噴射參數(shù)對點(diǎn)燃式重油直噴發(fā)動機(jī)小負(fù)荷性能的影響

貝太學(xué)　魏民祥　劉　銳　季昊成　常　誠

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

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噴射參數(shù)對點(diǎn)燃式重油直噴發(fā)動機(jī)小負(fù)荷性能的影響

貝太學(xué)魏民祥劉銳季昊成常誠

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

摘要：在一臺采用低壓空氣輔助噴射技術(shù)的二沖程點(diǎn)燃式重油直噴發(fā)動機(jī)上，進(jìn)行了燃油噴射參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能影響的試驗研究，研究了中等轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況下，噴氣結(jié)束時刻及過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能的影響。試驗結(jié)果表明：節(jié)氣門開度為10%時，隨著噴氣結(jié)束時刻提前，功率先增大后減小，油耗先減小后增加，HC及CO排放有小幅度減少；混合氣由濃變稀時，功率增加，油耗降低，HC及CO排放大幅度減少。節(jié)氣門開度為20%時，隨著噴氣結(jié)束時刻提前，功率增大，油耗減小，HC排放有小幅度減少，CO排放有小幅度增加；混合氣由濃變稀時，油耗降低，HC及CO排放大幅度減少，最大功率出現(xiàn)在理論空燃比附近。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)燃式重油發(fā)動機(jī)；缸內(nèi)直噴；小負(fù)荷；噴油參數(shù)；發(fā)動機(jī)性能

0引言

二沖程發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、升功率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于摩托車、舷外機(jī)和割草機(jī)等領(lǐng)域[1-3]。但由于汽油閃點(diǎn)低，使用及儲運(yùn)過程中易發(fā)生著火爆炸事故，限制了傳統(tǒng)二沖程汽油機(jī)在安全要求高的軍事場合的應(yīng)用。煤油或柴油等重油閃點(diǎn)高，在使用及儲運(yùn)過程比較安全，結(jié)合重油燃料及二沖程點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，使得點(diǎn)燃式重油發(fā)動機(jī)非常適用于此類特殊場合[4-5]。

傳統(tǒng)非缸內(nèi)直噴二沖程發(fā)動機(jī)燃用重油燃料時，冷起動困難[6]；另外，傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機(jī)存在掃氣損失及過后排氣損失問題，燃油經(jīng)濟(jì)性差、排放高且小負(fù)荷工況下易失火。若采用缸內(nèi)直噴方式，尤其是空氣輔助直噴技術(shù)，不僅可以大幅度減小燃油粒徑，改善燃油霧化效果，結(jié)合有效的點(diǎn)火控制，能夠解決點(diǎn)燃式重油發(fā)動機(jī)冷起動問題；而且在中低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況下適當(dāng)采用晚噴技術(shù)，理論上可以改善二沖程發(fā)動機(jī)存在的燃燒掃氣損失及過后排氣損失，保證發(fā)動機(jī)功率的同時降低油耗及排放[5]。

二沖程直噴發(fā)動機(jī)對缸內(nèi)混合氣狀態(tài)較敏感，噴油量及噴射時刻對油氣在缸內(nèi)的混合及運(yùn)動狀態(tài)有很大影響，在晚噴狀態(tài)易形成分層混合氣，火花塞周圍混合氣濃度分布等決定了發(fā)動機(jī)缸內(nèi)初始火焰?zhèn)鞑ミ^程，從而影響發(fā)動機(jī)燃燒性能。因此，有必要開展基于燃油噴射參數(shù)的小負(fù)荷發(fā)動機(jī)性能研究。

目前，國外對缸內(nèi)直噴技術(shù)及點(diǎn)燃式重油活塞發(fā)動機(jī)的研究較多，Padala等[7]學(xué)者采用空氣輔助噴射技術(shù)研究了噴油脈寬及噴射正時角對二沖程直噴汽油機(jī)動力性能及排放性能的影響，與原型機(jī)對比后表明了該項直噴技術(shù)的應(yīng)用潛力；Groenewegen等[8-9]研究了空氣輔助氣道噴射點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)分別燃用煤油、柴油及生物柴油的動力及排放特性，論證了多種重油燃料滿足軍隊普遍需求的可行性。Falkowski等[10]在二沖程和四沖程燒重油發(fā)動機(jī)上使用空氣輔助直噴技術(shù)，進(jìn)行了部分負(fù)荷、全負(fù)荷及冷起動試驗，得到了大量性能數(shù)據(jù)。

