龔世華，張雨生，劉豐年，龔英利，劉昌文 ，衛(wèi)海橋

(1.北京福田康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，北京 102206；2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

甲醇是一種可再生的清潔能源，被認(rèn)為是未來(lái)最有前途的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料之一[1-3]，在化石能源時(shí)期可以以相對(duì)較低的成本從煤、天然氣和植物中生產(chǎn)合成，而在可再生能源時(shí)代，甲醇則可以由大氣中CO2和經(jīng)過(guò)電解或者由光解水產(chǎn)生的氫氣以及可再生的生物資源來(lái)合成。甲醇作為極具潛力的替代燃料具有許多理想的燃燒特性：辛烷值高，抗爆性能好；汽化潛熱高，允許高密度的燃料-空氣混合氣充量；稀燃性能好；便于運(yùn)輸儲(chǔ)存。這些特性使甲醇成為奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)質(zhì)燃料[2-3]。因而甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要研究方向。

預(yù)燃室射流點(diǎn)火是一種高能點(diǎn)火方式，可以提高火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⑻嵘l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性和熱效率。這種點(diǎn)火方式基于一個(gè)容積較小的預(yù)燃室，預(yù)燃室中安裝有火花塞以點(diǎn)燃預(yù)燃室內(nèi)的混合氣，在預(yù)燃室內(nèi)火焰到達(dá)與主燃室相連的射流孔時(shí)，會(huì)因射流孔的節(jié)流作用而使火焰大大加速，并且使火焰發(fā)生撕裂或淬息，從而形成強(qiáng)烈的高溫活性物質(zhì)射流，進(jìn)一步點(diǎn)燃主燃燒室內(nèi)的可燃混合氣[4-5]。主動(dòng)供油的預(yù)燃室還會(huì)在預(yù)燃室中安裝小流量噴油器，從而在預(yù)燃室內(nèi)形成比主燃燒室更濃的混合氣，以提高對(duì)稀燃工況的適應(yīng)性?；陬A(yù)燃室射流點(diǎn)火的優(yōu)良特性，某些學(xué)者已經(jīng)將預(yù)燃室射流點(diǎn)火引入甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域開展相關(guān)研究。Wei等[6]在定容燃燒彈中研究了甲醇射流點(diǎn)火的稀薄燃燒特性，發(fā)現(xiàn)通過(guò)預(yù)燃室產(chǎn)生射流可以提高甲醇混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并且射流速度?huì)隨著射流孔直徑的減小而加快。Wang等[7]在定容燃燒彈中通過(guò)甲醇射流可視化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相對(duì)比于火花塞點(diǎn)火方式來(lái)說(shuō)，射流點(diǎn)火能夠縮短甲醇火焰72%的主燃期，同時(shí)提高8%的燃燒效率；加大預(yù)燃室體積占比能夠噴出更多的活性基團(tuán)，射流介質(zhì)攜帶能量更大，但是相較于容積較小的預(yù)燃室設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，射流火焰出口時(shí)間將有所推遲，主燃燒室內(nèi)混合氣點(diǎn)燃時(shí)間被推遲；預(yù)燃室內(nèi)應(yīng)保持略濃狀態(tài)，使得射流介質(zhì)以最快速度噴出。Leng等[8]通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬將預(yù)燃室應(yīng)用于大缸徑甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)預(yù)燃室射流點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)了主燃燒室內(nèi)的分布式多點(diǎn)點(diǎn)火，點(diǎn)燃了過(guò)量空氣系數(shù)高達(dá)2.8的稀薄甲醇混合氣。以上研究表明，預(yù)燃室射流點(diǎn)火對(duì)于甲醇燃料也具明顯的燃燒加速作用，有助于甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒等清潔高效燃燒模式，提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并且射流孔徑和預(yù)燃室混合氣濃度等參數(shù)對(duì)射流點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有較大的影響。

