不同負荷下噴射時刻對重油發動機性能的影響

楊白凡,楊海青，劉　銳

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京　210016)

?

不同負荷下噴射時刻對重油發動機性能的影響

楊白凡,楊海青，劉銳

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京210016)

摘要：針對某型采用空氣輔助燃油噴射系統的二沖程直噴重油發動機，通過試驗研究了在中間轉速小負荷與高轉速大負荷工況下噴射時刻對直噴重油發動機動力性、經濟性以及排氣溫度的影響。試驗結果表明：在小負荷工況下，隨著噴射時刻的提前，功率增大，油耗率降低，排氣溫度隨負荷的加大下降幅度增大；在大負荷工況下，隨著噴射時刻的提前，雖然存在1個或多個不穩定運行工況點，但總體上功率先增大后減小，油耗率先下降后上升，排氣溫度先下降后回升，可調整噴射時刻范圍較大。

關鍵詞：二沖程點燃式發動機；重油；缸內直噴；發動機性能；噴射時刻

二沖程點燃式活塞發動機以其具有高功重比、結構緊湊、體積小、質量輕、易維護等特點，廣泛應用于輕型航空飛行器、舷外機、雪地車以及便攜式發電機等對機動性要求較高的場合。相比汽油燃料，重油具備閃點高、不易揮發、易獲取等特點，使其在燃料儲運、使用安全及價格上有較大優勢[1]。結合重油與二沖程點燃式發動機的特點，點燃式重油發動機有著較好的應用前景。在環境溫度較低時，重油燃料蒸發性差、黏度大，難以在缸內形成可燃混合氣，冷起動困難[2]，且受制于火花塞積碳的問題，使得點燃式重油發動機的發展受到限制[3]。隨著電控技術的發展以及缸內直噴技術的和配套的先進燃燒系統的出現，使得二沖程點燃式發動機能通過對噴油時刻的控制，減輕或消除傳統二沖程發動機在掃氣過程中存在的燃油短路損失以及排氣損失，提高了燃油經濟性，減輕了HC排放，具有重要的應用價值[4]。

目前，國外對二沖程點燃式缸內直噴重油發動機有較全面的研究，擁有成熟的燃油霧化、缸內流動以及缸內直噴燃燒技術[5]。其中，缸內直噴系統主要分為空氣輔助燃油噴射系統與高壓燃油噴射系統兩類。高壓燃油噴射系統由于受到結構的限制，難以在結構緊湊的二沖程發動機上得到應用。澳大利亞Orbital公司生產的空氣輔助燃油噴射系統(air-assist direct injection system)具備極好的燃油霧化效果、緊湊的布局方式以及對活塞頂部形狀無特殊要求的特點，應用最為廣泛[6]。國內學者近年來的研究主要針對二沖程點燃式直噴汽油機，如天津大學的楊延相、蔡曉林[7]對FAI二沖程直噴汽油機性能進行了全面的研究。但對于二沖程點燃式重油發動機的研究尚處于起步階段，大多數研究尚停留在數值仿真。石允、寧智[8]對二沖程點燃式直噴重油發動機缸內混合氣的形成進行了數值模擬研究，確定了對重油混合氣形成的影響因素。王永偉等[9]對空氣輔助二沖程直噴發動機的點火及噴油正時控制策略進行了初步研究。

對于二沖程點燃式直噴重油發動機，燃油噴射時缸內的環境溫度以及燃油持續蒸發時間對可燃混合氣形成速率以及缸內可燃混合氣數量有著至關重要的影響，是二沖程缸內直噴重油發動機開發過程中重點關注的因素。

點燃式重油活塞發動機中的重油指的是航空煤油(JP5、JP8)或輕質柴油[10]。其中，輕質柴油在市場上最為常見，便于獲取，價格低廉。本文對某型二沖程點燃式進氣道噴射汽油發動機進行直噴化改造，采用0號柴油作為燃料。通過實驗的方法，分別研究了在小負荷與大負荷工況下噴射時刻對直噴重油發動機動力性能、燃油經濟性以及排氣溫度的影響。