近年來國內(nèi)學(xué)者對點(diǎn)燃式二沖程直噴發(fā)動機(jī)研究主要放在汽油機(jī)上，包括夾氣直噴及FAI直噴汽油機(jī)[11-12]，對于點(diǎn)燃式直噴重油發(fā)動機(jī)的研究處于起步階段[13-15]。

本文以某型二沖程氣道噴射式汽油機(jī)作為原型機(jī)，采用低壓空氣輔助缸內(nèi)直噴技術(shù)，結(jié)合雙火花塞電感點(diǎn)火技術(shù)，將其改造為點(diǎn)燃式重油直噴發(fā)動機(jī)，并自行開發(fā)了缸內(nèi)直噴重油發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)，采用柴油作為燃料，對發(fā)動機(jī)在中低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷狀態(tài)的性能進(jìn)行了試驗研究。

1試驗設(shè)備及試驗方案

1.1試驗設(shè)備及儀器

針對噴霧引導(dǎo)型的二沖程點(diǎn)燃式缸內(nèi)直噴重油發(fā)動機(jī)，進(jìn)行基于燃油噴射參數(shù)的發(fā)動機(jī)動力及排放性能的研究，采用低壓空氣輔助缸內(nèi)直噴方式供油，油氣軌及噴嘴安裝于發(fā)動機(jī)缸頭上部，低壓氣源為螺桿式空壓機(jī)ESA10，試驗用油壓和氣壓分別設(shè)定為0.65 MPa和0.85 MPa。空氣輔助缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的核心是空氣輔助噴油器，由三部分構(gòu)成：噴油器、噴氣閥和空氣腔，如圖1所示。噴油器的主要作用是計量燃油，并將具有一定壓力的燃油噴入空氣腔。噴油器噴出的燃油在空氣腔中進(jìn)行第一次霧化，形成的混合氣由噴氣閥噴入氣缸。

圖1　空氣輔助噴油器剖視圖

發(fā)動機(jī)具體相關(guān)參數(shù)如表1所示，試驗所用排放設(shè)備為NHA-401尾氣分析儀，對發(fā)動機(jī)排放進(jìn)行測試。內(nèi)燃機(jī)測控系統(tǒng)為杭州中成EST-2010，并配有CWF110G電渦流測功機(jī)及溫度壓力采集模塊。空燃比分析儀為Ecotrons公司的ALM-S，配有寬域氧傳感器LSU4.9，用于對發(fā)動機(jī)進(jìn)行空燃比控制。發(fā)動機(jī)控制采用自主開發(fā)的ECU，基于飛思卡爾16位微處理芯片的雙核控制器。圖2為點(diǎn)燃式重油發(fā)動機(jī)試驗臺架示意圖。圖3為搭建的發(fā)動機(jī)臺架系統(tǒng)現(xiàn)場圖。

表1　試驗發(fā)動機(jī)參數(shù)

圖2　點(diǎn)燃式重油發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)示意圖

圖3　點(diǎn)燃式重油發(fā)動機(jī)試驗臺架現(xiàn)場圖

1.2試驗方案

在中等轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況下，二沖程點(diǎn)燃式直噴發(fā)動機(jī)能夠在排氣口關(guān)閉后完成燃油噴射過程，從而容易實(shí)現(xiàn)分層燃燒，因此，選擇轉(zhuǎn)速3000 r/min、節(jié)氣門開度為10%(工況1)及轉(zhuǎn)速3000 r/min、節(jié)氣門開度為20%(工況2)的兩個工況(表2)進(jìn)行試驗。

表2　發(fā)動機(jī)試驗工況

圖4所示為關(guān)鍵電控參數(shù)的在線調(diào)整方案，主要關(guān)鍵參數(shù)包括：噴油脈寬(fuel pulse width,FPW)、油氣延時(fuel air delay,FAD)、噴氣脈寬(air pulse width,APW)、噴氣開始時刻(start of air injection,SOAI)、噴氣結(jié)束時刻(end of air injection,EOAI)、噴油開始時刻(start of fuel injection,SOFI)、噴油結(jié)束時刻(end of fuel injection,EOFI)、充磁脈寬(charge pulse width,CPW)以及點(diǎn)火提前角θig。本試驗主要圍繞噴油脈寬和噴氣結(jié)束時刻(噴氣結(jié)束角)來進(jìn)行研究，整個試驗過程中將油氣間隔固定為1 ms，噴氣脈寬固定為3 ms，充磁脈寬固定為5 ms，點(diǎn)火提前角θig固定為25°(本文中出現(xiàn)的點(diǎn)火提前角及噴油結(jié)束角均指的是上止點(diǎn)前的角度)。

