乙醇摻混噴射對汽油機進氣道噴水影響的試驗研究

李相超，張弘，郭濤

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

爆震和早燃是汽油機常見的異常燃燒情況，常用的解決方案包括降低壓縮比、推遲點火和降低運轉負荷等，這極大限制了汽油機的熱效率提升和動力輸出[1-2]。高速大負荷工況排氣溫度較高，為保護渦輪增壓器和后處理系統，往往采用燃油加濃方式來降低排氣溫度。汽油機噴水技術通過向缸內噴水，利用水的汽化潛熱降低缸內燃燒溫度，研究結果表明噴水可以有效降低爆震傾向，取代大負荷燃油加濃策略，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動機熱效率并降低CO和THC排放[6-8]。乙醇冰點低，并可與水以任意比例互溶來降低水的冰點，解決低溫情況下噴水系統結冰問題。另外，乙醇具有很高的汽化潛熱，向發動機缸內噴射乙醇與噴水類似，都能有效降低缸內溫度[9]，抑制發動機爆震傾向。因此，研究摻混乙醇噴射對噴水效果的影響具有較為實用的工程意義。

本研究在定容彈中測試了摻混不同比例乙醇水溶液的噴霧特性，基于某1.5 L直噴增壓汽油機改制了進氣道噴水試驗樣機，并開展了3 000 r/min@1.4 MPa和5 500WOT工況臺架試驗研究，對比分析了不同比例水和乙醇混合噴射對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 不同介質理化特性

發動機以乙醇為燃料，可采用更大的點火提前角，通過燃燒相位優化實現熱效率提升。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。

純水冰點為0 ℃，乙醇冰點為-115 ℃，兩者不同體積占比混合液的冰點值如表2所示。其中介質代號中E代表乙醇，W代表水，數字為體積百分比。隨乙醇比例增加，混合液的冰點逐漸降低。乙醇占比50%以上即可實現-30 ℃不結冰，可有效擴展噴水技術的冬季應用范圍。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介質開展噴霧和發動機臺架測試研究。

表2 不同比例乙醇水溶液冰點

1.2 噴霧測試方法和條件

對于進氣道噴水，噴霧特性必須與氣道形狀匹配，充分利用進氣流進入缸內蒸發吸熱。為研究乙醇對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，測試內容包括噴霧形態和噴霧粒徑[10-11]。圖1示出本次研究用噴水器，測試邊界條件如表3所示。

圖1 專用噴水器

表3 噴油器測試條件

噴霧形態測試基于Mie散射法，采用CCD相機拍攝噴霧圖像，經圖像處理得到貫穿距和噴霧角度。本研究中噴霧時刻以ASOF(After Start of Fuel)表示，規定噴水器開始出水時刻為0時刻。噴霧粒徑測試采用相位多普勒干涉儀(PDA)，測試噴嘴下方50 mm平面內的粒徑分布規律。根據SAE J2715[11]標準，選取多個空間位置點進行測量，每個空間位置點收集104個有效噴霧粒子的直徑，統計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氣道壁面碰撞，使更多的水進入缸內吸熱降溫。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。從噴霧貫穿距發展趨勢(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 噴霧形態對比

圖3 噴霧貫穿距發展趨勢

不同比例乙醇水溶液噴霧索特平均直徑如圖4所示。乙醇的蒸發速率比水快，因此乙醇含量越高，噴霧粒徑越小，霧化質量明顯改善，從純水到乙醇，SMD降低約28%。更高的霧化質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，噴霧在氣道內部蒸發加快，有助于降低進氣溫度。

圖4 噴霧粒徑對比

2 發動機樣機及臺架測試設置

2.1 噴水試驗樣機改制

基于某1.5 L中置直噴渦輪增壓發動機設計并改制了噴水發動機樣機，發動機參數如表4所示。采用進氣道噴水方式，噴水器布置在進氣道下部，概念設計如圖5所示。在發動機進氣道外側加工噴水器安裝孔，采用1根水軌安裝固定4只噴水器(見圖6)。

