噴射參數對點燃式重油直噴發動機小負荷性能的影響

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南京航空航天大學，南京，210016

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噴射參數對點燃式重油直噴發動機小負荷性能的影響

貝太學魏民祥劉銳季昊成常誠

南京航空航天大學，南京，210016

摘要：在一臺采用低壓空氣輔助噴射技術的二沖程點燃式重油直噴發動機上，進行了燃油噴射參數對發動機性能影響的試驗研究，研究了中等轉速小負荷工況下，噴氣結束時刻及過量空氣系數對發動機動力性、燃油經濟性及排放性能的影響。試驗結果表明：節氣門開度為10%時，隨著噴氣結束時刻提前，功率先增大后減小，油耗先減小后增加，HC及CO排放有小幅度減少；混合氣由濃變稀時，功率增加，油耗降低，HC及CO排放大幅度減少。節氣門開度為20%時，隨著噴氣結束時刻提前，功率增大，油耗減小，HC排放有小幅度減少，CO排放有小幅度增加；混合氣由濃變稀時，油耗降低，HC及CO排放大幅度減少，最大功率出現在理論空燃比附近。

關鍵詞：點燃式重油發動機；缸內直噴；小負荷；噴油參數；發動機性能

0引言

二沖程發動機具有結構簡單、升功率高、成本低廉等優點，廣泛應用于摩托車、舷外機和割草機等領域[1-3]。但由于汽油閃點低，使用及儲運過程中易發生著火爆炸事故，限制了傳統二沖程汽油機在安全要求高的軍事場合的應用。煤油或柴油等重油閃點高，在使用及儲運過程比較安全，結合重油燃料及二沖程點燃式發動機的優點，使得點燃式重油發動機非常適用于此類特殊場合[4-5]。

傳統非缸內直噴二沖程發動機燃用重油燃料時，冷起動困難[6]；另外，傳統二沖程發動機存在掃氣損失及過后排氣損失問題，燃油經濟性差、排放高且小負荷工況下易失火。若采用缸內直噴方式，尤其是空氣輔助直噴技術，不僅可以大幅度減小燃油粒徑，改善燃油霧化效果，結合有效的點火控制，能夠解決點燃式重油發動機冷起動問題；而且在中低轉速小負荷工況下適當采用晚噴技術，理論上可以改善二沖程發動機存在的燃燒掃氣損失及過后排氣損失，保證發動機功率的同時降低油耗及排放[5]。

二沖程直噴發動機對缸內混合氣狀態較敏感，噴油量及噴射時刻對油氣在缸內的混合及運動狀態有很大影響，在晚噴狀態易形成分層混合氣，火花塞周圍混合氣濃度分布等決定了發動機缸內初始火焰傳播過程，從而影響發動機燃燒性能。因此，有必要開展基于燃油噴射參數的小負荷發動機性能研究。

目前，國外對缸內直噴技術及點燃式重油活塞發動機的研究較多，Padala等[7]學者采用空氣輔助噴射技術研究了噴油脈寬及噴射正時角對二沖程直噴汽油機動力性能及排放性能的影響，與原型機對比后表明了該項直噴技術的應用潛力；Groenewegen等[8-9]研究了空氣輔助氣道噴射點燃式發動機分別燃用煤油、柴油及生物柴油的動力及排放特性，論證了多種重油燃料滿足軍隊普遍需求的可行性。Falkowski等[10]在二沖程和四沖程燒重油發動機上使用空氣輔助直噴技術，進行了部分負荷、全負荷及冷起動試驗，得到了大量性能數據。

近年來國內學者對點燃式二沖程直噴發動機研究主要放在汽油機上，包括夾氣直噴及FAI直噴汽油機[11-12]，對于點燃式直噴重油發動機的研究處于起步階段[13-15]。

本文以某型二沖程氣道噴射式汽油機作為原型機，采用低壓空氣輔助缸內直噴技術，結合雙火花塞電感點火技術，將其改造為點燃式重油直噴發動機，并自行開發了缸內直噴重油發動機電控系統，采用柴油作為燃料，對發動機在中低轉速小負荷狀態的性能進行了試驗研究。

1試驗設備及試驗方案

1.1試驗設備及儀器

針對噴霧引導型的二沖程點燃式缸內直噴重油發動機，進行基于燃油噴射參數的發動機動力及排放性能的研究，采用低壓空氣輔助缸內直噴方式供油，油氣軌及噴嘴安裝于發動機缸頭上部，低壓氣源為螺桿式空壓機ESA10，試驗用油壓和氣壓分別設定為0.65 MPa和0.85 MPa?？諝廨o助缸內直噴系統的核心是空氣輔助噴油器，由三部分構成：噴油器、噴氣閥和空氣腔，如圖1所示。噴油器的主要作用是計量燃油，并將具有一定壓力的燃油噴入空氣腔。噴油器噴出的燃油在空氣腔中進行第一次霧化，形成的混合氣由噴氣閥噴入氣缸。

