喷嘴开启压力对DISI甲醇发动机燃烧和排放的影响

２０１５ 年６月 宫长明，等：喷嘴开启压力对 ＤＩＳＩ甲醇发动机燃烧和排放的影响 · ７ １ ·
气，能否形成理想浓 度 分 层 的 甲 醇 混 合 气 是 决 定 直 喷甲醇发动机性能的重要因素。为了实现理想分层 混合气，对喷油器油束线作了特殊的布 置（见 图 １）， 这种布置可以在火花塞附近形成较浓甲醇混合气， 相对容易着火且滞燃期短 。 ［２６］
从图２和图３ 可 知，甲 醇 发 动 机 缸 内 能 够 形 成 比较理想的分层效 果，并 且 在 火 花 塞 位 置 能 够 形 成 较浓的混合气，但是 在 高 压 喷 射 压 力 下 燃 油 碰 壁 现 象比较明显。 ２．２ 喷 嘴 开 启 压 力 对 有 效 热 效 率 的 影 响
图４示出不同喷嘴开启压力下平均有效压力与 热 效 率 的 关 系 。 由 图 ４ 可 知 ，转 速 一 定 时 ，随 负 荷 的 增 加 ，有 效 热 效 率 增 加 。 主 要 是 由 于 转 速 一 定 ，机 械
柴油机经济性、动力 性 和 排 放 性 的 影 响 作 了 很 多 的 研究［１５－２０］。Ｆｅｎｇ Ｔａｏ 等 就 不 同 喷 射 压 力 对 柴 油 机 各 性 能 的 影 响 作 了 相 关 研 究 并 用 ＫＩＶＡ－３Ｖ 和 ＣＨＥＭＫＩＮ 进行了模拟［２１］；姚春德就喷射压力对 直 喷式柴油机燃烧的影响作 了 相 关 研 究 和 分 析［２２］；史 绍 熙 等 人 就 提 高 喷 射 压 力 来 改 善 １３０ 系 列 柴 油 机 燃 烧过程作了 试 验 分 析［２３］；吴 亚 兰 利 用 ＰＴＣ 热 敏 电 阻设计了甲醇蒸发 器，采 用 外 部 加 热 模 式 保 护 喷 嘴 及加热 元 件，依 据 ＰＴＣ 热 敏 电 阻 的 加 热 特 性，提 出 了新型的加热控制模式以 改 善 对 蓄 电 池 的 冲 击 ； ［２４］ 侯令川通过在生物 柴 油 中 掺 杂 甲 醇 研 究 得 出，生 物 柴油掺混甲醇 可 同 时 降 低 柴 油 机 的 ＮＯｘ 排 放 和 烟 度［２５］。但针对直喷甲醇发动 机 的 研 究 还 不 多，本 研 究选定一款柴油机并进行相应改动使之燃烧甲醇燃 料，用试验方法重点 探 索 喷 嘴 开 启 压 力 对 直 喷 点 燃 式甲醇发动机燃烧及排放的影响。
为 了 实 现 分 层 ，对 喷 油 器 油 线 作 了 特 殊 的 布 置 ， 并配合缸内气体涡流以达到 目 的。 通 过 使 用 ＡＶＬ－ Ｆｉｒｅ软件仿真计算得出燃油分布特 性（图 ２）和 缸 内 混 合 气 的 浓 度 分 布 （图 ３）。
图 １ 喷 油 器 油 束 布 置
试验所 用 的 燃 料 是 纯 度 为 ９９％ 的 精 制 工 业 甲 醇。采用电 涡 流 测 功 机 测 量 发 动 机 转 速 和 扭 矩 输 出；气 缸 压 力 用 灵 敏 度 为 － ２６０ ｐＣ／ＭＰａ 的 ＳＹＣ０４Ａ 石英晶体压 力 传 感 器 测 量，与 其 相 匹 配 的 是 ＤＦ－３电荷放 大 器；用 ＣＢ３６６ 燃 烧 分 析 仪 分 析 缸 内压力，用 ＨＯＲＩＢＡ ＭＥＸＡ－８２２０Ｄ 进 行 废 气 排 放 检测分析。这里将滞燃期定义为从火花开始点火到 累计放热率达１０％之间的曲轴 转 角，燃 烧 持 续 期 定 义为 累 积 放 热 率 从 １０％ 到 ９０％ 之 间 的 曲 轴 转 角。 试验前对直喷甲醇 发 动 机 进 行 预 热，到 机 油 温 度 为 ９０ ℃，冷却水温为８５ ℃左右时进行试验。
