉速下滯燃期的對比。由圖7可看出，1 200r／min工況下滯燃期比1 600r／min工況下小3°。當轉速為1 200r／min時，進氣速度和慣量與噴油特征能良好配合，火花塞附近能形成濃度適宜、易于點燃的混合氣。由于1 200r／min時滯燃期短、放熱開始時刻早（見圖6），燃料在前期燃燒量多，燃燒結束期早且后燃少，因而熱效率高。

2.3 燃燒特性隨負荷的變化

1 200 r／min和1 600r／min工況下燃燒特性參數隨負荷變化趨勢大致相同，以下給出1 600r／min轉速下燃燒特性隨負荷的變化關系。圖8示出滯燃期和主燃期隨負荷的變化。從圖8可以看出，滯燃期和主燃期變化趨勢相同，都隨負荷增加而減小。主要因為小負荷時，甲醇噴射量少，缸內混合氣較稀，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆担蚨魅紵谳^長［25］；此外，火花塞附近混合氣相對較稀，滯燃期稍長。隨負荷的增加，甲醇噴射量增加，缸內混合氣加濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，實現快速燃燒。由于發(fā)動機采用分層稀薄燃燒模式，在全負荷缸內也不會出現異常濃區(qū)，因此，甲醇量越多，火花塞附近混合氣濃度越合理，缸內混合氣整體質量就越好，滯燃期和主燃期越短。

圖9示出著火時刻隨負荷的變化。隨著負荷增加，甲醇噴油射增加，火花塞附近混合氣濃度分布合理，易于著火，著火時刻提前。圖10示出缸壓峰值和缸壓峰值相位（上止點之后）隨負荷的變化。從圖10可以看出，隨著負荷增大，缸壓峰值增大，缸壓峰值相位稍微推遲。在大負荷時，缸內能形成良好混合氣，燃燒速度較快，缸壓上升。

要想得到理想的燃燒效果，混合氣必須在上止點附近完全燃燒，通過最大放熱率相位可以得出燃料完全燃燒的時刻。最大放熱率和最大放熱率峰值相位隨負荷的變化見圖11。

從圖11可以看出，隨著負荷增大，火花塞附近混合氣稍濃，滯燃期短；燃料量多，整體混合氣濃度增大，燃燒速度快，最大放熱率增大，對應相位提前。

2.4 排放特性隨負荷的變化

圖12示出1 200r／min和1 600r／min轉速下HC排放隨負荷的變化。從圖12可以看出，隨著負荷較增加，HC排放減小，且1 600r／min時 HC排放小于1 200r／min時。小負荷時，甲醇噴射量少，轉速較高（1 600r／min）時缸內渦流強度大，混合氣的濃度分布比1 200r／min時理想，所以HC排放比1 200r／min時低。隨著負荷增加，甲醇噴射量增加，混合氣濃度分布比小負荷更理想，故兩轉速下HC排放都減小，而1 200r／min轉速下混合氣濃度分布更為理想，因此兩轉速下HC排放差距減小。

圖13示出兩轉速下CO排放隨負荷的變化。負荷較小時，兩種轉速下CO排放較多，1 200r／min時更高些。負荷較小時，甲醇量少，1 200r／min轉速下會產生異常稀薄混合氣區(qū)域，溫度過低的區(qū)域增多，CO生成量增加；轉速為1 600r／min時混合氣雖然稀薄，燃燒惡化，但沒有異常稀薄區(qū)域產生，因此，CO排放量小于1 200r／min工況。負荷增大，CO排放量都減小，某一負荷時1 600r／min轉速下CO排放開始增加，但1 200r／min無此現象，這主要是分層稀薄燃燒條件下混合氣的分配引起的。大部分負荷范圍1 600r／min轉速下CO排放較少，混合氣均勻性是影響CO排放的重要因素，轉速為1 600r／min時混合氣的均勻性要優(yōu)于轉速為1 200r／min時。

圖14示出兩轉速下NOx排放特性隨負荷的變化。當負荷增加，甲醇噴射量增加，混合氣加濃，燃燒質量好，燃燒速度快，放熱率增加，缸內溫度增加，NOx排放增加。中小負荷時1 600r／min轉速下NOx排放量高于1 200r／min，原因是中小負荷甲醇噴射量少，轉速為1 200r／min時分層明顯，遠離火花塞區(qū)域混合氣比較稀薄，燃燒速度慢，放熱率低，低溫區(qū)域多，NOx生成量減小，1 600r／min時混合氣雖然整體偏稀，但沒有低溫區(qū)域產生，NOx稍高。

大負荷時1 200r／min轉速下NOx排放高。這是因為甲醇量多，分層燃燒在大負荷時優(yōu)勢得以體現，火花塞附近混合氣濃度高，易于點燃，燃燒快；遠離火花塞區(qū)域混合氣稍稀，在前期燃燒影響下，也能很好地燃燒，放熱率高，溫度升高快，NOx生成量高，而1 600r／min時燃燒質量就稍次，缸內溫度也稍低，NOx生成量低。

3 結論

a）DISI甲醇發(fā)動機分層稀薄燃燒在不同轉速下有效熱效率和循環(huán)變動系數有一定差別，中等轉速1 200r／min時有效熱效率大且運轉穩(wěn)定；

b）燃燒前期1 200r／min轉速下的缸壓和放熱率優(yōu)于1 600r／min，燃燒后期則1 600r／min更優(yōu)；

c）DISI甲醇發(fā)動機分層稀薄燃燒大負荷時的經濟性和排放性都比較好，小負荷時的經濟性和排放性較差，有待改善。

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