圖4　噴油及點(diǎn)火參數(shù)時序示意圖

2試驗結(jié)果及分析

首先記錄實(shí)驗環(huán)境：室內(nèi)溫度26 ℃、相對濕度48%、壓力101 kPa、冷卻水溫90～100 ℃；然后利用自開發(fā)上位機(jī)標(biāo)定軟件實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)燃油噴射參數(shù)的在線修改：過量空氣系數(shù)α通過調(diào)整噴油脈寬來確定，范圍為0.85～1.15，噴油終止角調(diào)整范圍為40°～90°。

2.1工況1下噴油參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響

在試驗工況1下，過量空氣系數(shù)調(diào)整范圍為0.85～1.10。圖5～圖7為發(fā)動機(jī)性能數(shù)據(jù)，在不同過量空氣系數(shù)條件下，隨著噴氣結(jié)束時刻的提前，發(fā)動機(jī)輸出功率呈先增大后減小的趨勢，在噴氣終止時刻60°后，混合氣越濃，功率減小趨勢越平緩；燃油消耗率在噴氣終止時刻較晚時較大，噴氣結(jié)束時刻適度提前有利于減小燃油消耗率，但提前時刻過大會使噴氣脈寬所占曲軸角度與排氣口打開時角度重疊區(qū)增大，增加了因掃氣帶來的燃油損失；排氣溫度隨著噴氣結(jié)束時刻的提前逐漸增大，增加幅度基本在20～40 ℃之間；過量空氣系數(shù)對于發(fā)動機(jī)性能影響顯然較大，對于固定的噴氣結(jié)束時刻，當(dāng)混合氣由濃變稀時，發(fā)動機(jī)輸出功率逐步增大，燃油消耗率降低，排氣溫度升高，可見，在此發(fā)動機(jī)工況下，采用較稀混合氣有利于改善發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性。

圖5　噴油參數(shù)對動力性的影響(工況1)

圖6　噴油參數(shù)對燃油消耗率的影響(工況1)

圖7　噴油參數(shù)對排氣溫度的影響(工況1)

圖8～圖10為試驗工況1下的發(fā)動機(jī)排放性能數(shù)據(jù)，隨著噴氣結(jié)束時刻提前，HC及CO排放逐漸減小，CO2排放緩慢升高，在噴氣結(jié)束時刻提前至80°左右，偏濃混合氣下的HC及CO排放有一定程度的上升，CO2排放呈下降趨勢；過量空氣系數(shù)由0.85增大至1.1時，HC及CO排放大幅度下降，HC排放最低值為0.254‰，CO排放最低值為0.94%。因此，在此發(fā)動機(jī)工況下，采用較稀混合氣并且適度提前噴氣結(jié)束時刻能有效改善發(fā)動機(jī)排放性能。

圖8　噴油參數(shù)對HC排放的影響(工況1)

圖9　噴油參數(shù)對CO排放的影響(工況1)

圖10　噴油參數(shù)對CO2排放的影響(工況1)

2.2工況2下噴油參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響

在試驗工況2下，過量空氣系數(shù)調(diào)整范圍為0.94至1.15。圖11～圖13為發(fā)動機(jī)性能數(shù)據(jù)，不同于試驗工況1的是，較早的噴氣結(jié)束時刻能夠明顯地提升發(fā)動機(jī)輸出功率及改善燃油消耗率，當(dāng)噴氣結(jié)束時刻提前至80°之后，功率基本不再增加，并且發(fā)動機(jī)燃油消耗率在噴氣結(jié)束時刻60°～80°區(qū)別較小，排氣溫度在此發(fā)動機(jī)工況下對隨噴氣結(jié)束時刻提前變化不敏感，其變化量基本維持在5～10 ℃以內(nèi)。相比于試驗工況1，過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響產(chǎn)生了明顯的變化，當(dāng)過量空氣系數(shù)維持在1.0附近時，發(fā)動機(jī)輸出功率最大，混合氣較濃或較稀都會使得功率出現(xiàn)下降；過量空氣系數(shù)由0.94增大至1.15時，燃油消耗率逐漸降低，由于噴油脈寬減小使得噴入氣缸油量減少，減弱了燃油對氣缸工作表面的冷卻效果，使得排氣溫度整體升高。