收 稿 日 期 ：２０１４－０８－３０；修 回 日 期 ：２０１５－０４－０２ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１１７６０６３）；中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （ＤＣ２０１５０２０１０２０３） 作 者 简 介 ：宫 长 明 （１９６４— ），男 ，教 授 ，博 士 ，研 究 方 向 为 发 动 机 燃 烧 与 排 放 控 制 ；ｇｏｎｇｃｍ＠ｄｌｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
摘要：在１台经过改装的１．９９Ｌ 自然吸气缸内直喷点燃式甲醇发动机上，进行了喷嘴开启压力对发动机有 效 热效率、燃烧及排放影响的试验研究。在发动机转速为２ ０００ｒ／ｍｉｎ的各负荷工况 下，选 取 ７．５ ＭＰａ，１２．５ ＭＰａ和 １７．５ ＭＰａ ３个喷嘴开启压力进行试验分析。结果表明：随着喷嘴开启压力的降低，发动机有效热效率、最大缸内压 力和放热率略微增加，但是在小负荷工况下降低喷嘴开 启 压 力，ＨＣ 排 放 和 ＣＯ 排 放 显 著 增 加，在 大 负 荷 工 况 下 提 高喷嘴开启压力会使 ＮＯｘ 排放显著增加。 关 键 词 ：燃 料 喷 嘴 ；开 启 压 力 ；缸 内 直 喷 ；点 燃 式 甲 醇 发 动 机 ；燃 烧 ；排 放
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－２２２２．２０１５．０３．０１５ 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４６４ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－２２２２（２０１５）０３－００７０－０６
能源和环保问题一直是制约汽车行业发展的 重 要 因 素 ，随 着 现 代 汽 车 行 业 的 高 速 发 展 ，中 国 汽 车 保有量与日剧增，随 之 带 来 的 一 系 列 问 题 也 日 益 凸 显。清洁替代燃料是解决能源和环保问题的途径之 一，在众多替代燃 料 中，甲 醇 最 具 潜 力，国 内 外 针 对 甲醇发动机进行了一系列相关研究并取得了一定的 成果 。 ［１－１２］ 甲醇 是 一 种 无 色 透 明、易 挥 发 的 可 燃 液 体，其沸点低，有利 于 与 空 气 形 成 混 合 气，在 发 动 机 中 易 于 实 现 清 洁 燃 烧 ；甲 醇 的 汽 化 潜 热 大 ，在 发 动 机 上应用时，可以降 低 压 缩 功、提 高 充 气 系 数，有 利 于 提 高 发 动 机 的 动 力 性 和 经 济 性 ；甲 醇 富 含 氧 ，在 内 燃 机中使用，能大 幅 度 降 低 ＣＯ 和 ＨＣ 的 排 放［１３］。 但 甲醇十六烷值低，自 燃 温 度 高，汽 化 潜 热 大，很 难 在 柴油机上 直 接 应 用。 要 在 柴 油 机 上 燃 用 纯 甲 醇 燃 料 ，辅 助 装 置 或 加 热 辅 助 装 置 不 可 或 缺 ，也 可 用 二 甲 醚二次喷 射 的 方 法 引 燃 甲 醇 混 合 气 。 ［１４］ 传 统 柴 油 机的燃料是分散喷 入 燃 烧 室，这 种 方 式 在 甲 醇 发 动 机高负荷时作用比 较 明 显，对 燃 烧 和 排 放 也 比 较 有 利，但低负荷时 作 用 被 大 大 削 弱。 低 负 荷 时 相 邻 点 火源之间的混合气 非 常 稀 薄，导 致 火 焰 传 播 质 量 变 差，甚至有熄火 现 象 发 生。 为 了 改 善 小 喷 油 量 时 的 火焰传播情况，燃油 应 集 中 喷 射 进 燃 烧 室 并 要 与 缸 内涡流形成良好的 配 合，这 就 对 喷 油 器 的 喷 射 压 力 和喷雾形状有了比较高的要求。国外就喷射压力对
