含水乙醇汽油發動機循環變動研究

張盼龍+羅馬吉+丁洪春+蔡雄+王一男

摘 要：通過測取和處理分析汽油機燃用含水乙醇汽油時的缸內壓力數據，對比分析平均指示壓力、最高燃燒壓力和質量燃燒百分率等不同循環變動表征參數，并且通過探討平均指示壓力與燃燒相位間的相關性，深入研究了含水乙醇汽油發動機的燃燒循環變動。結果表明：在低轉速中等負荷下，汽油機燃用E10W5含水乙醇汽油相比于純汽油循環變動增大；燃燒循環變動主要發生在燃燒初期；滯燃期和主燃期循環變動對平均指示壓力循環變動影響較大。

關鍵詞：汽油機； 循環變動；含水乙醇汽油

中圖分類號：TK411+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

Study of cyclic variations on a gasoline engine fueled with hydrous ethanol gasoline

ZHANG Pan-long1，2， LUO Ma-ji1，2，DING Hong-chun3，CAI Xiong1，2， WANG Yi-nan1，2

（ 1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 3. Jiangsu Nonghua Intelligent Agriculture Technology CO.LTD， Yancheng224007， China ）

Abstract： In this paper， the cylinder pressures in a gasoline engine fueled with hydrous ethanol gasoline were acquired and analyzed， and the cyclic variation characterization parameters， including the mean indicated pressure， maximum combustion pressure and combustion quality percentage， were also analyzed. Through the discuss of the correlation between the mean indicated pressure and combustion phase， the cyclic variations of a PFI engine fueled with hydrous ethanol gasoline were deeply investigated. The results show that under the condition of low speed and medium load， compared to pure gasoline， cyclic variations of the engine fueled with E10W5 hydrous ethanol gasoline increase； the cyclic variations mainly occur in the early combustion； ignition delay period and the main combustion period have a great influence on the cyclic variations of the mean indicated pressure.

Key Words： gasoline engine； cyclic variation； hydrous ethanol gasoline

引 言

循環變動是指汽油機以某一工況穩定運轉時，這一循環和下一循環燃燒過程的進行情況不斷變化，具體表現在壓力曲線、火焰傳播情況以及汽油機功率輸出均不相同[1]。循環變動是火花點火發動機燃燒的一個重要特征，它對發動機各方面性能均有不利影響。每個循環的燃燒情況不同說明所有循環不可能都處于設計的最佳燃燒狀態，燃燒較快的循環容易發生爆震現象，燃燒較慢的循環混合氣混合不充分，會增加污染氣體的排放。有研究表明，如能完全避免循環變動的影響，則發動機在相同燃油消耗和排放性能前提下，可提高10%的扭矩輸出[2]。研究發動機的循環變動對于改善發動機的動力輸出，提高燃油經濟性和降低廢氣排放有重大意義。國外的學者關于發動機循環變動的研究表明：火花點火發動機多個循環間的最大氣缸壓力可能存在較大的變動[3-5]，主要是因為燃料混合不均勻，火花塞點火出現問題，以及氣缸內的湍流流動會有變動。國內的學者關于發動機燃燒循環變動方面做出了大量的深入研究：在探究火花點火發動機壓力循環變動評價方法的過程中，李興虎等學者認為火花點火發動機燃燒變動主要發生在燃燒初期[6]。含水乙醇汽油作為潛在的純汽油替代燃料，有大量的學者研究其穩定性、燃燒特性和排放特性，研究表明：在未對汽油機作任何調整的情況下，燃用E10W5含水乙醇汽油的動力性略低于燃用純汽油；當量燃油消耗率降低，燃油經濟性得到改善；排放污染物降低，排放特性得到改善[7]。但是，目前關于含水乙醇汽油發動機的循環變動研究相對較少。本文采用典型工況下發動機燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油的循環變動對比分析，以此研究含水乙醇汽油發動機的循環變動特性。endprint

