李相超，張弘，郭濤

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

爆震和早燃是汽油機(jī)常見的異常燃燒情況，常用的解決方案包括降低壓縮比、推遲點(diǎn)火和降低運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷等，這極大限制了汽油機(jī)的熱效率提升和動(dòng)力輸出[1-2]。高速大負(fù)荷工況排氣溫度較高，為保護(hù)渦輪增壓器和后處理系統(tǒng)，往往采用燃油加濃方式來降低排氣溫度。汽油機(jī)噴水技術(shù)通過向缸內(nèi)噴水，利用水的汽化潛熱降低缸內(nèi)燃燒溫度，研究結(jié)果表明噴水可以有效降低爆震傾向，取代大負(fù)荷燃油加濃策略，降低油耗和排放[3-5]。

乙醇作為一種可再生生物燃料，具有更高的辛烷值，抗爆震性更好。研究表明，在汽油中加入乙醇可提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率并降低CO和THC排放[6-8]。乙醇冰點(diǎn)低，并可與水以任意比例互溶來降低水的冰點(diǎn)，解決低溫情況下噴水系統(tǒng)結(jié)冰問題。另外，乙醇具有很高的汽化潛熱，向發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴射乙醇與噴水類似，都能有效降低缸內(nèi)溫度[9]，抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向。因此，研究摻混乙醇噴射對(duì)噴水效果的影響具有較為實(shí)用的工程意義。

本研究在定容彈中測(cè)試了摻混不同比例乙醇水溶液的噴霧特性，基于某1.5 L直噴增壓汽油機(jī)改制了進(jìn)氣道噴水試驗(yàn)樣機(jī)，并開展了3 000 r/min@1.4 MPa和5 500WOT工況臺(tái)架試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了不同比例水和乙醇混合噴射對(duì)燃燒的影響以及油耗和排放改善情況。

1 水和乙醇噴霧特性研究

1.1 理化特性

水、乙醇和汽油三種介質(zhì)理化特性如表1所示[7]，相比于乙醇和汽油，水具有最大的比熱容和汽化潛熱，因此噴水的吸熱降溫效果最佳。乙醇的汽化潛熱是汽油的2.7倍，且辛烷值更高，具有更高的抗爆性。

表1 不同介質(zhì)理化特性

發(fā)動(dòng)機(jī)以乙醇為燃料，可采用更大的點(diǎn)火提前角，通過燃燒相位優(yōu)化實(shí)現(xiàn)熱效率提升。但乙醇的熱值約為汽油的60%，因此相同功率輸出情況下，乙醇的消耗量更大。

純水冰點(diǎn)為0 ℃，乙醇冰點(diǎn)為-115 ℃，兩者不同體積占比混合液的冰點(diǎn)值如表2所示。其中介質(zhì)代號(hào)中E代表乙醇，W代表水，數(shù)字為體積百分比。隨乙醇比例增加，混合液的冰點(diǎn)逐漸降低。乙醇占比50%以上即可實(shí)現(xiàn)-30 ℃不結(jié)冰，可有效擴(kuò)展噴水技術(shù)的冬季應(yīng)用范圍。本研究選定E0W100、E10W90、E30W70、E50W50、E70W30、E100W0等6組比例的乙醇水溶液作為試驗(yàn)介質(zhì)開展噴霧和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試研究。

表2 不同比例乙醇水溶液冰點(diǎn)

1.2 噴霧測(cè)試方法和條件

對(duì)于進(jìn)氣道噴水，噴霧特性必須與氣道形狀匹配，充分利用進(jìn)氣流進(jìn)入缸內(nèi)蒸發(fā)吸熱。為研究乙醇對(duì)噴霧特性帶來的影響，在定容彈中開展了不同濃度乙醇水溶液噴霧特性研究，測(cè)試內(nèi)容包括噴霧形態(tài)和噴霧粒徑[10-11]。圖1示出本次研究用噴水器，測(cè)試邊界條件如表3所示。

圖1 專用噴水器

表3 噴油器測(cè)試條件

噴霧形態(tài)測(cè)試基于Mie散射法，采用CCD相機(jī)拍攝噴霧圖像，經(jīng)圖像處理得到貫穿距和噴霧角度。本研究中噴霧時(shí)刻以ASOF(After Start of Fuel)表示，規(guī)定噴水器開始出水時(shí)刻為0時(shí)刻。噴霧粒徑測(cè)試采用相位多普勒干涉儀(PDA)，測(cè)試噴嘴下方50 mm平面內(nèi)的粒徑分布規(guī)律。根據(jù)SAE J2715[11]標(biāo)準(zhǔn)，選取多個(gè)空間位置點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)空間位置點(diǎn)收集104個(gè)有效噴霧粒子的直徑，統(tǒng)計(jì)分析其索特平均直徑(SMD)。