圖11　噴油參數(shù)對動力性的影響(工況2)

圖12　噴油參數(shù)對燃油消耗率的影響(工況2)

圖13　噴油參數(shù)對排氣溫度的影響(工況2)

圖14～圖16為試驗工況2下的發(fā)動機(jī)排放性能數(shù)據(jù)，隨著噴氣結(jié)束時刻提前，HC排放先減小后逐漸增加，CO排放整體呈增加趨勢，尤其在70°～80°時刻增幅較大，CO2排放基本呈先增加后減小趨勢，70°時刻出現(xiàn)峰值；與試驗工況1一致，過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)排放性能影響很大，較稀的混合氣能夠大幅度降低HC及CO排放，同時增加了CO2排放。因此，當(dāng)噴氣結(jié)束時刻維持在70°，過量空氣系數(shù)處于偏稀區(qū)域，能夠很好地改善發(fā)動機(jī)的排放性能。

圖14　噴油參數(shù)對HC排放的影響(工況2)

圖15　噴油參數(shù)對CO排放的影響(工況2)

圖16　噴油參數(shù)對CO2排放的影響(工況2)

總之，在小負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度較小，采用稀混合氣及適度提前噴氣結(jié)束時刻的策略可以改善發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性；當(dāng)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度較大時，從考慮動力性角度出發(fā)，應(yīng)采用偏濃混合氣及進(jìn)一步提前噴氣結(jié)束時刻，而考慮發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能時，可采用稀混合氣，并且噴氣結(jié)束時刻取折中值，能夠大幅度降低HC及CO排放。

3總結(jié)

(1)節(jié)氣門開度較小時，適度提前噴氣結(jié)束時刻，發(fā)動機(jī)功率增加，燃油消耗率降低，排氣溫度小幅度升高，HC排放量減小，CO排放量減小，CO2排放量小幅度增加，過于提前會減小功率，增大燃油消耗率和HC排放；節(jié)氣門開度較大時，噴油結(jié)束時刻提前，發(fā)動機(jī)功率增加，燃油消耗率下降，當(dāng)推遲至一定程度，功率小幅度減小，燃油消耗率增加，排氣溫度、HC、CO及CO2排放量隨噴氣結(jié)束時刻提前變化幅度較小。

(2)節(jié)氣門開度較小時，噴油脈寬減小，過量空氣系數(shù)增大，發(fā)動機(jī)功率增大，燃油消耗率降低，排氣溫度升高；節(jié)氣門開度較大時，理論空燃比附近區(qū)域發(fā)動機(jī)功率較大，但燃油消耗率位于過量空氣系數(shù)較大區(qū)域較小，排氣溫度較高。HC及CO排放量隨著噴油脈寬減小大幅度減少，同時CO2排放量明顯增加。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-09

基金項目：江蘇省普通高校博士研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX_0244)

中圖分類號：V234

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.025

作者簡介：貝太學(xué)，男，1985年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院博士研究生。主要研究方向為活塞式發(fā)動機(jī)燃燒及性能分析。魏民祥，男，1963年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。劉銳，男，1988年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院博士研究生。季昊成，男，1990年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院博士研究生。常誠，男，1992年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院博士研究生。

Effects of Injection Parameters on Performance at Low Loads of a Spark-ignited Direct Injection Heavy-oil Engine

Bei TaixueWei MinxiangLiu RuiJi HaochengChang Cheng

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

Abstract:An experimental study on the influences of fuel injection parameters on the engine performance was carried out on a two-stroke engine with low pressure air assisted injection technology, and the effects of inject end time and excess air ratio on engine power, fuel economy and emission performance were studied under the conditions of middle speed under small load. Test results show that at the 10% throttle opening condition, with the end of the inject advance, the power first increases, then decreases, and the fuel consumption first decreases, then increases, and the HC and CO emissions are reduced. When mixed gas is diluted, the power increases, the fuel consumption is reduced, and the HC and CO emissions are reduced significantly. At the 20% throttle opening condition, with the end of the inject advances, the power increases, the fuel consumption decreases, HC emissions have a small decrease, and CO emissions have a small increase. When mixed gas is diluted, the fuel consumption is reduced, the HC and CO emissions are reduced greatly, and the maximum power appears in the stoichiomtric ratio.

Key words:spark-ignited heavy-oil engine；direct injection；low load；injection parameter；engine performance