圖1　空氣輔助噴油器剖視圖

發動機具體相關參數如表1所示，試驗所用排放設備為NHA-401尾氣分析儀，對發動機排放進行測試。內燃機測控系統為杭州中成EST-2010，并配有CWF110G電渦流測功機及溫度壓力采集模塊?？杖急确治鰞x為Ecotrons公司的ALM-S，配有寬域氧傳感器LSU4.9，用于對發動機進行空燃比控制。發動機控制采用自主開發的ECU，基于飛思卡爾16位微處理芯片的雙核控制器。圖2為點燃式重油發動機試驗臺架示意圖。圖3為搭建的發動機臺架系統現場圖。

表1　試驗發動機參數

圖2　點燃式重油發動機試驗系統示意圖

圖3　點燃式重油發動機試驗臺架現場圖

1.2試驗方案

在中等轉速小負荷工況下，二沖程點燃式直噴發動機能夠在排氣口關閉后完成燃油噴射過程，從而容易實現分層燃燒，因此，選擇轉速3000 r/min、節氣門開度為10%(工況1)及轉速3000 r/min、節氣門開度為20%(工況2)的兩個工況(表2)進行試驗。

表2　發動機試驗工況

圖4所示為關鍵電控參數的在線調整方案，主要關鍵參數包括：噴油脈寬(fuel pulse width,FPW)、油氣延時(fuel air delay,FAD)、噴氣脈寬(air pulse width,APW)、噴氣開始時刻(start of air injection,SOAI)、噴氣結束時刻(end of air injection,EOAI)、噴油開始時刻(start of fuel injection,SOFI)、噴油結束時刻(end of fuel injection,EOFI)、充磁脈寬(charge pulse width,CPW)以及點火提前角θig。本試驗主要圍繞噴油脈寬和噴氣結束時刻(噴氣結束角)來進行研究，整個試驗過程中將油氣間隔固定為1 ms，噴氣脈寬固定為3 ms，充磁脈寬固定為5 ms，點火提前角θig固定為25°(本文中出現的點火提前角及噴油結束角均指的是上止點前的角度)。

圖4　噴油及點火參數時序示意圖

2試驗結果及分析

首先記錄實驗環境：室內溫度26 ℃、相對濕度48%、壓力101 kPa、冷卻水溫90～100 ℃；然后利用自開發上位機標定軟件實現對發動機燃油噴射參數的在線修改：過量空氣系數α通過調整噴油脈寬來確定，范圍為0.85～1.15，噴油終止角調整范圍為40°～90°。

2.1工況1下噴油參數對發動機性能的影響

在試驗工況1下，過量空氣系數調整范圍為0.85～1.10。圖5～圖7為發動機性能數據，在不同過量空氣系數條件下，隨著噴氣結束時刻的提前，發動機輸出功率呈先增大后減小的趨勢，在噴氣終止時刻60°后，混合氣越濃，功率減小趨勢越平緩；燃油消耗率在噴氣終止時刻較晚時較大，噴氣結束時刻適度提前有利于減小燃油消耗率，但提前時刻過大會使噴氣脈寬所占曲軸角度與排氣口打開時角度重疊區增大，增加了因掃氣帶來的燃油損失；排氣溫度隨著噴氣結束時刻的提前逐漸增大，增加幅度基本在20～40 ℃之間；過量空氣系數對于發動機性能影響顯然較大，對于固定的噴氣結束時刻，當混合氣由濃變稀時，發動機輸出功率逐步增大，燃油消耗率降低，排氣溫度升高，可見，在此發動機工況下，采用較稀混合氣有利于改善發動機動力性及經濟性。

圖5　噴油參數對動力性的影響(工況1)

圖6　噴油參數對燃油消耗率的影響(工況1)

圖7　噴油參數對排氣溫度的影響(工況1)

圖8～圖10為試驗工況1下的發動機排放性能數據，隨著噴氣結束時刻提前，HC及CO排放逐漸減小，CO2排放緩慢升高，在噴氣結束時刻提前至80°左右，偏濃混合氣下的HC及CO排放有一定程度的上升，CO2排放呈下降趨勢；過量空氣系數由0.85增大至1.1時，HC及CO排放大幅度下降，HC排放最低值為0.254‰，CO排放最低值為0.94%。因此，在此發動機工況下，采用較稀混合氣并且適度提前噴氣結束時刻能有效改善發動機排放性能。

圖8　噴油參數對HC排放的影響(工況1)

圖9　噴油參數對CO排放的影響(工況1)

圖10　噴油參數對CO2排放的影響(工況1)

