改善M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能的試驗(yàn)研究

陳月春 李志杰 曾笑笑 史祥東 吳心波 李素婷

摘要： ?針對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境下難以形成足夠濃度可燃混合氣而導(dǎo)致的起動(dòng)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(jìn)其形成可燃混合氣；采用進(jìn)氣加熱方式將起動(dòng)階段進(jìn)入氣缸的甲醇混合氣加熱，提高甲醇蒸發(fā)速度，加速低溫下甲醇混合氣濃度達(dá)到著火界限。試驗(yàn)結(jié)果表明：空氣輔助噴射器對(duì)改善M100甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能有利，比普通甲醇噴射器的極限起動(dòng)溫度降低10 ℃；進(jìn)氣加熱可加速甲醇混合氣形成；兩種方案組合可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度5 ℃下缸內(nèi)著火。

關(guān)鍵詞： ?甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)；冷起動(dòng)；混合氣形成；進(jìn)氣溫度

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

中圖分類號(hào)： TK464 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?B ??文章編號(hào)： ??1001-2222（2024）01-0016-05

甲醇燃料具有生產(chǎn)成本低、燃燒排放性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是我國(guó)未來一段時(shí)間內(nèi)比較有競(jìng)爭(zhēng)力的替代燃料［1-3］。M100甲醇是無色、透明物質(zhì)，缺少低沸點(diǎn)組分，分子中含有極性羥基，是一種含氧碳?xì)浠衔?，具有熱值低、汽化潛熱大、飽和蒸氣壓低等特點(diǎn)［4-5］。常溫環(huán)境下M100甲醇燃料蒸發(fā)量?jī)H為汽油蒸發(fā)量的1/4，而且甲醇蒸發(fā)性能會(huì)隨著溫度降低而變差，這使得M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境中冷起動(dòng)性較差，甚至難以起動(dòng)；并且甲醇燃料汽化潛熱是汽油的3.7倍，起動(dòng)過程中噴向進(jìn)氣歧管的甲醇燃料會(huì)吸收大量熱，進(jìn)一步降低了進(jìn)氣歧管內(nèi)溫度，導(dǎo)致甲醇燃料蒸發(fā)更加困難，最終無法正常形成可燃混合氣，影響甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境下的起動(dòng)性能。有關(guān)研究資料表明［6］：當(dāng)環(huán)境溫度低于16 ℃，若不采取其他輔助措施，無法實(shí)現(xiàn)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。為改善M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能，目前一般采用汽油輔助起動(dòng)、柴油壓燃引燃、燃油水鍋爐加熱輔助起動(dòng)等技術(shù)方案。

通過對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)影響因素分析得知，導(dǎo)致其低溫起動(dòng)困難的根本因素有兩個(gè)：可燃混合氣濃度和可燃混合氣溫度?；诖?，本研究為提升M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，從改善甲醇燃料粒徑、加強(qiáng)蒸發(fā)霧化兩方面出發(fā)，提出了采用空氣輔助噴射器、進(jìn)氣加熱的冷起動(dòng)技術(shù)方案。采用空氣輔助噴射器改善可燃混合氣濃度，采用進(jìn)氣加熱提升混合氣溫度，最后在冷倉試驗(yàn)室開展M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)使用該方案的起動(dòng)效果。

1 ??試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1 ??試驗(yàn)設(shè)備及樣機(jī)

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(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮到上止點(diǎn)時(shí)難以達(dá)到甲醇的著火點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不了壓燃，一般采用點(diǎn)燃式燃燒方式。目前受限于甲醇燃油系統(tǒng)技術(shù)水平，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴的核心零部件可靠性暫時(shí)無法滿足產(chǎn)業(yè)化需求，多采用進(jìn)氣道噴射甲醇燃料方式［7］。本試驗(yàn)在濰柴WP13 M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上展開，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射甲醇、缸內(nèi)火花塞點(diǎn)燃方式。為了驗(yàn)證空氣輔助噴射對(duì)冷起動(dòng)的改善效果，試驗(yàn)時(shí)將原機(jī)普通進(jìn)氣道噴射方式改為進(jìn)氣道壓縮空氣輔助噴射。在M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過程中，提高進(jìn)氣溫度可以促進(jìn)甲醇燃料的蒸發(fā)，改善混合氣霧化效果，從而加速燃燒。本試驗(yàn)采用自主開發(fā)的ECU軟件對(duì)空氣輔助噴射器進(jìn)行噴射控制，采用ES635設(shè)備測(cè)試起動(dòng)過程中排氣尾管 λ 變化，試驗(yàn)過程中采用連續(xù)測(cè)量模式，起動(dòng)方式為蓄電池帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)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(xì)化，增大其與空氣接觸表面積，從而提升低溫環(huán)境下的甲醇燃料濃度，在短時(shí)間內(nèi)形成均質(zhì)混合氣。關(guān)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(yàn)采用的空氣輔助噴射器是一種組合噴嘴，由甲醇燃料計(jì)量噴嘴和氣體噴嘴兩部分構(gòu)成，通過甲醇燃料計(jì)量噴嘴將一定壓力的甲醇噴入其與氣體噴嘴之間的預(yù)混合腔，與一定壓力的空氣在預(yù)混合腔進(jìn)行初次混合，再通過氣體噴嘴內(nèi)部流道對(duì)混合氣進(jìn)行二次混合，最后將混合氣噴出并進(jìn)入進(jìn)氣道［10-12］。壓縮空氣離開噴嘴時(shí)會(huì)迅速膨脹，高速氣流克服液體表面張力，從而促進(jìn)燃料霧化?？諝廨o助噴射器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