1.3 噴霧特性分析

不同濃度乙醇水溶液在4 msASOF噴霧形態(tài)如圖2所示。加入乙醇后，噴霧角無明顯變化，貫穿距減小。貫穿距減小將有助于降低噴霧與進(jìn)氣道壁面碰撞，使更多的水進(jìn)入缸內(nèi)吸熱降溫。乙醇體積占比例從0增加到30%，噴霧貫穿距減小明顯，30%、50%和70%三種溶液貫穿距基本相同，純乙醇貫穿距則顯著降低。從噴霧貫穿距發(fā)展趨勢(shì)(見圖3)來看，不同比例乙醇水溶液的貫穿距在2 ms之后才表現(xiàn)出差距，這是由于噴霧前期貫穿距主要取決于射流慣性，后期乙醇蒸發(fā)速度更快，噴霧液滴所受空氣阻力增大，速度下降更快，貫穿距減小。

圖2 噴霧形態(tài)對(duì)比

圖3 噴霧貫穿距發(fā)展趨勢(shì)

不同比例乙醇水溶液噴霧索特平均直徑如圖4所示。乙醇的蒸發(fā)速率比水快，因此乙醇含量越高，噴霧粒徑越小，霧化質(zhì)量明顯改善，從純水到乙醇，SMD降低約28%。更高的霧化質(zhì)量一方面使得噴霧液滴跟隨性更好，有助于減小噴霧與氣道壁面碰撞概率，另一方面，噴霧在氣道內(nèi)部蒸發(fā)加快，有助于降低進(jìn)氣溫度。

圖4 噴霧粒徑對(duì)比

2 發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)及臺(tái)架測(cè)試設(shè)置

2.1 噴水試驗(yàn)樣機(jī)改制

基于某1.5 L中置直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)并改制了噴水發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表4所示。采用進(jìn)氣道噴水方式，噴水器布置在進(jìn)氣道下部，概念設(shè)計(jì)如圖5所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道外側(cè)加工噴水器安裝孔，采用1根水軌安裝固定4只噴水器(見圖6)。

表4 基礎(chǔ)汽油機(jī)參數(shù)

圖5 噴水概念設(shè)計(jì)

圖6 臺(tái)架試驗(yàn)布置

2.2 試驗(yàn)設(shè)置

臺(tái)架采用電渦流測(cè)功機(jī)，并配備尾氣排放測(cè)試儀。水泵壓力調(diào)節(jié)范圍0～2 MPa，試驗(yàn)過程中噴水壓力設(shè)定為1 MPa。水泵與水軌之間串連質(zhì)量流量計(jì)用于測(cè)試氣道噴射介質(zhì)流量，質(zhì)量流量計(jì)與油耗儀測(cè)試的質(zhì)量流量比值定義為介質(zhì)汽油比，即介質(zhì)噴射質(zhì)量與汽油噴射質(zhì)量的比值。

選擇3 000 r/min@1.4 MPa和5 500WOT工況開展臺(tái)架試驗(yàn)研究。3 000 r/min@1.4 MPa工況為當(dāng)量比燃燒，主要研究不同比例乙醇水溶液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響。5 500WOT工況為最大功率點(diǎn)，主要研究不同比例乙醇水溶液在抗爆震和降低排氣溫度方面的作用。保持負(fù)荷和排氣溫度與原機(jī)相同，通過增加乙醇水溶液噴射量，逐步調(diào)整點(diǎn)火提前角和空燃比，最終達(dá)到當(dāng)量比燃燒。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 燃燒過程

在3 000 r/min@1.4 MPa工況，保持原機(jī)控制參數(shù)不變，噴射不同比例的乙醇水溶液，研究其對(duì)燃燒速率的影響。如圖7所示，純水噴射情況下，由于噴水降低了缸內(nèi)溫度，燃燒速率隨之降低，50%放熱量相位(θCA50)隨噴水比例增加而不斷增大。純乙醇噴射情況下，隨著乙醇噴射比例增大，θCA50逐步減小，燃燒相位提前。乙醇噴射對(duì)燃燒速度有兩方面的影響，一方面降低缸內(nèi)溫度從而限制燃燒速率，另一方面乙醇燃料本身的燃燒速度高于汽油，且后者作用強(qiáng)于前者。噴射乙醇水溶液時(shí)，乙醇比例低于70%都會(huì)導(dǎo)致燃燒相位推后，因而燃燒相位不推后的臨界乙醇比例存在于70%～100%之間。

圖7 噴射介質(zhì)對(duì)燃燒相位的影響

在3 000 r/min@1.4 MPa工況，通過INCA將點(diǎn)火角調(diào)整到爆震極限點(diǎn)火角(保持相同爆震指數(shù))，如圖8所示，隨著介質(zhì)汽油比增加，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向降低，點(diǎn)火角均可以大幅度提前。不同噴射介質(zhì)點(diǎn)火角提前幅度略有不同，加入乙醇能夠獲得更大的點(diǎn)火提前角。

圖8 不同介質(zhì)噴射情況下點(diǎn)火角調(diào)整幅度

如圖9所示，由于點(diǎn)火提前，燃燒相位也大幅提前，有助于提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。乙醇比例越大，燃燒相位提前幅度越大。在60%介質(zhì)汽油比情況下，純水噴射可將θCA50從18°提前至12°，乙醇占比30%以上均可將θCA50提前到10°以內(nèi)，尤其是E100W0可將θCA50提前到6°。