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗在一臺進氣道噴射的4缸汽油發動機上進行，缸徑為75mm ，行程為84.8mm，排量為1.5升，壓縮比為10.5。發動機測控系統采用江蘇啟測測功器有限公司的EMC發動機測控單元和DW60電渦流測功器。氣缸壓力的測取采用德國SMETEC燃燒分析儀，瑞士Kisler公司生產的6117BFD17型火花塞缸內壓力傳感器和5018型電荷放大器組成的氣缸壓力測試系統。

1.2 試驗方法

試驗在發動機轉速為1200r/min，扭矩為40Nm的低速中等負荷工況下進行，利用機油和冷卻水恒溫系統使發動機冷卻水保持在（85±1）℃，機油溫度保持在（90±1）℃之間，待發動機穩定運轉后，連續采集100個循環的缸內壓力數據，由壓力數據求出氣缸壓力有關參數，用以分析燃燒不同燃料的燃燒循環變動。試驗用燃料為市售93號純汽油、用E10車用乙醇汽油和市售93號純汽油配置的E10W5含水乙醇汽油。其中E10W5表示燃油中含水乙醇體積比為10%，含水乙醇中水含量為5%。

2 典型工況循環變動參數分析

2.1 平均指示壓力

平均指示壓力（IMEP）綜合了缸內壓力值及其對應曲軸轉角對發動機輸出功率的影響，而且IMEP被大多數研究人員用作表征發動機循環變動的首選參數[8]。發動機的循環變動情況用IMEP的循環變動系數來評價：

CoVIMEP=σIMEP / PIMEP （1）

式中，PIMEP為100次循環IMEP的平均值；σIMEP為100次循環IMEP的標準差；CoVIMEP為100次循環IMEP的循環變動系數。

圖1表示發動機在試驗工況下燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油連續100個循環的缸內壓力曲線。從圖1可以看出，相比于燃用純汽油，發動機在試驗工況下燃用E10W5含水乙醇汽油的缸內壓力循環變動變化幅度較大，燃燒較不穩定，容易出現燃燒不完全和失火的現象。圖2表示發動機燃用兩種燃料的IMEP隨循環數變化的關系。從圖2可以看出，在試驗工況下，相比于燃用純汽油，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的IMEP較低，IMEP變動幅值較大。表1為相關的計算參數，其中，含水乙醇汽油的相關計算參數已經去掉失火循環。相比于燃用純汽油，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的IMEP較低，CoVIMEP較高的原因是：發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的燃燒始點推遲，燃燒速率放慢，主燃期延長，燃料燃燒不充分，火焰傳播至整個燃燒室的時刻偏離活塞到達至上止點的時刻，散熱損失增加，因而，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的循環變動相比于燃用純汽油的循環變動增加。

從圖2可以看出，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油第53個循環的平均指示壓力和最高燃燒壓力明顯低于其它循環，發生了失火現象。這主要是因為前一個循環后燃現象嚴重，增加了氣缸中的殘余廢氣量，在失火循環中，因為殘余廢氣量的增加，使得混合氣混合不均勻，因而燃燒不完全，最高燃燒壓力大大下降，同時該循環的IMEP大大降低。

2.2 最高燃燒壓力

最高燃燒壓力（Pmax） 是評價發動機工作粗暴性的重要參數，易于測量并且對循環變動很敏感[9]，被許多學者采用進行分析。本文對發動機燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油的Pmax和燃燒始點（用混合氣已燃10%對應的曲軸轉角CA10表示）之間的關系進行分析，如圖3所示。發動機在試驗工況下燃用純汽油和E10W5含水乙醇汽油的Pmax和CA10之間的線性關系表現出良好一致性，因此Pmax的循環變動依賴于燃燒始點循環變動[10]。