1直噴燃燒系統設計及改造

1.1空氣輔助燃油噴射技術

直噴重油試驗樣機采用AADI直噴技術。如圖1所示，空氣輔助燃油噴射系統由2部分組成：① 燃油計量噴嘴，類似于進氣道噴射使用的燃油計量噴嘴；② 氣質霧化噴嘴(直噴噴嘴)。燃油計量噴嘴將一定壓力的燃油(0.75～0.90 MPa)噴入與氣質霧化噴嘴之間的交界處，并與一定壓力的空氣(0.50～0.65 MPa)進行初次混合，氣質霧化噴嘴再將油氣混合物通過噴嘴內部通道進行二次混合后將其噴入氣缸內。氣質霧化噴嘴出口氣體速度達到超音速水平，強大的氣動力促使油束分裂、霧化，燃油的索特平均直徑(SMD)可達5～8 μm，有利于促進可燃混合氣的形成，且對燃油種類不敏感[11]。在低速小負荷工況下，采用較晚的噴射時刻使缸內形成高度分層的稀薄混合氣，有利于提高發動機的燃油經濟性以及冷起動性能。在高速大負荷工況下，采用較早的噴射時刻，缸內為均質混合氣，可確保發揮發動機的動力性能[12]。

1.2燃燒室與直噴化改造

原型機為某型直列三缸二沖程進氣道噴射汽油機。在試驗樣機的直噴化改造過程中，對原型機的機體、曲軸箱、配氣相位、進/排氣系統、潤滑系統及主要附件配件不進行改動，將燃燒室形狀由對稱盆形改為偏置深坑浴盆形，并重新設計直噴缸蓋以及油/氣共軌裝置用于AADI直噴系統的布置。表1為直噴化改造前后發動機主要參數對比。

圖1　空氣輔助噴射原理

表1　直噴化改造前后發動機主要參數對比

2試驗設備及試驗方案

2.1試驗設備

主要試驗設備如表2所示。圖2為直噴重油試驗樣機臺架示意圖。圖3為試驗搭建的發動機臺架系統實物。

表2　主要試驗設備

圖2　直噴重油試驗樣機臺架示意圖

圖3　直噴重油發動機臺架系統實物

2.2試驗方案

在中間轉速小負荷工況下，盡量選擇較晚的噴射時刻，在缸內形成分層可燃混合氣，有利于燃料的燃燒。在高速大負荷工況下，由于燃油噴射量的增大，需要有足夠的時間供燃油蒸發，應選擇較早的噴射時刻。節氣門開度在20%～28%時為小負荷工況，相應選擇50°～110°CA BTDC的噴氣結束角；節氣門開度在41%～55%時為大負荷工況，相應選擇80°～180°CA BTDC的噴氣結束角，以保證燃油有充足的時間在缸內進行蒸發。AADI直噴噴嘴向缸內噴射的為燃油與空氣的混合物。定義噴氣結束角出現時為缸內噴射結束時刻，噴油時刻為燃油計量噴嘴的噴射時刻。

圖4為典型AADI直噴系統的噴射次序。表3為相應負荷下的試驗工況點。

圖4　AADI直噴系統噴射次序圖

表3　試驗工況點

試驗過程中主要調整的參數為噴氣結束時刻，控制其他參數保持一致，其中點火提前角θ為25°CA BTDC，噴氣脈寬為3 ms，油氣間隔為1 ms，充磁脈寬為5 ms。在小負荷與大負荷各工況下，保持相應的噴油脈寬不變。

3試驗結果及分析

3.1在中間轉速小負荷工況下噴射時刻對發動機性能的影響

3.1.1噴氣結束角對功率的影響

從圖5可知：對于工況點1，2，3，隨著噴氣結束時刻的提前，發動機的有效功率隨之增大。節氣門開度越大，有效功率上升的幅度就越大，可調整噴氣結束角的范圍也越大。這是因為：噴氣結束角越大，缸內燃油實際蒸發時間就越大，形成的可燃混合氣數量也就越多；節氣門開度越大，進氣節流損失就越小，充氣效率就越高，有效功率上升幅度也就越大。

圖5　在工況點1，2，3輸出功率隨噴氣結束角的變化

3.1.2噴氣結束角對排氣溫度的影響

排氣溫度反映了燃燒過程結束時發動機氣缸內的溫度。排氣溫度過高表明發動機燃燒過慢。柴油燃燒為擴散性燃燒，火焰傳播速率較慢。火焰傳播速率主要與可燃混合氣形成速率以及缸內湍流強度有關。可燃混合氣形成速率越快，缸內湍流強度就越大，火焰傳播速率就越快，燃燒過程中后燃期就越短，排氣溫度也就越低。

從圖6可知：在工況點1，排氣溫度隨噴氣結束時刻的提前先上升后下降，且變化幅度不大；在工況點2，3，排氣溫度隨噴氣結束時刻的提前先大幅度下降后小幅度回升。這說明，適當提前噴氣結束時刻可以加快可燃混合氣形成速率，降低缸內燃燒終了溫度，但過早的噴氣時刻會使缸內燃燒情況惡化，排氣溫度上升。此外，在節氣門開度很小時，進氣節流損失很大，缸內湍流強度較小，不利于火焰的傳播。可見，對于工況點1，增大噴氣結束角可以加快混合氣形成速率，但缸內較弱的湍流強度是影響排氣溫度的主要因素。