而由于甲醇的沸點(diǎn)(338 K)高于汽油的初始沸點(diǎn)(約313 K)，并且具有低蒸氣壓和高汽化潛熱的性質(zhì)，這直接導(dǎo)致了火花點(diǎn)火(SI)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低環(huán)境溫度下出現(xiàn)難以啟動(dòng)的問(wèn)題[9-10]。冷起動(dòng)期間，環(huán)境溫度較低導(dǎo)致進(jìn)氣溫度、機(jī)體溫度較低，極少的燃油蒸發(fā)進(jìn)入主燃燒室，而前幾個(gè)循環(huán)的混合氣制備對(duì)于進(jìn)氣道燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是十分重要的[11]，這使得低溫下的SI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)相比汽油機(jī)更難實(shí)現(xiàn)冷起動(dòng)[12-13]。冷起動(dòng)失敗意味著大量失火循環(huán)的產(chǎn)生，將會(huì)產(chǎn)生大量的CO、HC以及未燃甲醇排放，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

為了解決甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)困難問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)失敗的主要原因是主燃燒室內(nèi)混合氣過(guò)于稀薄，普通的火花塞無(wú)法成功點(diǎn)燃稀薄混合氣[14-15]。提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的方法包括進(jìn)氣歧管加熱、氫氣或液化石油氣燃料摻燒、進(jìn)氣充量加熱和燃料加熱[16-19]。目前對(duì)于點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)特性和冷起動(dòng)優(yōu)化策略的研究都是基于火花塞點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的，而射流點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)與火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和燃燒過(guò)程差異較大，目前尚無(wú)研究關(guān)注預(yù)熱室參數(shù)對(duì)甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的冷機(jī)著火性能的影響。因此，有必要進(jìn)行預(yù)燃室射流點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能研究，其中特別需要研究預(yù)燃室射流點(diǎn)火裝置特有的射流孔徑等預(yù)燃室?guī)缀螀?shù)和預(yù)燃室噴油時(shí)刻和噴油量等預(yù)燃室噴油參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)單缸、四沖程、水冷Ricardo E6發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而成。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量、噴油時(shí)刻和噴油壓力通過(guò)一套自制的電控系統(tǒng)進(jìn)行控制，點(diǎn)火時(shí)刻通過(guò)MoTeC 400進(jìn)行調(diào)節(jié)，詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。在本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)采用無(wú)水甲醇作為燃料。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩、燃油消耗量、進(jìn)氣質(zhì)量流量、缸內(nèi)壓力、過(guò)量空氣系數(shù)以及主要排放物濃度。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)與一臺(tái)直流電力測(cè)功機(jī)相連，由該測(cè)功機(jī)控制和測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩。過(guò)量空氣系數(shù)利用Bosch LSU4.9系列寬域氧傳感器測(cè)量。燃油消耗通過(guò)一臺(tái)量程為5 kg/h的燃油質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。冷卻液和潤(rùn)滑油溫度通過(guò)K型熱電偶進(jìn)行測(cè)量，并利用西門子PID溫度控制器進(jìn)行控制，控制誤差為±2 ℃。進(jìn)氣質(zhì)量流量由同圓LFE060空氣質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。缸內(nèi)壓力信號(hào)通過(guò)Kistler 6118B缸壓傳感器進(jìn)行采集，并通過(guò)Kistler 5018電荷放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后傳輸至燃燒分析儀。在曲軸上安裝的高精度光電編碼器的協(xié)同工作下，缸壓信號(hào)以0.1°的采樣間隔進(jìn)行采集。排氣中的CO、HC和NOx由Horiba排放分析儀進(jìn)行分析。試驗(yàn)中所用的采集設(shè)備的分辨率和測(cè)試誤差見表2。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意

表2 測(cè)試設(shè)備的基本參數(shù)

