甲醇-汽油双燃料火花点火发动机试验研究

甲醇-汽油双燃料火花点火发动机试验研究
向守智;刘辉;王志;龙岩;王建昕
【摘要】基于一台由缸内直喷汽油机改装而成的高压缩比双燃料汽油机,研究了甲醇-汽油双燃料喷射方式(M-G,是指进气道喷射甲醇,缸内直喷汽油)和汽油-甲醇双燃料喷射方式(G-M,是指进气道喷汽油,缸内直接喷甲醇)两种双燃料双喷方式对火花点火发动机燃烧排放特性、热效率和爆震抑制的影响.在试验过程中甲醇的喷射比例范围为0～100％.试验结果表明:相比于汽油单燃料发动机,两种双燃料喷射方式(M-G和G-M)都能够显著提高经济性、抑制爆震同时降低微粒排放;G-M双燃料喷射方式相比M-G双燃料喷射方式在抑制爆震、降低微粒排放上效果更加显著.【期刊名称】《内燃机工程》
【年(卷),期】2017(038)005
【总页数】5页(P71-75)
【关键词】内燃机;甲醇;汽油;火花点火;爆震;微粒
【作者】向守智;刘辉;王志;龙岩;王建昕
【作者单位】清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】TK418.9
缸内直喷和涡轮增压技术，是目前车用汽油机的发展方向。

通过缸内直喷和涡轮增压可以实现发动机小型化，大幅提高汽油机的功率密度[1]，然而发动机爆震是限
制汽油机压缩比进一步提高和增加发动机热效率的最大障碍。

抑制爆震的传统方法包括推迟点火提前角、加浓混合气和优化燃烧室结构等，但是这些方法往往会恶化发动机在高负荷下的燃油经济性。

醇类燃料具有好的抗爆性，是适合应用于内燃机燃烧的可再生燃料[2-4]。

表1列
出了甲醇、乙醇和汽油的物理化学特性。

以甲醇为例：甲醇的汽化潜热是汽油的3倍，能够有效降低压缩上止点温度从而抑制爆震[5]；同时甲醇的辛烷值也比汽油高，允许发动机进一步提高压缩比，从而提高燃油经济性[6-7]；甲醇的层流火焰
速度较大，更有利于优化发动机的燃烧相位；另外，甲醇作为含氧燃料，能够促进燃料燃烧降低微粒排放。

虽然目前醇类燃料已经广泛应用于汽油掺混，且此类掺混在经济性、动力性和排放方面也有了广泛的研究[8-9]，但掺混后燃料比例固定，
不能根据特定工况实时调节。

双喷技术通过进气道喷射与缸内直喷结合，能够更灵活地实现两种燃料的在线掺混和空间分层。

通过喷射控制，优化不同负荷下的掺混比例和分层程度，可实现双喷汽油机的高效燃烧。

目前双燃料双喷研究主要集中在缸内直喷醇类燃料试验[10-14]，关于甲醇-汽油双喷方式(简称M-G，进气道喷甲醇缸内直喷汽油)与汽油-甲醇双喷方式(简称G-M，进气道喷射汽油缸内直喷甲醇)的对比认识还不清楚。

本文系统性地研究了两种双
燃料喷射方式在抑制发动机爆震、提高燃烧效率和降低微粒排放等方面的效果。

两种不同的双燃料喷射方式如图1所示。

缸压采集使用Kistler model 6052C缸
压传感器；放热率分析使用AVL公司的AVL IndiMODU型燃烧分析仪；进气道
喷射采用德尔福喷油器；发动机排放的微粒粒径分布由DMS500快速微粒频谱仪测量，DMS500快速微粒频谱仪通过测量不同粒径的带电粒子在分级器中不同的
偏移距离来确定微粒的粒径分布，有效测量范围为5nm～1000nm。

CA50定义
为50%燃料消耗时所对应的曲轴转角。

试验中所用GDI发动机为奇瑞公司非量产发动机，通过加装一套进气道喷射系统和供油系统实现双喷。

发动机具体参数见表2。

为了研究M-G方式与G-M方式对发动机爆震的抑制作用，试验设计如表3所示。

基准试验为原机的标定工况，而对比试验采用的双喷试验为该甲醇比例下不发生爆震的最高负荷工况，即在发生爆震的工况采用推迟点火使发动机稳定工作，在未发生爆震的情况下调整点火时刻使发动机燃烧相位CA50达到最优。

发动机运行工况如表4所示，本文中曲轴转角用负值表示上止点前，用正值表示
上止点后。

发动机爆震因子(KI)定义为缸内高频压力波随曲轴转角的积分，计算公式如式(1)所示。

式中，hp为缸压信号经过高通滤波后得到的高频振荡信号；KI的单位为MPa·(°)。

当KI大于0.15MPa·(°)时，即判定缸内发生了爆震。

甲醇与汽油的热值不同，因此在本文中计算得到的有效油耗率为进行等热值转化后的等热值燃油消耗率，计算公式如式(2)所示。

式中，BBSFCe为等热值燃油消耗率，BBSFCa为实际测量得出的燃油消耗率；
Vg和Vm分别为汽油和甲醇所占的体积比；Hg和Hm分别为汽油和甲醇的低热值；ρg和ρm分别为汽油和甲醇的密度。