圖9 不同介質(zhì)噴射情況下燃燒相位提前情況

3.2 介質(zhì)和燃油消耗量

在5 500WOT工況，原機(jī)過量空氣系數(shù)(lambda)為0.79，表明該工況有21%的燃油用于降低排氣溫度，而非燃燒做功。以原機(jī)不噴水工況為基礎(chǔ)(Base)，通過噴射不同比例的乙醇水溶液均可取消燃油加濃，實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比燃燒，且排氣溫度與原機(jī)基本保持一致(見圖10)。

圖10 不同介質(zhì)噴射情況下過量空氣系數(shù)和排氣溫度

為實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比燃燒，純水噴射時(shí)介質(zhì)消耗量約為22 kg/h，介質(zhì)汽油比為75.8%。隨著乙醇比例增大，介質(zhì)消耗總量逐漸降低，純乙醇噴射時(shí)介質(zhì)消耗量為18.7 kg/h,比純水降低了約15%。乙醇作為燃料，可替代部分汽油參與燃燒，因此隨著噴射介質(zhì)中乙醇占比增加，汽油消耗量下降，使得介質(zhì)汽油比逐漸增高(見圖11)。

圖11 不同介質(zhì)噴射情況下噴射介質(zhì)消耗情況

如圖12所示，純水噴射情況下點(diǎn)火角由原機(jī)的10°(點(diǎn)火上止點(diǎn)前)提前到27°，使得θCA50從19°提前到13°。隨著噴射介質(zhì)中乙醇比例的增加，點(diǎn)火提前角有所推后，由于乙醇加快燃燒速率，θCA50仍逐步提前。燃燒速率的提升導(dǎo)致缸內(nèi)峰值壓力逐漸上升，最高接近11 MPa，因此須考慮加強(qiáng)相關(guān)零部件的強(qiáng)度。

圖12 不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火角、θCA50和pmax

純水噴射情況下，由于燃燒相位改善和當(dāng)量比燃燒，燃油消耗量降低約24%。隨著噴射介質(zhì)中乙醇比例提高，乙醇參與燃燒使得汽油消耗大幅降低。乙醇噴射同時(shí)發(fā)揮了兩方面作用，通過蒸發(fā)吸熱降低缸內(nèi)溫度(與噴水相同)，作為燃料參與燃燒做功(與汽油相同)，因此隨著噴射介質(zhì)中乙醇占比增大，水、乙醇和汽油三者消耗總質(zhì)量逐步降低(見圖13)。

圖13 汽油、乙醇、水的消耗情況

乙醇熱值比汽油低，因此隨著噴射介質(zhì)中乙醇占比增大，汽油和乙醇總的質(zhì)量消耗率上升。若將汽油和乙醇的質(zhì)量統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成能量值，總的能量消耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率呈逐步上升趨勢(shì)(見圖14)。發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率從原機(jī)的25%提高到純水噴射時(shí)的33%，純乙醇噴射時(shí)進(jìn)一步提高到35%。

圖14 不同介質(zhì)噴射情況下有效熱效率和能量消耗率

3.3 排放

原機(jī)5 500WOT工況為加濃燃燒，混合氣中氧氣不足，因此，NOx排放較低，THC和CO排放高(見圖15)。噴射乙醇和水實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比燃燒后，NOx排放明顯上升，CO排放明顯下降，THC排放也有所降低。隨著噴射介質(zhì)中乙醇比例的增大，燃料中的氧增加，因此NOx排放逐步提升，THC排放逐漸下降，CO排放則變化不明顯。

圖15 不同介質(zhì)噴射情況下排放對(duì)比

3.4 曲軸箱壓力

在噴水試驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)，隨著噴水比例增加，由于部分水汽通過活塞間隙進(jìn)入曲軸箱，在曲軸箱內(nèi)迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致曲軸箱壓力上升(見圖16)。在5 500WOT工況噴水量比較大，曲軸箱壓力上升明顯，過高的曲軸箱壓力會(huì)導(dǎo)致軸封密封失效，同時(shí)導(dǎo)致油氣外泄。隨著乙醇比例增加，噴射介質(zhì)中水占比減少，曲軸箱壓力逐步降低，有效緩解了噴水導(dǎo)致的曲軸箱壓力上升問題。

圖16 不同噴射介質(zhì)對(duì)曲軸箱壓力的影響

4 結(jié)論

a) 隨著乙醇比例提高，噴霧貫穿距縮短，噴霧霧化質(zhì)量改善，降低了氣道碰壁風(fēng)險(xiǎn)；

b) 在水中加入乙醇能夠提高燃燒速度，使得燃燒相位提前，有利于提高燃燒效率；

c) 不同比例乙醇水溶液均可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量比燃燒，乙醇可同時(shí)發(fā)揮蒸發(fā)降溫和燃燒做功兩方面功能，大幅降低油耗的同時(shí)降低水的消耗；

d) 在5 500WOT工況，噴射乙醇能改善THC排放，增加NOx排放，改善由噴水引起的曲軸箱壓力升高問題。