改善M100甲醇發動機低溫起動性能的試驗研究

陳月春 李志杰 曾笑笑 史祥東 吳心波 李素婷

摘要： ?針對M100甲醇發動機低溫環境下難以形成足夠濃度可燃混合氣而導致的起動困難問題，從改善M100甲醇燃料霧化及提升混合氣溫度兩方面開展了研究。采用空氣輔助噴射器降低甲醇燃料噴霧粒徑，促進其形成可燃混合氣；采用進氣加熱方式將起動階段進入氣缸的甲醇混合氣加熱，提高甲醇蒸發速度，加速低溫下甲醇混合氣濃度達到著火界限。試驗結果表明：空氣輔助噴射器對改善M100甲醇燃料發動機起動性能有利，比普通甲醇噴射器的極限起動溫度降低10 ℃；進氣加熱可加速甲醇混合氣形成；兩種方案組合可實現環境溫度5 ℃下缸內著火。

關鍵詞： ?甲醇發動機；冷起動；混合氣形成；進氣溫度

DOI ?： ??10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.003

中圖分類號： TK464 ??文獻標志碼： ?B ??文章編號： ??1001-2222（2024）01-0016-05

甲醇燃料具有生產成本低、燃燒排放性能優異等特點，是我國未來一段時間內比較有競爭力的替代燃料［1-3］。M100甲醇是無色、透明物質，缺少低沸點組分，分子中含有極性羥基，是一種含氧碳氫化合物，具有熱值低、汽化潛熱大、飽和蒸氣壓低等特點［4-5］。常溫環境下M100甲醇燃料蒸發量僅為汽油蒸發量的1/4，而且甲醇蒸發性能會隨著溫度降低而變差，這使得M100甲醇發動機在低溫環境中冷起動性較差，甚至難以起動；并且甲醇燃料汽化潛熱是汽油的3.7倍，起動過程中噴向進氣歧管的甲醇燃料會吸收大量熱，進一步降低了進氣歧管內溫度，導致甲醇燃料蒸發更加困難，最終無法正常形成可燃混合氣，影響甲醇發動機低溫環境下的起動性能。有關研究資料表明［6］：當環境溫度低于16 ℃，若不采取其他輔助措施，無法實現M100甲醇發動機順利起動。為改善M100甲醇發動機低溫起動性能，目前一般采用汽油輔助起動、柴油壓燃引燃、燃油水鍋爐加熱輔助起動等技術方案。

通過對M100甲醇發動機起動影響因素分析得知，導致其低溫起動困難的根本因素有兩個：可燃混合氣濃度和可燃混合氣溫度。基于此，本研究為提升M100甲醇發動機起動性能，從改善甲醇燃料粒徑、加強蒸發霧化兩方面出發，提出了采用空氣輔助噴射器、進氣加熱的冷起動技術方案。采用空氣輔助噴射器改善可燃混合氣濃度，采用進氣加熱提升混合氣溫度，最后在冷倉試驗室開展M100甲醇發動機低溫起動試驗，驗證M100甲醇發動機使用該方案的起動效果。

1 ??試驗裝置及測試方法

1.1 ??試驗設備及樣機

甲醇具有較低的十六烷值，其汽化潛熱及著火溫度高，普通壓燃式發動機在壓縮到上止點時難以達到甲醇的著火點，實現不了壓燃，一般采用點燃式燃燒方式。目前受限于甲醇燃油系統技術水平，甲醇發動機缸內直噴的核心零部件可靠性暫時無法滿足產業化需求，多采用進氣道噴射甲醇燃料方式［7］。本試驗在濰柴WP13 M100甲醇發動機上展開，該發動機采用進氣道噴射甲醇、缸內火花塞點燃方式。為了驗證空氣輔助噴射對冷起動的改善效果，試驗時將原機普通進氣道噴射方式改為進氣道壓縮空氣輔助噴射。在M100甲醇發動機冷起動過程中，提高進氣溫度可以促進甲醇燃料的蒸發，改善混合氣霧化效果，從而加速燃燒。本試驗采用自主開發的ECU軟件對空氣輔助噴射器進行噴射控制，采用ES635設備測試起動過程中排氣尾管 λ 變化，試驗過程中采用連續測量模式，起動方式為蓄電池帶動起動機拖動。試驗樣機技術參數見表1。

