某小型增壓發(fā)動機不同燃料燃燒特性和性能研究

夏志豪 楊 陳 史程中 潘建考

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著汽車保有量的增加以及環(huán)境污染和石油基燃料的日益短缺促使環(huán)境法規(guī)不斷加嚴(yán)，針對提升內(nèi)燃機熱效率，降低排放的新技術(shù)，例如增壓小型化、缸內(nèi)直噴、稀薄燃燒、混合動力等逐漸成為整車廠的研究重點；另一方面，醇類燃料、壓縮天然氣、液化石油氣、二甲醚和生物柴油等替代燃料也成為研究熱點[1-2]。

純乙醇研究法辛烷值遠(yuǎn)高于汽油，在汽油中添加乙醇可以提高燃料的抗爆性，有利于采用高壓縮比從而提升發(fā)動機熱效率。同時乙醇為含氧燃料，氧化燃燒充分，碳煙排放低，而且來源廣泛、生產(chǎn)技術(shù)成熟、運輸方便，不同參比的乙醇汽油是理想的石油替代燃料之一[3]。乙醇在發(fā)動機上的應(yīng)用已有較長的歷史，國內(nèi)外對于電控汽油機燃用低比例的乙醇汽油混合燃料的燃燒特性已有較多的研究[4]。

本文針對不同乙醇比例的汽油燃料用做發(fā)動機燃料時，其缸內(nèi)燃燒特點進行分析，并對整車動力性和經(jīng)濟性進行了研究。

1 試驗設(shè)備與方法

1.1 試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備參數(shù)如表1 所示，試驗用發(fā)動發(fā)動機是量產(chǎn)的3 缸小排量渦輪增壓發(fā)動機，其主要參數(shù)如表2 所示。

表1 試驗主要設(shè)備

表2 發(fā)動機主要參數(shù)

1.2 試驗方法

試驗采用的92#汽油（E0）、22%體積比例乙醇汽油（E22）、100%乙醇（E100）的參數(shù)如表3 所示。

表3 汽油和甲醇性質(zhì)

為了研究3 種燃料在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷中的燃燒性能特性，在試驗過程中，分別選擇低中高轉(zhuǎn)速和低中高負(fù)荷進行分析，為了排除電控參數(shù)對燃燒的影響，采用相同點火角和氣門正時相位控制。由于燃料熱值不同，試驗過程中適當(dāng)調(diào)整噴油量，保證發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩相同。試驗工況和邊界條件見表4。

表4 燃燒控制參數(shù)

2 性能及燃燒分析

2.1 50%燃燒重心分析

50%燃燒重心體現(xiàn)的是燃料燃燒轉(zhuǎn)化為推動功的有效性，50%燃燒重心太靠前，由于活塞下行速度較慢，燃燒熱量無法快速推動活塞下行，不利于化學(xué)能轉(zhuǎn)化為發(fā)動機輸出動能，若50%燃燒重心靠后，活塞下行有效行程較短，燃燒熱量沒有足夠時間做功，就排出缸外，研究表明，最佳50%燃燒重心在8～12°CA 之間[5]。

圖1、2、3 表示發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下燃用不同燃料的50%燃燒重心的對比圖。

圖1 BEMP=0.2MPa 50%燃燒重心對比圖

從對比圖可見，在相同壓縮比情況下，乙醇燃料燃燒速度較汽油燃料快，乙醇的添加加快了缸內(nèi)燃油的燃燒速度。相同點火角、低中負(fù)荷下，E22 相對于E0 和E100 燃料，50%燃燒重心更加接近最佳角度，轉(zhuǎn)速對50%燃燒重心影響并不大。試驗用燃油E0 的熱值是E100 的1.71 倍，在其他相同的電控參數(shù)條件下，E100 燃料供給量相對E0 需要增加約1.5倍，所以燃燒重心并沒有明顯提前。特別需要說明的是，在5 500 r/min 轉(zhuǎn)速BMEP 為2.0 MPa 情況下，燃用E100 燃料，采用與E0 相同的點火角，排氣溫度超過950 ℃的限值，點火角在原來基礎(chǔ)上提前了5°CA，50%的燃燒重心提前了4°CA，同時由于噴油器流量限制，噴油相位提前了20°CA。

圖2 BEMP=1.0MPa 50%燃燒重心對比圖

圖3 BEMP=2.0 MPa 50%燃燒重心對比圖

2.2 著火延遲期與燃燒持續(xù)期分析

點燃式發(fā)動機的燃燒過程可以分為點火延遲期和主燃燒期，火花塞點火開始到10%放熱量定義為點火延遲期，將10%放熱量視為主燃燒階段的開始，90%放熱量視為主燃燒時期結(jié)束，10%放熱量到90%放熱量所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)過的角度定義為燃燒持續(xù)期[6]。

乙醇為含氧燃料，著火燃燒濃度界限比汽油的相應(yīng)范圍要寬得多，比汽油更容易點燃，且能在比較稀的混合氣下工作[7]。

圖4、5、6 分別為不同負(fù)荷轉(zhuǎn)速不同燃料的著火延遲期對比圖。低轉(zhuǎn)速情況下，E22 與E100 燃料相對于E0 燃料著火延遲期縮短約1°CA，燃料的影響差異并不大