表4 基礎汽油機參數

圖5 噴水概念設計

圖6 臺架試驗布置

2.2 試驗設置

臺架采用電渦流測功機，并配備尾氣排放測試儀。水泵壓力調節范圍0～2 MPa，試驗過程中噴水壓力設定為1 MPa。水泵與水軌之間串連質量流量計用于測試氣道噴射介質流量，質量流量計與油耗儀測試的質量流量比值定義為介質汽油比，即介質噴射質量與汽油噴射質量的比值。

選擇3 000 r/min@1.4 MPa和5 500WOT工況開展臺架試驗研究。3 000 r/min@1.4 MPa工況為當量比燃燒，主要研究不同比例乙醇水溶液對發動機燃燒過程的影響。5 500WOT工況為最大功率點，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。保持負荷和排氣溫度與原機相同，通過增加乙醇水溶液噴射量，逐步調整點火提前角和空燃比，最終達到當量比燃燒。

3 試驗結果分析

3.1 燃燒過程

在3 000 r/min@1.4 MPa工況，保持原機控制參數不變，噴射不同比例的乙醇水溶液，研究其對燃燒速率的影響。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。乙醇噴射對燃燒速度有兩方面的影響，一方面降低缸內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，且后者作用強于前者。噴射乙醇水溶液時，乙醇比例低于70%都會導致燃燒相位推后，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 噴射介質對燃燒相位的影響

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

圖8 不同介質噴射情況下點火角調整幅度

如圖9所示，由于點火提前，燃燒相位也大幅提前，有助于提升發動機熱效率。乙醇比例越大，燃燒相位提前幅度越大。在60%介質汽油比情況下，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，尤其是E100W0可將θCA50提前到6°。

圖9 不同介質噴射情況下燃燒相位提前情況

3.2 介質和燃油消耗量

在5 500WOT工況，原機過量空氣系數(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。以原機不噴水工況為基礎(Base)，通過噴射不同比例的乙醇水溶液均可取消燃油加濃，實現當量比燃燒，且排氣溫度與原機基本保持一致(見圖10)。

圖10 不同介質噴射情況下過量空氣系數和排氣溫度

為實現當量比燃燒，純水噴射時介質消耗量約為22 kg/h，介質汽油比為75.8%。隨著乙醇比例增大，介質消耗總量逐漸降低，純乙醇噴射時介質消耗量為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，因此隨著噴射介質中乙醇占比增加，汽油消耗量下降，使得介質汽油比逐漸增高(見圖11)。

圖11 不同介質噴射情況下噴射介質消耗情況

如圖12所示，純水噴射情況下點火角由原機的10°(點火上止點前)提前到27°，使得θCA50從19°提前到13°。隨著噴射介質中乙醇比例的增加，點火提前角有所推后，由于乙醇加快燃燒速率，θCA50仍逐步提前。燃燒速率的提升導致缸內峰值壓力逐漸上升，最高接近11 MPa，因此須考慮加強相關零部件的強度。

圖12 不同介質對應的點火角、θCA50和pmax

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

圖13 汽油、乙醇、水的消耗情況

乙醇熱值比汽油低，因此隨著噴射介質中乙醇占比增大，汽油和乙醇總的質量消耗率上升。若將汽油和乙醇的質量統一轉化成能量值，總的能量消耗呈現下降趨勢，發動機的熱效率呈逐步上升趨勢(見圖14)。發動機有效熱效率從原機的25%提高到純水噴射時的33%，純乙醇噴射時進一步提高到35%。

圖14 不同介質噴射情況下有效熱效率和能量消耗率

3.3 排放

原機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)。噴射乙醇和水實現當量比燃燒后，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 不同介質噴射情況下排放對比

3.4 曲軸箱壓力

在噴水試驗研究過程中發現，隨著噴水比例增加，由于部分水汽通過活塞間隙進入曲軸箱，在曲軸箱內迅速蒸發，導致曲軸箱壓力上升(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導致軸封密封失效，同時導致油氣外泄。隨著乙醇比例增加，噴射介質中水占比減少，曲軸箱壓力逐步降低，有效緩解了噴水導致的曲軸箱壓力上升問題。

圖16 不同噴射介質對曲軸箱壓力的影響

4 結論

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

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現發動機當量比燃燒，乙醇可同時發揮蒸發降溫和燃燒做功兩方面功能，大幅降低油耗的同時降低水的消耗；

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。