2.3 質量燃燒百分率

質量燃燒百分率是一種深入了解燃燒循環變動的可靠方法[6]。其過程主要是統計若干個連續循環某一曲軸轉角下的質量燃燒百分率或者放熱率，求取其平均值、標準差和變動率等，例如對所有循環下燃料燃燒的質量分數從0-10%經過的曲軸轉角（φ0-10）和從0-50%經過的曲軸轉角（φ0-50）進行統計，并在圖中做出二者之間的變化關系和相關性。圖4為φ0-10和φ0-50之間的變化關系。發動機在試驗工況下燃用純汽油的φ0-10和φ0-50之間的相關系數為0.8783，燃用E10W5含水乙醇汽油的φ0-10和φ0-50之間的相關系數為0.9173，相關性顯著，因而，發動機在試驗工況下燃用E10W5含水乙醇汽油的燃燒循環變動主要發生在燃燒初期。

3 循環變動參數與燃燒相位的相關性分析

為了分析不同工況下發動機燃用E10W5乙醇汽油時影響發動機平均指示壓力循環變動的關鍵因素，本文分析了發動機燃用純汽油和E10W5時燃燒相位和平均指示壓力的相關性。各個參數間的相關性定義為：

（2）

式中，Xi、Yi分別表示第i個循環不同表征參數的數值，X、Y分別表示所有循環不同表征參數的平均值，SD （X）、SD （Y）分別表示所有循環不同表征參數的標準差。

本文以文獻[11]中的相關性強弱性判斷作為依據，認為| R（X，Y）|小于0.3時，兩個變量間的相關性為弱相關；| R（X，Y）|從0.3增加至0.8時，兩個變量間的相關性逐漸增強，并認為| R（X，Y）|在0.3與0.5之間為中度相關，| R（X，Y）|在0.5到0.8之間為顯著相關；| R（X，Y）|大于0.8時，兩個變量間的相關性為強烈相關。

3.1 平均指示壓力與滯燃期的相關性

圖5表示發動機在試驗工況下燃用不同燃料的平均指示壓力與滯燃期（φ0-10）的關系。從圖5可以看出，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的平均指示壓力與滯燃期的關系良好，相關系數為-0.7206，二者顯著相關；發動機燃用純汽油的平均指示壓力與滯燃期無明顯線性關系，相關系數僅為0.1325，二者弱相關。這是因為發動機燃用E10W5含水乙醇汽油時E10W5含水乙醇汽油的汽化潛熱作用使得進氣過程中溫度降低，相比于純汽油，滯燃期延長，而滯燃期的長短是影響發動機燃燒循環變動的主要因素[12]，滯燃期的延長不利于發動機的穩定運轉。endprint

3.2 平均指示壓力與主燃期的相關性

圖6表示發動機在試驗工況下燃用不同燃料的平均指示壓力與主燃期（φ10-90）的關系。主燃期是指燃料燃燒的質量分數從10%-90%經過的曲軸轉角。圖6表示發動機燃用不同燃料的主燃期隨循環數變化的關系。從圖6可以看出，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的平均指示壓力與主燃期線性關系良好，相關系數為-0.7497，二者顯著相關；發動機燃用純汽油的平均指示壓力與主燃期的線性關系一般，相關系數為-0.3446，二者中度相關。這是因為相比于燃用純汽油，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的燃燒穩定性較差，主燃期的幅值變化大，如圖7所示，而且發動機燃用E10W5含水乙醇的主燃期延長，增加了主燃期內發動機燃用E10W5含水乙醇汽油的循環變動，因而，相比于燃用純汽油，主燃期對發動機燃用E10W5含水乙醇汽油影響更大。

4 結論

本文在進氣道噴射汽油機上開展了燃用E10W5含水乙醇汽油和純汽油的循環變動試驗，通過測取和處理分析100個連續循環的缸內壓力數據，對比分析平均指示壓力、最高燃燒壓力和質量燃燒百分率等不同循環變動表征參數，并通過探討平均指示壓力與燃燒相位間的相關性，研究了含水乙醇汽油發動機的燃燒循環變動。結果表明：在低轉速中等負荷下，發動機燃用E10W5含水乙醇汽油相比于純汽油的循環變動增加；燃燒循環變動主要發生在燃燒初期；滯燃期和主燃期的循環變動對平均指示壓力循環變動有顯著影響。

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