圖4 BEMP=0.2 MPa 著火延遲期對比圖

圖5 BEMP=1.0 MPa 著火延遲期對比圖

圖6 BEMP=2.0 MPa 著火延遲期對比圖

圖7、8、9 為燃燒持續(xù)期對比圖，低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下，E22 和E100 相對于E0 燃燒持續(xù)期明顯降低縮短約1～2°CA，轉(zhuǎn)速5 500 r/min，BMEP 為0.2 MPa情況下，即使E100 燃油量增加，燃燒持續(xù)期也有一定縮短。BMEP1.0 MPa 的中負(fù)荷工況下，燃燒持續(xù)期3 種燃料并無太大差異，雖然乙醇燃料的添加能提高燃燒速度，但是由于熱值低，保證相同的性能輸出，單缸燃料增加，相對延長了燃燒總體時間。BMEP 在2.0 MPa，轉(zhuǎn)速在1 500 r/min 和3 000 r/min 情況與中等負(fù)荷相同。特別需要注意的是，在高速大負(fù)荷情況下，雖然燃燒速度提升會縮短燃燒持續(xù)期，但是由于乙醇燃料的添加，總體降低了燃料熱值，為了保證相同的輸出功率，單缸供油量需要增加，燃燒持續(xù)期相對增加了0.5～1°CA。

圖7 BEMP=0.2 MPa 燃燒持續(xù)期對比圖

圖8 BEMP=1.0 MPa 燃燒持續(xù)期對比圖

圖9 BEMP=2.0 MPa 燃燒持續(xù)期對比圖

2.3 最大爆發(fā)壓力與壓力升高率分析

最大爆發(fā)壓力表征的是燃燒的最大壓力，其限制于活塞、曲柄連桿機構(gòu)所承受的最大應(yīng)力。一般來說最大爆發(fā)壓力越高，示功圖上做功的面積越大，發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩也越高[8]。

圖10、11、12 為3 種燃料不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷的最大爆發(fā)壓力對比圖。從對比圖上可以看出，相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，燃用E0、E22、E100，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力逐步增加。試驗結(jié)果表明對于增壓發(fā)動機，保持與汽油機相同的增壓度，使用乙醇燃料可以提升汽油發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，提升動力性。對于直接將汽油發(fā)動機更改為燃用乙醇燃料發(fā)動機，爆發(fā)壓力的增加需要重新校核曲軸、連桿、活塞等運動件的強度。

圖10 BEMP=0.2 MPa 最大爆發(fā)壓力對比圖

圖11 BEMP=1.0 MPa 最大爆發(fā)壓力對比圖

圖12 BEMP=2.0 MPa 最大爆發(fā)壓力對比圖

壓力升高率表征著缸內(nèi)燃燒壓力增加的快慢，影響發(fā)動機燃燒噪聲與振動水平，相同的點火角，燃燒速度越快，燃料的化學(xué)能越能有效轉(zhuǎn)化為活塞的動能，熱效率也越高，但是同時壓力升高率越大，發(fā)動機的燃燒噪聲也越大，振動強度也越大[9]。

圖13、14、15 為不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷壓力升高率對比圖，同樣由于燃燒速度增加，壓力升高率有小幅增加，相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，燃用E0、E22、E100，缸內(nèi)最大壓力升高率逐步增加，最大增加約0.05 MPa/°CA。

圖13 BEMP=0.2 MPa 壓力升高率對比圖

圖14 BEMP=1.0 MPa 壓力升高率對比圖

圖15 BEMP=2.0 MPa 壓力升高率對比圖

3 結(jié)論

通過本試驗可以得出以下結(jié)論：

1）乙醇的添加加快了缸內(nèi)燃油的燃燒速度，相同點火角低中負(fù)荷下，E22 相對于E0 和E100 燃料，50%燃燒重心更加接近最佳角度。在其他相同的電控參數(shù)條件下，E100 燃料供給量相對E0 需要增加約1.5 倍，燃燒重心并沒有明顯提前。

2）低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷下，添加乙醇燃料，著火延遲期縮短約1°CA，高轉(zhuǎn)速由于氣體湍動能大，3 種燃料沒有較大差異。

3）燃用不同乙醇參比的乙醇燃料在中等負(fù)荷下燃料的燃燒持續(xù)期相差不大，高速大負(fù)荷下，雖然乙醇燃料的添加能提高燃燒速度，但是由于熱值低，保證相同的性能輸出，單缸燃料增加，相對延長了燃燒總體持續(xù)時間。

4）從E0 到E100，在發(fā)動機的整個運行范圍內(nèi)，壓力升高率增加約0.02～0.05 MPa/°CA，同時會導(dǎo)致最大爆發(fā)壓力增加0.2～0.5 MPa，且隨負(fù)荷的增加而逐漸增大。

5）在不進行任何調(diào)整的情況下，燃用高參比的乙醇汽油，可能導(dǎo)致發(fā)動機振動加劇，車內(nèi)噪聲較高，影響駕駛舒適性，甚至損壞發(fā)動機。