1.2 ??空氣輔助噴射器

空氣輔助噴射是一種低壓噴射條件下改善燃料霧化效果的有效措施，可使甲醇燃料霧化更加細化，增大其與空氣接觸表面積，從而提升低溫環境下的甲醇燃料濃度，在短時間內形成均質混合氣。關于空氣輔助噴射研究，白洪林等［8］研究表明，增加空氣噴射量可改善燃料的霧化效果，利用空氣輔助噴射器可改善甲醇燃料低溫下霧化效果。胡春明等［9］研究表明，采用空氣輔助噴射可提高甲醇混合氣的形成速率。

本試驗采用的空氣輔助噴射器是一種組合噴嘴，由甲醇燃料計量噴嘴和氣體噴嘴兩部分構成，通過甲醇燃料計量噴嘴將一定壓力的甲醇噴入其與氣體噴嘴之間的預混合腔，與一定壓力的空氣在預混合腔進行初次混合，再通過氣體噴嘴內部流道對混合氣進行二次混合，最后將混合氣噴出并進入進氣道［10-12］。壓縮空氣離開噴嘴時會迅速膨脹，高速氣流克服液體表面張力，從而促進燃料霧化。空氣輔助噴射器結構示意見圖1。

空氣輔助噴射系統組成見圖2。該系統主要包括甲醇箱、電動甲醇泵、甲醇濾清器、甲醇壓力調節閥（限壓閥）、空氣輔助噴嘴、氣壓調節閥（減壓閥）、壓縮空氣等。甲醇燃料通過電動甲醇泵和壓力調節閥（0.7 MPa）供應到甲醇噴嘴，通過甲醇壓力控制閥調節甲醇燃料噴射壓力。本試驗中，甲醇噴射壓力通過限壓閥穩定控制在0.7 MPa，使用臺架提供的壓縮空氣，并由氣壓調節閥將壓縮空氣壓力設置為 0.4 MPa。

在冷倉開展M100甲醇發動機起動試驗前，對空氣輔助噴射器開展了不同壓力下流量特性試驗。表2列出空氣輔助噴射器流量特性測試數據，表3為空氣輔助噴射器霧化特性，該噴射器可將甲醇噴霧粒徑降低到30 μm（普通噴射器粒徑為120～150 μm）。使用空氣輔助噴射器，噴霧SMD較普通噴射器可降低4/5，為甲醇燃料霧化提供了更好條件，理論上對改善甲醇發動機冷起動有積極作用。

1.3 ??試驗方案

為了研究空氣輔助噴射器對M100甲醇發動機起動改善效果，本次冷起動試驗設置了兩種試驗方案（見表4）。參考GB/T 12535—2007標準，針對兩種試驗方案分別開展了起動性能對比試驗。將裝配空氣輔助噴射器、加熱格柵的WP13 M100甲醇發動機放置在冷倉，先開展常溫下起動試驗，之后依次開展更低溫度下起動試驗，直到缸內無著火跡象。具體操作步驟：將M100甲醇發動機冷凍至對應溫度并保溫8 h，起動試驗開始前開啟ES635測量設備并處于測量模式，低溫環境下開啟進氣加熱功能［13-17］，待進氣加熱時間結束后用起動機拖動，當甲醇發動機起動成功后（以ECU控制邏輯切斷狀態跳變作為起動成功與否的判斷標志），怠速運行相同時間后熄火，記錄起動過程參數。

2 ??試驗結果及分析

2.1 ??空氣輔助噴射器對起動的影響

2.1.1 ?常溫環境下起動效果對比

在環境溫度20 ℃下，采用兩種噴射方式（空氣輔助噴射器與普通甲醇噴射器），開展M100甲醇發動機起動性能對比試驗。圖3示出M100甲醇發動機起動過程轉速對比。從圖3可以看出：采用空氣輔助噴射器時，發動機起動機拖動1 s后缸內迅速著火，發動機瞬間轉速上沖至1 000 r/min，說明起動階段缸內能形成足夠濃度可燃混合氣，火花塞可將缸內甲醇燃料混合氣點燃，表現為發動機轉速的上沖；而采用普通噴射器則無法實現順利起動，原因在于：普通甲醇噴射器噴霧粒徑較大，大粒徑甲醇蒸發緩慢且容易在進氣道壁面形成甲醇液膜，不利于蒸發，多個噴射循環后蒸發累積的濃度并未達到著火濃度，且多次噴射后大粒徑甲醇燃料容易導致火花塞淹缸，從而無法順利著火。常溫下M100甲醇發動機起動試驗結果表明：采用空氣輔助噴射方式更容易加速缸內可燃混合氣的形成速率，霧化效果滿足起動階段混合氣濃度要求，可實現缸內甲醇混合氣即點即著。