本試驗(yàn)采用了如圖2所示的預(yù)燃室射流點(diǎn)火裝置，該裝置具有一個(gè)火花塞、一個(gè)噴油器、一個(gè)帶射流孔的預(yù)燃室和預(yù)燃室加熱帶。為了避免預(yù)燃室由于較大的表面積造成過(guò)多的傳熱損失和節(jié)流損失，采用了小容積預(yù)熱室設(shè)計(jì)?；鸹ㄈ蛧娪推鞴餐稍谠撗b置中以保證稀燃或冷起動(dòng)工況預(yù)熱室內(nèi)的可靠著火?？紤]到預(yù)燃室容積較小，預(yù)燃室內(nèi)燃油供給量也較小，一般不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量的10%，現(xiàn)有商用噴油器無(wú)法滿足預(yù)熱室內(nèi)低流量燃油精確控制的需求。因此在本研究中采用激光焊接的方式對(duì)Bosch六孔電磁式直噴噴油器進(jìn)行改造，將其中5個(gè)孔堵住，剩一個(gè)朝向火花塞方向的噴孔，再配合自主開發(fā)的噴油器驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)最低0.19 ms的噴油脈寬，最低單次噴油量約為0.5 mg，滿足在冷起動(dòng)邊界條件下低進(jìn)氣充量所需要的低燃油流量。

圖2 預(yù)燃室射流點(diǎn)火裝置及其在主燃燒室的安裝位置

1.2 試驗(yàn)方法和測(cè)試工況

在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)一般先由起動(dòng)電機(jī)倒拖直至起動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速存在一個(gè)非線性的加速過(guò)程。對(duì)于本試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，活塞做功和起動(dòng)電機(jī)做功耦合所導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程會(huì)給試驗(yàn)帶來(lái)諸多不確定性，而本試驗(yàn)的目的主要是探究不同的預(yù)燃室參數(shù)條件下，預(yù)熱室射流點(diǎn)火甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的著火性能，故本試驗(yàn)基于800 r/min的起動(dòng)轉(zhuǎn)速[15]開展，試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)著火性能同樣可以很好地反映實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的冷起動(dòng)能力。需要指出的是，本研究用“著火性能”一詞來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，定義為發(fā)動(dòng)機(jī)成功實(shí)現(xiàn)第一次缸內(nèi)點(diǎn)火燃燒以及達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的能力。

試驗(yàn)中的冷機(jī)著火測(cè)試方法具體為：首先將發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖至800 r/min的起動(dòng)轉(zhuǎn)速，同時(shí)將節(jié)氣門調(diào)整到冷起動(dòng)所需的小節(jié)氣門角，約為5%節(jié)氣門角，并在之后的試驗(yàn)運(yùn)行中保持不變。等待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定一段時(shí)間后，同時(shí)開啟點(diǎn)火與噴油功能，并向采集電腦發(fā)出缸壓信號(hào)。在冷機(jī)著火試驗(yàn)過(guò)程中，為了盡可能減少主燃燒室內(nèi)的熱量損失，促進(jìn)著火成功率，冷卻水循環(huán)處于關(guān)閉狀態(tài)，缸套冷卻水不流動(dòng)，這與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)時(shí)采用的策略相同。為了保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，每個(gè)邊界條件下的試驗(yàn)都會(huì)重復(fù)三遍。每次測(cè)試結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油倒拖幾分鐘，同時(shí)開啟冷卻水循環(huán)，將上一次試驗(yàn)中累積的熱量帶走，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度與進(jìn)氣溫度保持基本相同并穩(wěn)定不變后再進(jìn)行下一次試驗(yàn)，從而保證在相同邊界條件下的每次試驗(yàn)都具有相同的初始狀態(tài)。

為了檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)從開始噴油點(diǎn)火至穩(wěn)定燃燒這一段瞬態(tài)過(guò)程，本研究采用平均指示壓力(IMEP)作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。采用平均指示壓力而沒(méi)有采用平均有效壓力是因?yàn)樵诶錂C(jī)著火這一瞬態(tài)測(cè)量過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的數(shù)值傳遞并不夠準(zhǔn)確且存在滯后，而缸壓測(cè)量是實(shí)時(shí)的，不存在滯后，因此采用基于缸壓計(jì)算得到的平均指示壓力作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。當(dāng)平均指示壓力隨著循環(huán)數(shù)的增加沒(méi)有明顯波動(dòng)時(shí)，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。測(cè)試工況見表3。

表3 測(cè)試工況參數(shù)設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 預(yù)燃室孔徑及孔結(jié)構(gòu)對(duì)著火性能的影響