2.2工況2下噴油參數對發動機性能的影響

在試驗工況2下，過量空氣系數調整范圍為0.94至1.15。圖11～圖13為發動機性能數據，不同于試驗工況1的是，較早的噴氣結束時刻能夠明顯地提升發動機輸出功率及改善燃油消耗率，當噴氣結束時刻提前至80°之后，功率基本不再增加，并且發動機燃油消耗率在噴氣結束時刻60°～80°區別較小，排氣溫度在此發動機工況下對隨噴氣結束時刻提前變化不敏感，其變化量基本維持在5～10 ℃以內。相比于試驗工況1，過量空氣系數對發動機性能的影響產生了明顯的變化，當過量空氣系數維持在1.0附近時，發動機輸出功率最大，混合氣較濃或較稀都會使得功率出現下降；過量空氣系數由0.94增大至1.15時，燃油消耗率逐漸降低，由于噴油脈寬減小使得噴入氣缸油量減少，減弱了燃油對氣缸工作表面的冷卻效果，使得排氣溫度整體升高。

圖11　噴油參數對動力性的影響(工況2)

圖12　噴油參數對燃油消耗率的影響(工況2)

圖13　噴油參數對排氣溫度的影響(工況2)

圖14～圖16為試驗工況2下的發動機排放性能數據，隨著噴氣結束時刻提前，HC排放先減小后逐漸增加，CO排放整體呈增加趨勢，尤其在70°～80°時刻增幅較大，CO2排放基本呈先增加后減小趨勢，70°時刻出現峰值；與試驗工況1一致，過量空氣系數對發動機排放性能影響很大，較稀的混合氣能夠大幅度降低HC及CO排放，同時增加了CO2排放。因此，當噴氣結束時刻維持在70°，過量空氣系數處于偏稀區域，能夠很好地改善發動機的排放性能。

圖14　噴油參數對HC排放的影響(工況2)

圖15　噴油參數對CO排放的影響(工況2)

圖16　噴油參數對CO2排放的影響(工況2)

總之，在小負荷工況下，發動機節氣門開度較小，采用稀混合氣及適度提前噴氣結束時刻的策略可以改善發動機動力性、經濟性及排放特性；當發動機節氣門開度較大時，從考慮動力性角度出發，應采用偏濃混合氣及進一步提前噴氣結束時刻，而考慮發動機燃油經濟性及排放性能時，可采用稀混合氣，并且噴氣結束時刻取折中值，能夠大幅度降低HC及CO排放。

3總結

(1)節氣門開度較小時，適度提前噴氣結束時刻，發動機功率增加，燃油消耗率降低，排氣溫度小幅度升高，HC排放量減小，CO排放量減小，CO2排放量小幅度增加，過于提前會減小功率，增大燃油消耗率和HC排放；節氣門開度較大時，噴油結束時刻提前，發動機功率增加，燃油消耗率下降，當推遲至一定程度，功率小幅度減小，燃油消耗率增加，排氣溫度、HC、CO及CO2排放量隨噴氣結束時刻提前變化幅度較小。

(2)節氣門開度較小時，噴油脈寬減小，過量空氣系數增大，發動機功率增大，燃油消耗率降低，排氣溫度升高；節氣門開度較大時，理論空燃比附近區域發動機功率較大，但燃油消耗率位于過量空氣系數較大區域較小，排氣溫度較高。HC及CO排放量隨著噴油脈寬減小大幅度減少，同時CO2排放量明顯增加。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-09

基金項目：江蘇省普通高校博士研究生科研創新計劃資助項目(KYLX_0244)

中圖分類號：V234

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.025

作者簡介：貝太學，男，1985年生。南京航空航天大學能源與動力學院博士研究生。主要研究方向為活塞式發動機燃燒及性能分析。魏民祥，男，1963年生。南京航空航天大學能源與動力學院教授、博士研究生導師。劉銳，男，1988年生。南京航空航天大學能源與動力學院博士研究生。季昊成，男，1990年生。南京航空航天大學能源與動力學院博士研究生。常誠，男，1992年生。南京航空航天大學能源與動力學院博士研究生。

Effects of Injection Parameters on Performance at Low Loads of a Spark-ignited Direct Injection Heavy-oil Engine

Bei TaixueWei MinxiangLiu RuiJi HaochengChang Cheng

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

Abstract:An experimental study on the influences of fuel injection parameters on the engine performance was carried out on a two-stroke engine with low pressure air assisted injection technology, and the effects of inject end time and excess air ratio on engine power, fuel economy and emission performance were studied under the conditions of middle speed under small load. Test results show that at the 10% throttle opening condition, with the end of the inject advance, the power first increases, then decreases, and the fuel consumption first decreases, then increases, and the HC and CO emissions are reduced. When mixed gas is diluted, the power increases, the fuel consumption is reduced, and the HC and CO emissions are reduced significantly. At the 20% throttle opening condition, with the end of the inject advances, the power increases, the fuel consumption decreases, HC emissions have a small decrease, and CO emissions have a small increase. When mixed gas is diluted, the fuel consumption is reduced, the HC and CO emissions are reduced greatly, and the maximum power appears in the stoichiomtric ratio.

Key words:spark-ignited heavy-oil engine；direct injection；low load；injection parameter；engine performance