為更進一步驗證不同噴射方式對M100甲醇發動機混合氣形成過程的影響，對不同噴霧粒徑下進氣道甲醇附壁量進行仿真模擬，仿真計算結果見圖4。仿真結果表明：采用空氣輔助噴射器（30 μm），進氣道附壁量比常規噴射器（120 μm）降低46%。仿真結果也可進一步說明使用空氣輔助噴射器可降低甲醇燃料進氣道附壁量，對提高甲醇混合氣濃度有利，更有助于形成可燃混合氣，從而提高甲醇燃料發動機低溫起動性能。

在發動機排氣管上安裝λ空燃比監測設備，以監測發動機缸內燃燒情況。 λ 可直接反映發動機燃燒室內空氣和燃料的混合比例，本次試驗采用ES635設備，該設備可高精度測量排放廢氣中氧含量，測量的 λ 范圍為0.6～16。在排氣尾管中測量的 λ 變化也一定程度上反映了缸內甲醇混合氣形成過程，對采用空氣輔助噴射器起動方式下起動階段的 λ 進行測量，結果見圖5。由圖5可以看出：采用空氣輔助噴射器，起動初期 λ 值迅速下降，由起動前的最高值4.7下降至0.9附近，說明當空氣輔助噴射器開始工作時，缸內瞬間可形成足夠濃度的可燃混合氣。由于發動機起動階段采用過濃噴射控制，未參與燃燒的可燃混合氣隨廢氣排出缸外，導致瞬間 λ 值降至1以下，待發動機成功起動后，轉速逐步穩定， λ值也趨于穩定，λ 均值在1.0附近。

2.1.2 ?不同環境下起動效果對比

對采用空氣輔助噴射器的M100甲醇發動機，依次開展了環境溫度15 ℃，5 ℃，0 ℃下起動試驗。 不同環境溫度下采取的輔助起動措施見表5，不同起動措施下起動過程見圖6。

環境溫度為15 ℃時只采用空氣輔助噴射器，起動過程采取加濃噴射策略，起動機拖動約0.5 s后發動機轉速上沖至1 000 r/min，起動瞬間著火性能較好。

當環境溫度為5 ℃時，同時開啟進氣加熱功能，起動機拖動1.5 s后發動機轉速出現第一次上沖（約400 r/min），但發動機的轉速表明缸內無法實現連續著火。使用ES635設備對排氣尾管中 λ 進行實時測量，發動機著火時 λ 最低為0.7（見圖7），說明此時缸內有一定濃度可燃混合氣，但隨后循環中 λ 均值為3.3左右，缸內無足夠濃度可燃混合氣，導致無著火跡象。原因分析：起動初期采用進氣加熱+空氣輔助噴射方案，加熱方案為起動前加熱，待加熱時間結束后停止加熱，因此在起動初期進氣溫度高、甲醇燃料溫度高，一定程度上更容易形成可燃混合氣［12］，實現起動初期缸內著火；但隨著停止加熱后進氣溫度降低，空氣輔助噴射器出來的甲醇燃料吸收大量熱，導致甲醇無法進一步霧化蒸發，形不成可燃混合氣，起動后期缸內無著火現象。

當環境溫度為0 ℃時，采用空氣輔助噴射器+進氣加熱組合方案，發動機轉速為純拖動轉速（150 r/min），缸內無著火跡象，說明該溫度下組合方案無法提供足夠濃度可燃混合氣， λ 值最小為0.7，最大值為10.2（見圖7）。多個循環后缸內溫度提升，部分流入缸內的甲醇燃料霧化蒸發，導致排氣尾管中 λ 出現較低值，但該濃度仍無法實現起動。