２ 试 验 结 果 及 分 析
２．１ 分 层 控 制 及 分 析 在发动 机 转 速２ ０００ｒ／ｍｉｎ条 件 下 喷 嘴 开 启 压
力分别选取７．５ ＭＰａ，１２．５ ＭＰａ和 １７．５ ＭＰａ进 行
图 ２ 燃 油 分 布 特 性
图 ３ ７０２°缸 内 浓 度 分 布 场 （圆 圈 位 置 为 火 花 塞 位 置 ）
７．５～１７．５
柴油机 ω型 １３０ １５０ １．９９ １６∶１ １８．３ ２ ０００ ８．５
４ ０．３３ １７．５
试验。 喷射 压 力 主 要 影 响 燃 油 喷 雾 雾 化，而 雾 化 质 量
直接决定了混合气的混合效果。喷射压力一定时， 随 着 背 压 的 升 高 ，喷 雾 体 和 空 气 的 相 互 作 用 增 强 ，喷 雾油束雾化过程中 受 到 的 阻 力 增 加，所 以 燃 油 喷 雾 的 贯 穿 距 减 小 ，喷 雾 锥 角 增 大 。 背 压 一 定 时 ，随 着 喷 射 压 力 的 升 高 ，喷 雾 油 束 的 初 速 度 增 加 ，所 以 喷 雾 贯 穿 距 增 大 ，燃 油 密 度 略 微 降 低 ，雾 化 锥 角 稍 有 减 小 的 趋势，但是喷射压力对喷雾锥角的影响不明显 。 ［２７］
１ 试 验 设 备
试验在１台１．９９Ｌ 单缸、四冲程、自然吸气、水 冷 、高 压 缩 比 火 花 塞 点 燃 式 直 喷 甲 醇 发 动 机 上 进 行 ， 直 喷 甲 醇 发 动 机 由 传 统 柴 油 机 改 装 而 成 ，对 压 缩 比 、 喷油器及点火系统都作了相应改动。表１列出直喷 甲醇发动机与原柴油机相关参数的对比。高能量火 花点火系统能够产生一系列的连续火花以点燃混合
第 ３ 期 （总 第 ２１８ 期 ） ２０１５ 年 ６ 月
车 用 发 动 机 ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｎｏ．３（Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２１８） Ｊｕｎ．２０１５
喷嘴开启压力对 ＤＩＳＩ甲醇发动机燃烧和排放的影响
宫 长 明１ ，彭 乐 高２ ，孙 景 震２ ，王 康２ ，李 栋２ ，陈 天 翔２
（１．大连民族大学机电信息工程学院，辽宁 大连 １１６６００； ２．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 １３００２５）
在 喷 射 雾 化 模 式 下 ，随 着 喷 射 压 力 的 增 大 ，喷 雾 锥 角 变 大 ，雾 化 油 滴 的 索 特 平 均 直 径 减 小 ，油 滴 尺 寸 数 目 分 布 曲 线 的 峰 值 增 加 ，曲 线 不 平 缓 ；累 积 体 积 分 布 增 加 ，达 到 某 一 累 积 体 积 的 油 滴 尺 寸 减 小 ，大 颗 粒 油 滴 变 少 ，特 征 直 径 减 小 ，相 对 尺 寸 范 围 和 发 散 边 界 变 大 。 说 明 随 着 喷 射 压 力 的 增 加 ，雾 化 质 量 提 高 ，但 尺 寸 分 布 相 对 不 均 匀 ，在 该 模 式 下 ，喷 射 压 力 和 喷 射 流速成为了射流碎裂过程的不稳定因素 。 ［２８］