3.1.3噴氣結束角對油耗率的影響

從圖7可知：對于工況點1，2，3，隨著噴氣結束時刻的提前，發動機的油耗率隨之下降，但整體油耗較大。在試驗過程中，同一工況下噴油量不變，油耗率與輸出功率成反比，隨著有效功率的上升，油耗率相應減小。在小負荷工況下，節氣門開度小，充氣效率較低，不易發揮發動機的動力性能，因此油耗普遍偏大。不過，適當提前缸內噴射時刻可以在一定程度上降低油耗。

圖6　在工況點1，2，3排氣溫度隨噴氣結束角的變化

圖7　在工況點1，2，3油耗率隨噴氣結束角的變化

3.2在高轉速大負荷工況下噴射時刻對發動機性能的影響

在高轉速大負荷工況下，由于可用噴射時間的縮短以及燃油噴射量的增大，必須提前缸內噴射時刻。這樣就造成一定量的燃油是在排氣口關閉前噴射，存在一定的燃油短路損失。在試驗過程中發現：在相應工況下存在某幾個噴氣結束時刻，發動機不能穩定運行。表4為在工況點4，5，不同噴氣結束時刻試驗樣機的運行狀態。

這說明，隨著噴氣時刻的提前，燃油短路損失并不是線性增加，而是在某些時刻存在較大燃油短路損失，即使燃油蒸發時間加長，可燃混合氣數量有所增加，但實際停留在缸內的可燃混合氣數量也無法維持發動機穩定運轉。

表4　直噴試驗樣機運行狀態

○代表穩定運行，●代表無法穩定運行。

3.2.1噴氣結束角對功率的影響

從圖8可知：對于工況點4，在噴氣結束角由80°CA BTDC增至140°CA BTDC的過程中，輸出功率上升；當噴氣結束角為150°CA BTDC時，輸出功率下降明顯，此時燃油短路損失較大，但缸內實際可燃混合氣數量仍能維持發動機穩定運行；在噴氣結束角由150°CA BTDC增至180°CA BTDC的過程中，輸出功率先上升后下降。對于工況點5，在噴氣結束角由90°CA BTDC增至150°CA BTDC的過程中，輸出功率明顯上升；在噴氣結束角由150°CA BTDC增大至180°CA BTDC的過程中，輸出功率逐漸下降。

圖8　在工況4，5輸出功率隨噴氣結束角的變化

這說明在大負荷工況下，輸出功率并不是隨著噴氣時刻的提前持續增大。在合適的較早噴氣時刻下，可燃混合氣的增量比例最大，缸內實際可燃混合氣數量增加，有利于提升發動機的動力性能。

3.2.2噴氣結束角對排氣溫度的影響

由圖9可知：在工況點4，5，隨著噴氣結束時刻的提前，排氣溫度先大幅度下降，后小幅回升。其中在工況點4，噴氣結束時刻較晚時，即噴氣結束角為80°CA BTDC時，排氣溫度高達707 ℃。當噴氣結束角為150°CA BTDC時，排氣溫度為617 ℃，下降70 ℃。對于工況點5，排氣溫度下降幅度也較大，為48 ℃。

本試驗樣機的原型機要求發動機的排氣溫度不超過680 ℃，過高的排氣溫度會導致發動機氣缸壁面溫度過高，使油膜受損、傳熱增加、缸蓋和活塞頂溫度升高，造成發動機高溫粘缸、損壞發動機的重大事故。適當提前的噴射時刻有利于降低排氣溫度，使發動機工作在安全溫度范圍內。

圖9　在工況點4，5排氣溫度隨噴氣結束角的變化

3.2.3噴氣結束角對油耗率的影響

由圖10可知：對于工況點4，在噴氣結束角由80°CA BTDC升至140°CA BTDC的過程中，油耗率逐漸下降；當噴氣結束角增至150°CA BTDC時，油耗率顯著上升，此時燃油短路損失較大；在噴氣結束角由150°CA BTDC增至180°CA BTDC的過程中，油耗率先下降后有小幅回升。對于工況點5，隨著噴氣結束角的增大，油耗率先下降，后上升，與發動機的輸出功率相對應。選擇合理的較早的噴氣時刻，能在一定程度上提高發動機的燃油經濟性。

