噴油參數影響甲醇發動機燃燒特性的正交試驗研究

鞏少鵬，朱建軍，張其生，張翠平，李文睿，米一銘

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著國家對環境問題的愈發重視，發動機的排放受到了越來越嚴格的限制。甲醇是一種清潔且獲取方式繁多的燃料，用其替代柴油是減輕當前發動機排放壓力的良好途徑。柴油中摻混醇類燃料可以改善發動機的CO和碳煙排放[1]。相比其他醇類，摻燒甲醇時，發動機的燃燒壓力更高，且摻混率越高，發動機的循環波動率越大[2]，[3]。使用甲醇替代部分汽油可以緩和發動機各缸的工作差異，從而改善排放[4]。除了直接摻燒，利用PODE或柴油引燃甲醇的雙燃料發動機對于甲醇在燃燒及排放方面的研究具有重要的參考意義[5]，[6]。在輔助壓燃甲醇方面，學者們對SI-CAI，TACI，GACI和SI燃燒模式下的甲醇燃燒特性和燃燒過程已有深入研究[7]～[10]。此外，有關噴油參數和邊界條件對甲醇發動機燃燒和排放特性的影響研究也多有報道[11]～[13]。

甲醇發動機的燃燒受多方面因素的共同影響。以往研究多采用控制變量的方法分析各因素的作用，無法考慮各因素之間的交互作用。除此之外，多數助燃法試驗研究均未重視甲醇預噴對其預混合燃燒的影響。因此，本文通過搭建試驗臺架，在一次預噴的條件下，選擇5個噴油參數對甲醇發動機的燃燒特性進行正交試驗，探究各噴油參數對甲醇發動機燃燒特性的影響程度，并分析甲醇發動機的燃燒特性隨各因素的變化情況，以期對甲醇發動機的燃燒控制策略提供指導。

1 試驗系統及方案

1.1 試驗系統

對一臺3缸共軌柴油發動機的供油系統和噴油系統進行一定改造，具體方式為低壓油路增設專用甲醇油泵，提高發動機的供油能力；使用大流量噴油器，提高甲醇噴射量；使用直流電源對原機電熱塞單獨供電，使電熱塞在缸內保持紅熱狀態。通過INCA軟件在開源ECU中調整各噴油參數至發動機穩定工作，并使標定后的發動機外特性達到與原機相同的水平。發動機主要技術參數如表1所示。

表1 發動機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of engine

1.2 發動機測控系統

圖1 為試驗所采用的發動機臺架及測控系統示意圖。由Kistler 6052C型壓力傳感器測量缸壓，測量間隔為0.1°CA，為消除測量時的缸壓誤差，每組試驗采集200個循環的缸壓參數。

圖1 發動機臺架示意圖Fig.1 Schematic diagram of engine bench

1.3 試驗方案

原柴油機轉速為1 400 r/min時的最大扭矩為72.3 N·m，本次正交試驗選擇轉速為1 400 r/min的甲醇發動機的大負荷工況（60～80 N·m）。控制發動機ECU僅有一次預噴，選擇預噴正時、預噴脈寬、主噴正時、主噴脈寬及軌壓作為因素，每個因素下設置3個水平（表2）。每個水平均參考原柴油機的噴射參數選值并進行一定改動后確定。確定噴射參數后，通過SPSS軟件自動生成帶空列的正交試驗表進行試驗。燃燒始點（AI05）、最大壓升率（RMAX）和最大循環波動率（IMEPCOV）的值均由KiBox型燃燒分析儀監測并記錄。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果

表3為噴射參數的正交試驗表及相應的試驗結果。將整理好的試驗結果導入SPSS軟件后，可使用軟件自帶的方差分析數學模型進行相應的分析。

表3 正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal experiment

2.2 各噴油參數對燃燒始點的影響

表4為各噴油參數對燃燒始點影響的極差分析結果。由表可見，各噴油參數對燃燒始點的影響順序：主噴正時＞預噴脈寬＞主噴脈寬＞預噴油角＞軌壓。

表4 AI05極差分析結果Table 4 Range analysis results of AI05 °CA ATDC

表5為各噴油參數對燃燒始點影響的方差分析結果。由表5可見，各噴油參數對甲醇發動機的燃燒始點均有顯著影響（Sig<0.05），且主噴正時、預噴脈寬和主噴脈寬的F值顯著高于其他因素。

表5 AI05方差分析結果Table 5 Variance analysis results of AI05

燃燒始點與主噴正時、預噴脈寬及主噴脈寬的關系如圖2所示。從圖2（a）可以看出，隨著主噴正時提前，燃燒始點靠近上止點的幅度減緩。這是因為主噴正時越晚，噴射背壓越大，使得噴油量有所減小，甲醇混合氣變得稀薄；主噴正時越晚，噴射過程位于膨脹行程的份額就越多，此時缸內氣流的運動速度大幅減弱，工質與空氣的混合程度變差，使得燃燒始點遠離上止點的幅度增加。

圖2 AI05與噴油參數的關系Fig.2 Relationship between AI05 and injection parameters

從圖2（b）可以看出，當預噴脈寬從1°CA增加到2°CA時，燃燒始點整體水平相近，但當預噴脈寬增至3°CA時，燃燒始點整體上顯著提前。

從圖2（c）可以看出，當主噴脈寬大于11°CA后，主噴過程位于膨脹行程部分的油量對于混合氣均勻程度的影響降低，燃燒始點受主噴脈寬影響的程度減弱，燃燒始點趨于相近。