如圖3所示，使用預(yù)燃室點(diǎn)火裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣歧管開始噴油的數(shù)個(gè)循環(huán)之后實(shí)現(xiàn)了第一次成功點(diǎn)火，但第一次成果點(diǎn)火和穩(wěn)定點(diǎn)火之間出現(xiàn)了點(diǎn)火與失火交替的現(xiàn)象，表現(xiàn)為IMEP大幅度振蕩。這種現(xiàn)象主要是因?yàn)轭A(yù)燃室較為封閉，在一次成功著火之后，預(yù)燃室中不僅有預(yù)燃室燃燒產(chǎn)生的廢氣，還會(huì)存在主燃燒室燃燒后回流進(jìn)預(yù)燃室的廢氣。這些廢氣在排氣循環(huán)中不能很好地排出預(yù)燃室，只能依靠進(jìn)氣循環(huán)活塞下行過(guò)程將一部分廢氣帶出預(yù)燃室。不可避免的是，預(yù)燃室中會(huì)殘余一部分廢氣，這就直接導(dǎo)致了一次成功點(diǎn)火之后的下一循環(huán)會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)火困難的情況，進(jìn)而產(chǎn)生失火循環(huán)。

圖3 不同預(yù)燃室孔徑和孔結(jié)構(gòu)條件下前100個(gè)循環(huán)的平均指示壓力

當(dāng)預(yù)燃室使用單孔2 mm的孔徑時(shí)，預(yù)熱室射流點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火后會(huì)出現(xiàn)大量的失火循環(huán)，并且在第一次成功點(diǎn)火后出現(xiàn)了持續(xù)性的IMEP振蕩現(xiàn)象，在兩個(gè)著火循環(huán)之間平均會(huì)出現(xiàn)3～4個(gè)失火循環(huán)。對(duì)比圖4與圖5中出現(xiàn)IMEP振蕩現(xiàn)象時(shí)的連續(xù)缸壓曲線可以看出，射流孔徑較小時(shí)，失火循環(huán)顯著多于射流孔徑加大的工況。縮小預(yù)燃室射流孔孔徑降低了預(yù)熱室射流點(diǎn)火器的點(diǎn)火性能。這一方面是由于更小的孔徑導(dǎo)致火焰在通過(guò)射流孔的時(shí)候發(fā)生了更多的淬息現(xiàn)象，容易導(dǎo)致火焰熄滅；另一方面由于射流孔徑減小使得預(yù)燃室內(nèi)上一循環(huán)產(chǎn)生的廢氣排出更加困難，需要經(jīng)過(guò)3～4個(gè)循環(huán)的氣流運(yùn)動(dòng)才能使預(yù)燃室內(nèi)重新達(dá)到可燃環(huán)境，預(yù)燃室無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定點(diǎn)火。結(jié)果表明孔徑2 mm的單孔預(yù)燃室無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖4 使用單孔2 mm預(yù)燃室時(shí)，第14至第25循環(huán)的連續(xù)缸壓曲線

圖5 使用單孔4 mm預(yù)燃室時(shí)，第11至第22循環(huán)的連續(xù)缸壓曲線

觀察單孔4 mm、單孔6 mm及三孔2.3 mm預(yù)燃室冷機(jī)著火過(guò)程的IMEP趨勢(shì)，可以看出，這三種預(yù)燃室所表現(xiàn)出的冷機(jī)著火模式基本相同，在開始噴油數(shù)個(gè)循環(huán)之后產(chǎn)生第一次成功點(diǎn)火，并經(jīng)過(guò)3～5次失火—點(diǎn)火—失火循環(huán)后，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。其中具有相同總流通面積的單孔4 mm及三孔2.3 mm預(yù)熱室起動(dòng)過(guò)程相似程度極高，均在第9個(gè)循環(huán)第一次成功點(diǎn)火，并同時(shí)在第18個(gè)循環(huán)之后達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。而使用單孔6 mm預(yù)燃室的試驗(yàn)組冷機(jī)著火性能最佳，在第13個(gè)循環(huán)之后就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定點(diǎn)火。射流孔流通總面積隨著預(yù)熱室孔徑和射流孔數(shù)量的增加而增大，出現(xiàn)的失火—點(diǎn)火—失火循環(huán)數(shù)逐漸減小，這進(jìn)一步表明IMEP振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是預(yù)燃室內(nèi)部的廢氣不能很好地排出，而射流孔流通總面積的增大提高了預(yù)燃室與主燃燒室的換氣效率，改善了預(yù)燃室中的混合氣狀態(tài)，從而改善了預(yù)燃室的點(diǎn)火性能。