图2为M-G与G-M双燃料喷射方式在不发生爆震的情况下所能够达到的最高负
荷随甲醇喷射比例的变化。

图3与图4分别为在最高负荷工况下进气流量和燃烧
相位(CA50)随甲醇喷射比例的变化情况。

从图2可以看出，不论甲醇是在进气道喷射还是在缸内直喷，两种喷射测量都能
够有效地拓宽爆震极限。

这是因为甲醇的辛烷值比汽油更高，同时甲醇的汽化潜热较大，通过喷射甲醇能够降低缸内平均温度，从而抑制爆震。

另外，甲醇混合气更
高的燃烧速度进一步抑制了爆震的发生。

在各个不同的甲醇喷射比例下，G-M双
燃料喷射方式能够实现更高的有效平均压力，而甲醇较高的汽化潜热能够有效地降低混合气温度从而提高充量系数(图3)。

对于M-G双燃料喷射方式，甲醇喷射比例从0增加到62%，在甲醇比例为62%
时有效平均压力达到峰值。

这是因为随着甲醇比例从0增加到62%，混合气温度
降低，辛烷值提高，能够更好地抑制爆震，因此燃烧相位得到明显的优化(图4)。

甲醇喷射比例大于62%时，燃烧相位已达最优，但是发动机的充量系数明显降低(图3)，因此发动机有效平均压力不断降低。

对于G-M双燃料喷射方式，随着甲醇喷射比例的提高，发动机的有效平均压力不断提高，在甲醇比例为100%时平均有效压力达到峰值1.02MPa。

当甲醇的喷射
比例从0提高到39%时，由于燃料抗爆性的提高，燃烧相位不断提前(图4)，因此有效平均压力升高。

甲醇比例从39%提高到100%时，由于甲醇较大的汽化潜热
能够提高充量系数(图3)，因此有效平均压力不断提高。

如图5所示，与原机相比两种双燃料喷射方式都能够有效地降低等热值燃油消耗率。

随着甲醇喷射比例的提高，两种双燃料喷射方式的等热值燃油消耗率都不断降低。

随着甲醇比例的提高，两者的燃烧相位得到优化，等热值燃油消耗率趋势相同。

图6为不同甲醇比例下，两种喷射方式得到的循环波动率。

从图6可以看出，两
者燃烧都十分稳定，循环波动率都在5%以下。

循环波动率的下降能够在一定范围内提高发动机的动力性和经济性。

图7为两种不同喷射方式的最高负荷工况对应的缸压与放热率曲线，M-G双燃料
喷射方式选取的甲醇喷射比例为62%，G-M双燃料喷射方式选取的甲醇喷射比例为100%。

从图7可以看出，两种双喷方式都能够有效地提高缸内压力，优化燃烧相位，同时G-M双燃料喷射方式相对于M-G双燃料喷射方式能够得到更高的缸
内压力。

这是因为缸内喷射甲醇能够利用甲醇高汽化潜热的特性提高充量系数，抑
制发动机爆震，拓展发动机负荷。

GDI发动机的喷雾湿壁效应产生微粒排放，因而GDI发动机的微粒排放日益引发
关注。

微粒可以分为核态与凝聚态：核态微粒主要由可挥发性成分(全碳氢、硫酸)组成，尺寸范围为1nm～50nm；凝聚态微粒即为传统概念上的PM，由碳烟(DS)、可溶性有机成分(SOF)和硫酸盐组成。

图8为两种双燃料喷射方式在不同甲醇比例下得到的微粒数量排放规律。

从图8
可以看出，随着甲醇比例的增加，微粒数量排放都逐渐降低。

同时G-M双燃料喷射方式相对于M-G双燃料喷射方式能够得到更低的微粒数量排放。

当甲醇比例提高到60%时，微粒数量排放相对于原机减少了95%，己接近DMS500快速微粒
频谱仪的测量极限。

图9与图10为两种双燃料喷射方式在不同甲醇比例下的核态微粒与凝聚态微粒排放规律。

随着甲醇比例的提高，核态与凝聚态的微粒数量排放都迅速降低，当甲醇比例为60%时，核态与凝聚态微粒排放数量相对于原机已降低了95%以上。

综合微粒排放规律可以看出：相比于汽油单燃料缸内直喷方式，两种双燃料喷射方式的微粒排放较低；汽油气道喷射-甲醇缸内直喷双燃料喷射方式(G-M)相对于甲
醇气道喷射-汽油缸内直喷双燃料喷射方式(M-G)微粒数量排放更低。

(1) GDI发动机采用双燃料喷射点火燃烧能够有效地抑制发动机爆震，提高热效率。

(2) 相对于原机，甲醇比例大于60%的双燃料喷射方式火花点火燃烧可以降低95%以上的微粒数量排放。

(3) 对比进气道喷射甲醇缸内直喷汽油(M-G)与进气道喷射汽油缸内直喷甲醇(G-M)两种方式，G-M方式在抑制爆震和降低微粒排放上效果更加显著。

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