圖10　在工況點4，5油耗率隨噴氣結束角的變化

4結束語

1) 適當提前的噴射時刻有利于提升缸內可燃混合氣形成速率、增加缸內實際可燃混合氣的數量，在一定程度上可以提升試驗樣機的動力性以及經濟性，并降低排氣溫度。特別是在大負荷工況下，噴射時刻的提前能大幅度降低排氣溫度，使發動機工作在安全溫度范圍內。

2) 通過試驗總結了在不同轉速與負荷下直噴重油試驗樣機性能隨噴射時刻變化的變化規律；為下一步安全進行試驗樣機全負荷性能試驗提供了指導方向與理論依據。

3) 重油燃油的辛烷值不及汽油的一半，因此點燃式重油發動機極容易發生爆震。推遲點火時刻有利于抑制爆震。本研究在試驗過程中未對點火時刻進行優化，因此在今后全負荷試驗中，應對各轉速下的點火時刻進行優化，避免爆震的出現，提高直噴重油試驗樣機的爆震極限功率。

參考文獻：

[1]楊致明,李隆強.艦載無人機的活塞式發動機燃油問題與對策[C]//尖兵之翼——中國無人機大會.北京：[s.n.],2006:535-538.

[2]楊光,魏民祥,李軍.活塞式煤油發動機冷起動點火能量試驗研究[J].公路與汽運,2013(3):13-16.

[3]潘鐘鍵,何清華,楊晶.活塞航空重油發動機發展現狀[J].科技導報,2013,31(34):65-68.

[4]SCHMIDT S,EICHLSEDER H,KIRCHBERGER R,et al.GDI with high-performance 2-stroke application:Concepts,experiences and potential for the future[R].[S.l.]:SAE Technical Paper,2004.

[5]LA C,MURPHY P,CAKEBREAD S.Benchmarking a 2-Stroke Spark Ignition Heavy Fuel Engine[R].[S.l.]:SAE Technical Paper,2012.

[6]HULL W,BEU J,JORENBY J,et al.Optimization of a direct-injected 2-stroke cycle Snowmobile[J].SAE transactions,2003,112(3):2160-2173.

[7]蔡曉林.FAI二沖程缸內直噴汽油機的研究[D].天津：天津大學,2005.

[8]石允.小型點燃式二沖程活塞重油發動機混合氣形成的模擬研究[D].北京:北京交通大學,2012.

[9]王永偉,魏民祥,楊海青，等.空氣輔助缸內直噴發動機正時控制策略[J].航空動力學報,2014,29(12):2942-2947.

[10]李蘇琪.點燃式重油發動機混合氣形成與燃燒過程的研究[D].北京：北京交通大學,2015.

[11]CATHCART G,DICKSON G,AHERN S.The application of air-assist direct injection for spark-ignited heavy fuel 2-stroke and 4-stroke engines[R].[S.l.]:SAE Technical Paper,2005.

[12]馬帥,劉娜,胡春明.二沖程重油發動機技術現狀及發展方向[J].小型內燃機與車輛技術，2015,44(2):87-91.

(責任編輯陳艷)

Influence of Injection Timing on Engine Performance of a Heavy Fuel Engine Under Different Loads

YANG Bai-fan, YANG Hai-qing, LIU Rui

(College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:Experiments were carried out to research the influence of direct injection timing on engine power, fuel consumption rate and exhaust temperature of a 2-stroke heavy fuel engine based on AADI system under different loads of part loads and heavy loads. The experiment result show that: under part loads, with the injection timing advances, the engine power increases, and the fuel consumption rate and the exhaust temperature decrease accordingly. Under heavy loads, with the injection timing advances, there are several unsteady working conditions which can not affect the pattern, the engine power increases firstly, and then decreases, and the fuel consumption rate and exhaust temperature decreases firstly, and then increases, and there exists a large range of adjustable injection timing angle.

Key words:two-stroke spark-ignited engine; heavy fuel; direct injection; engine performance; injection timing

收稿日期：2015-01-10

基金項目：江蘇省普通高校研究生科研創新計劃(KYLX15_0262)

作者簡介：楊白凡(1991—),男,蘇州人,碩士研究生,主要從事內燃機性能仿真與控制研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.008

中圖分類號：V234

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0041-06

引用格式：楊白凡,楊海青，劉銳.不同負荷下噴射時刻對重油發動機性能的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(5):41-46.

Citation format：YANG Bai-fan, YANG Hai-qing, LIU Rui.Influence of Injection Timing on Engine Performance of a Heavy Fuel Engine Under Different Loads[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):41-46.