圖6示出不同預(yù)燃室孔徑和孔結(jié)構(gòu)條件下，前100個(gè)循環(huán)的最高燃燒壓力及其對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的對(duì)比。可以看出，使用單孔6 mm預(yù)燃室的最高燃燒壓力出現(xiàn)最為集中，這說(shuō)明每個(gè)點(diǎn)火循環(huán)之間的燃燒過(guò)程差異較小，燃燒穩(wěn)定性強(qiáng)，這主要是因?yàn)轭A(yù)燃室換氣充分，產(chǎn)生射流火焰能量高，使得氣缸內(nèi)燃料燃燒充分，不存在未燃甲醇。使用單孔2 mm預(yù)燃室時(shí)，出現(xiàn)接近3 MPa的最高燃燒壓力，明顯高于使用其他預(yù)燃室的測(cè)試工況。結(jié)合圖3可以看出，這些著火循環(huán)出現(xiàn)在失火循環(huán)之間，多次失火循環(huán)導(dǎo)致預(yù)燃室以及主燃燒室內(nèi)積累大量的甲醇燃料，使得成功點(diǎn)火后產(chǎn)生強(qiáng)力的射流火焰并引燃過(guò)量的甲醇混合氣，最高燃燒壓力增加。

圖6 不同預(yù)燃室孔徑和孔結(jié)構(gòu)條件下，前100個(gè)循環(huán)的最高燃燒壓力及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角

2.2 預(yù)燃室噴射時(shí)刻和噴油量對(duì)著火性能的影響

主動(dòng)式預(yù)燃室射流點(diǎn)火(TJI)系統(tǒng)使用獨(dú)立的噴油器供油，噴油時(shí)刻對(duì)預(yù)燃室內(nèi)混合氣的形成起關(guān)鍵作用。圖7示出不同預(yù)燃室噴射時(shí)刻下前100個(gè)循環(huán)的平均指示壓力變化。由圖7可以看出，各個(gè)工況下IMEP的變化趨勢(shì)十分相似，都經(jīng)歷了“失火—失火著火振蕩—穩(wěn)定著火”這一發(fā)展過(guò)程，同時(shí)第一次成功著火循環(huán)出現(xiàn)的時(shí)刻也大致相同，說(shuō)明預(yù)燃室燃油噴射時(shí)刻對(duì)于甲醇TJI的冷機(jī)著火性能的影響并不關(guān)鍵。

圖7 不同預(yù)燃室噴射時(shí)刻條件下，前100個(gè)循環(huán)的平均指示壓力

圖8示出不同預(yù)燃室噴射時(shí)刻下，前100個(gè)循環(huán)的最高燃燒壓力及其相位。由圖8可看出，4個(gè)噴射時(shí)刻下最高燃燒壓力的分布規(guī)律區(qū)別不大，此種現(xiàn)象也表明冷邊界條件下預(yù)燃室的噴射時(shí)刻對(duì)預(yù)熱室射流點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷機(jī)著火性能影響不大。這是由于在25 ℃的冷機(jī)狀態(tài)下，最初幾個(gè)循環(huán)噴入預(yù)燃室中的甲醇并沒(méi)有完全蒸發(fā)，而是逐漸積累在預(yù)燃室內(nèi)直至甲醇濃度達(dá)到可燃條件，實(shí)現(xiàn)第一次成功著火循環(huán)。所以第一次著火循環(huán)的出現(xiàn)更多地與預(yù)燃室內(nèi)甲醇噴射量有關(guān)，而與噴射時(shí)刻關(guān)系不大。該結(jié)果與預(yù)燃室射流點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)燃燒的經(jīng)驗(yàn)略有不同，在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中，預(yù)熱室環(huán)境溫度較高，噴入預(yù)燃室的燃油能夠以較快的速度蒸發(fā)形成燃油蒸氣，因此預(yù)燃室內(nèi)過(guò)早的燃油噴射會(huì)導(dǎo)致混合氣隨著活塞下行被泵出預(yù)燃室，而過(guò)晚噴油則會(huì)導(dǎo)致燃油蒸發(fā)時(shí)間不足，導(dǎo)致預(yù)燃室內(nèi)混合氣濃度不足。