2.2 ??進氣加熱對起動的影響

研究表明：當環境溫度為16 ℃時，甲醇燃料不蒸發［6］。基于該甲醇燃料理化特性，在環境溫度10 ℃左右，采用進氣加熱技術方案，對WP13甲醇發動機開展有無進氣加熱功能的起動性能試驗研究［11-13］。圖8示出不同方案下發動機轉速對比曲線。由圖8知，當不開啟進氣加熱格柵時，發動機起動初期為純拖動狀態，拖動轉速為154 r/min，拖動9 s缸內無著火跡象，在9.7 s時缸內有輕微著火跡象，發動機轉速上沖至272 r/min。可能原因是多個拖動循環后缸內溫度較高，導致流入缸內的甲醇蒸發霧化，滿足點火最小濃度需求瞬間產生著火。不開啟進氣加熱起動時， λ 平均值約為12（見圖9），表明缸內基本未形成可燃混合氣。

進氣加熱試驗前開啟進氣加熱格柵加熱功能，并根據格柵溫升特性曲線控制格柵加熱時間為40 s，加熱結束后進氣總管溫度升至74 ℃， 停止加熱后起動發動機。當起動機拖動0.9 s后，發動機轉速升至190 r/min，1.2 s后缸內出現首次著火現象，此時發動機轉速上沖至365 r/min，說明開啟進氣加熱格柵后，進氣管內溫度提升，對改善甲醇燃料霧化蒸發有積極作用，可瞬間形成較大濃度可燃混合氣，實現缸內成功點火。圖9 排氣管中 λ 變化曲線也證明，開啟進氣加熱后 λ 變小。但隨著拖動時間延長，流經加熱格柵的氣體溫度逐步降低，無法實現對噴射附壁甲醇的進一步蒸發，導致不能形成連續著火，發動機無法實現自行運轉。隨著循環數增加，缸內溫度提升，缸內再次具備著火條件，轉速上沖至432 r/min。開啟進氣加熱功能后，起動階段排氣管中 λ 平均值在2左右，說明低溫環境下開啟進氣加熱，在一定程度上可改善進氣道噴射甲醇的蒸發，對起動有利。

3 ??結論

a） 與普通甲醇噴射器相比，空氣輔助噴射器能顯著改善甲醇燃料霧化效果，采用空氣輔助噴射器能提升M100甲醇發動機低溫起動性能，該噴射方式能明顯縮短甲醇燃料霧化蒸發時間，加速缸內可形成足夠濃度的可燃混合氣的速度；

b） 進氣加熱在一定程度上可加速進氣道中M100甲醇燃料的蒸發，對改善缸內著火條件有利，配合空氣輔助噴射器能實現5 ℃下缸內著火。

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Experimental Study on Improving Cold Starting Performance of M ?100 ???Methanol Engine

CHEN Yuechun1，LI Zhijie1，ZENG Xiaoxiao1，SHI Xiangdong1，WU Xinbo1，LI Suting2

（1.R&D Center Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China; 2.Weichai Power Emission Solutions Technology Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

Abstract： ?Aiming at the starting difficulty of M100 methanol engine due to the difficulty of forming a sufficiently concentrated combustible mixture at low temperature， research was carried out to improve the atomization of M100 methanol fuel and to increase the temperature of mixture. The air-assisted injector was used to reduce the spray particle size of methanol fuel to promote the formation of the combustible mixture and the intake heating method was used to heat the methanol mixture entering the cylinder during the starting phase to increase the evaporation rate of methanol and accelerate the concentration of methanol mixture to reach the ignition limit at low temperature. The test results show that the air-assisted injector is beneficial to improve the starting performance of M100 methanol fuel engine， and the limit starting temperature is 10 ℃ lower than that of ordinary methanol injector. Intake heating can accelerate the formation of methanol mixture. The combination of the two schemes can realize the in-cylinder ignition at the ambient temperature of 5 ℃.

Key words： ?methanol engine;cold start;mixture formation;intake temperature

［編輯： 袁曉燕］

收稿日期： ??2023-01-21； [HT6H]修回日期： ??2023-09-04

作者簡介： ??陳月春（1983—），男，高級工程師，碩士，主要研究方向為替代燃料發動機開發及優化；chenyc@weichai.com。