圖3為預噴放熱率曲線（圖例為表3中序號）。

圖3 預噴放熱率Fig.3 Heat release rate of pre-injection

從圖3可以看出：當預噴脈寬小于3 °CA時，預噴甲醇基本未對外做功；當預噴脈寬從1°CA增至2 °CA時，增多的甲醇導致缸內溫度進一步降低，使得燃燒始點延后。當預噴脈寬增至3 °CA時，一方面預噴混合氣變濃，預噴甲醇的燃燒大幅提高了缸溫及缸壓，提高了主噴過程中的缸內混合氣的均勻程度；另一方面，甲醇中的氧原子對混合氣有一定程度的稀釋作用，而預噴著火可以降低此影響，有利于提高混合氣濃度和促進燃燒。

2.3 各噴油參數對最大壓升率的影響

表6為各噴油參數對最大壓升率影響的極差分析結果。從表6可以看出，各噴油參數對最大壓升率影響的順序為主噴正時＞主噴脈寬＞預噴脈寬＞軌壓＞預噴正時。

表6 RMAX的極差分析結果Table 6 Range analysis results of RMAX MPa/°CA

表7為各噴油參數對最大壓升率影響的方差分析結果。從表7可以看出，主噴正時、主噴脈寬和預噴脈寬對最大壓升率影響顯著，其他兩個因素的影響則不明顯。

表7 RMAX的方差分析結果Table 7 Variance analysis results of RMAX

噴油參數與RMAX的關系如圖4所示。從圖4（a）可以看出，在主噴正時提前的過程中，最大壓升率呈現出穩定上升的趨勢。這是因為隨著主噴正時的提前，一方面，甲醇有所增多，使得滯燃期延長，混合氣變濃且更加均勻；另一方面，壓縮行程的噴射份額越多，較高的缸溫與較強的氣流運動有利于缸內形成更均勻的混合氣，從而加快火焰傳播速度，使得最大壓升率升高。

圖4 RMAX與噴油參數的關系Fig.4 Relationship between RMAX and injection parameters

從圖4（b）可以看出，隨著主噴脈寬增加，甲醇增多，混合氣變濃，火焰傳播速度加快，最大壓升率整體升高。但是，較長的主噴持續時間使得膨脹行程中的噴油量增多，這部分燃料的混合程度較差，因此當主噴脈寬從11°CA增加至12°CA時，最大壓升率的提高幅度有所下降。

從圖4（c）可以看出，隨著預噴脈寬的增加，最大壓升率整體表現出先減小后增加的變化趨勢。由前述可知，當預噴脈寬增加至2°CA時，燃燒始點有所推遲，工質在更晚的膨脹行程中進行，能量發揮不足，導致燃燒峰值壓力降低，最大壓升率隨之降低。當預噴脈寬增加至3°CA時，預噴放熱有利于主噴甲醇與空氣混合，同時，燃燒始點大幅提前使得缸內峰值壓力升高，最大壓升率隨之升高。

2.4 各噴油參數對最大循環波動率的影響

表8為各噴油參數對最大循環波動率的極差分析結果。從表8可以看出，各噴油參數對最大循環波動率影響的順序為軌壓＞預噴脈寬＞主噴正時＞預噴正時＞主噴脈寬。

表8 IMEP-COV的極差分析結果Table 8 Range analysis results of IMEP-COV%

表9為各噴油參數對最大循環波動率影響的方差分析結果。從表9可以看出，軌壓與預噴脈寬對最大循環波動率有顯著影響，且軌壓對最大循環波動率的影響最為顯著。

表9 IMEP-COV的方差分析結果Table 9 Variance analysis results of IMEP-COV

最大循環波動率與軌壓的關系如圖5所示。從圖5可以看出，隨著軌壓的增加，甲醇燃燒的最大循環波動率呈現出先增大后減小的變化趨勢。當軌壓從70 MPa增加至72 MPa時，噴射壓力提高促進了甲醇混合氣朝濃向發展，燃燒始點提前，混合氣等容燃燒份額增加，較高的等容度使甲醇燃燒對其他不變因素更敏感，最大循環波動率隨之上升。而當軌壓從72 MPa提高到75 MPa時，甲醇的霧化效果提升較小，但是由于軌壓過大導致甲醇油束貫穿距過長，濕壁率增加，燃燒始點有所推遲，降低了甲醇燃燒時的等容度，使得最大循環波動率有所下降。

圖5 IMEP-COV與軌壓的關系Fig.5 Relationship between IMEP-COV and rail pressure

3 結論

①在完全預混燃燒的模式下，預噴燃燒對燃燒始點和最大壓升率均有顯著影響，增大預噴脈寬可以使燃燒始點顯著靠近上止點，最大壓升率明顯上升。

②主噴正時和主噴脈寬對甲醇發動機大負荷工況下的燃燒始點和最大壓升率影響顯著，增加主噴脈寬可以使燃燒始點靠近上止點，最大壓升率升高。

③軌壓對甲醇發動機最大循環波動率的影響最為顯著，提高軌壓會使甲醇發動機的最大循環波動率增大，但過大的軌壓會造成濕壁率增加。