圖8 不同預(yù)燃室噴射時(shí)刻條件下，前100個(gè)循環(huán)的最高燃燒壓力及其相位

通過(guò)控制噴油器的脈寬來(lái)改變預(yù)燃室內(nèi)甲醇噴射量，進(jìn)一步研究預(yù)燃室內(nèi)甲醇噴射量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響。圖9示出不同預(yù)燃室噴油量條件下前100個(gè)循環(huán)的平均指示壓力的變化趨勢(shì)。由圖9可以看出，隨著預(yù)燃室噴油量增加，首次成功點(diǎn)火循環(huán)逐漸提前，當(dāng)預(yù)燃室內(nèi)循環(huán)噴油量增加至4 mg時(shí)，在第5個(gè)循環(huán)就出現(xiàn)了第一次著火循環(huán)。圖10示出前100個(gè)循環(huán)的CA50和燃燒持續(xù)期，可以看出預(yù)燃室噴油量增加至4 mg可以使穩(wěn)定著火初期的CA50明顯提前，而對(duì)燃燒持續(xù)期影響不明顯。這種現(xiàn)象說(shuō)明向預(yù)燃室內(nèi)加濃噴油的做法會(huì)使預(yù)燃室內(nèi)積累燃油的速率加快，甲醇油膜蒸發(fā)出足量的甲醇蒸氣，在預(yù)燃室內(nèi)形成理想的可燃混合氣從而縮短了冷機(jī)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間。

圖9 不同預(yù)燃室噴油量條件下前100個(gè)循環(huán)的平均指示壓力

圖10 不同預(yù)燃室噴油量條件下前100個(gè)循環(huán)的CA50與燃燒持續(xù)期

3 結(jié)論

a) 預(yù)熱室射流點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在25 ℃卻水溫度條件下，進(jìn)氣歧管開始噴油后的數(shù)個(gè)循環(huán)之后才會(huì)出現(xiàn)第一個(gè)成功點(diǎn)火循環(huán)，而從首次成功點(diǎn)火循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)之間存在成功點(diǎn)火與失火交替出現(xiàn)的過(guò)渡狀態(tài)，表現(xiàn)為IMEP的大幅度振蕩；

b) 射流孔的總流通面積與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能相關(guān)，單孔2 mm預(yù)燃室流通面積過(guò)小，一方面由于射流速度過(guò)高導(dǎo)致火焰容易淬滅，另一方面由于換氣困難，廢氣無(wú)法有效排出，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不能進(jìn)入穩(wěn)定著火狀態(tài)；單孔4 mm與三孔2.3 mm預(yù)燃室射流孔流通面積相同，起動(dòng)性能也基本相同，優(yōu)于單孔2 mm預(yù)燃室；而單孔6 mm的預(yù)燃室冷機(jī)著火性能最好，這得益于其射流孔截面積較大，在活塞下行時(shí)可以有效地進(jìn)行廢氣排出，預(yù)燃室可以產(chǎn)生穩(wěn)定的射流火焰；

c) 預(yù)燃室噴射時(shí)刻對(duì)首次成功點(diǎn)火循環(huán)的出現(xiàn)時(shí)刻幾乎不產(chǎn)生影響，對(duì)射流點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷機(jī)著火性能影響不大；而提高預(yù)燃室噴油量則可以明顯提前成功著火循環(huán)出現(xiàn)的時(shí)刻，并使著火初期的燃燒相位提前，可有效改善射流點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能。