空氣輔助噴射系統(tǒng)組成見圖2。該系統(tǒng)主要包括甲醇箱、電動(dòng)甲醇泵、甲醇濾清器、甲醇?jí)毫φ{(diào)節(jié)閥（限壓閥）、空氣輔助噴嘴、氣壓調(diào)節(jié)閥（減壓閥）、壓縮空氣等。甲醇燃料通過電動(dòng)甲醇泵和壓力調(diào)節(jié)閥（0.7 MPa）供應(yīng)到甲醇噴嘴，通過甲醇?jí)毫刂崎y調(diào)節(jié)甲醇燃料噴射壓力。本試驗(yàn)中，甲醇噴射壓力通過限壓閥穩(wěn)定控制在0.7 MPa，使用臺(tái)架提供的壓縮空氣，并由氣壓調(diào)節(jié)閥將壓縮空氣壓力設(shè)置為 0.4 MPa。

在冷倉開展M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)前，對(duì)空氣輔助噴射器開展了不同壓力下流量特性試驗(yàn)。表2列出空氣輔助噴射器流量特性測(cè)試數(shù)據(jù)，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(duì)改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)有積極作用。

1.3 ??試驗(yàn)方案

為了研究空氣輔助噴射器對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)改善效果，本次冷起動(dòng)試驗(yàn)設(shè)置了兩種試驗(yàn)方案（見表4）。參考GB/T 12535—2007標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)兩種試驗(yàn)方案分別開展了起動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)。將裝配空氣輔助噴射器、加熱格柵的WP13 M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)放置在冷倉，先開展常溫下起動(dòng)試驗(yàn)，之后依次開展更低溫度下起動(dòng)試驗(yàn)，直到缸內(nèi)無著火跡象。具體操作步驟：將M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷凍至對(duì)應(yīng)溫度并保溫8 h，起動(dòng)試驗(yàn)開始前開啟ES635測(cè)量設(shè)備并處于測(cè)量模式，低溫環(huán)境下開啟進(jìn)氣加熱功能［13-17］，待進(jìn)氣加熱時(shí)間結(jié)束后用起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后（以ECU控制邏輯切斷狀態(tài)跳變作為起動(dòng)成功與否的判斷標(biāo)志），怠速運(yùn)行相同時(shí)間后熄火，記錄起動(dòng)過程參數(shù)。

2 ??試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 ??空氣輔助噴射器對(duì)起動(dòng)的影響

2.1.1 ?常溫環(huán)境下起動(dòng)效果對(duì)比

在環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)。圖3示出M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速對(duì)比。從圖3可以看出：采用空氣輔助噴射器時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)1 s后缸內(nèi)迅速著火，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間轉(zhuǎn)速上沖至1 000 r/min，說明起動(dòng)階段缸內(nèi)能形成足夠濃度可燃混合氣，火花塞可將缸內(nèi)甲醇燃料混合氣點(diǎn)燃，表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上沖；而采用普通噴射器則無法實(shí)現(xiàn)順利起動(dòng)，原因在于：普通甲醇噴射器噴霧粒徑較大，大粒徑甲醇蒸發(fā)緩慢且容易在進(jìn)氣道壁面形成甲醇液膜，不利于蒸發(fā)，多個(gè)噴射循環(huán)后蒸發(fā)累積的濃度并未達(dá)到著火濃度，且多次噴射后大粒徑甲醇燃料容易導(dǎo)致火花塞淹缸，從而無法順利著火。常溫下M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：采用空氣輔助噴射方式更容易加速缸內(nèi)可燃混合氣的形成速率，霧化效果滿足起動(dòng)階段混合氣濃度要求，可實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)甲醇混合氣即點(diǎn)即著。

為更進(jìn)一步驗(yàn)證不同噴射方式對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成過程的影響，對(duì)不同噴霧粒徑下進(jìn)氣道甲醇附壁量進(jìn)行仿真模擬，仿真計(jì)算結(jié)果見圖4。仿真結(jié)果表明：采用空氣輔助噴射器（30 μm），進(jìn)氣道附壁量比常規(guī)噴射器（120 μm）降低46%。仿真結(jié)果也可進(jìn)一步說明使用空氣輔助噴射器可降低甲醇燃料進(jìn)氣道附壁量，對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能。

在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上安裝λ空燃比監(jiān)測(cè)設(shè)備，以監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒情況。 λ 可直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)空氣和燃料的混合比例，本次試驗(yàn)采用ES635設(shè)備，該設(shè)備可高精度測(cè)量排放廢氣中氧含量，測(cè)量的 λ 范圍為0.6～16。在排氣尾管中測(cè)量的 λ 變化也一定程度上反映了缸內(nèi)甲醇混合氣形成過程，對(duì)采用空氣輔助噴射器起動(dòng)方式下起動(dòng)階段的 λ 進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出：采用空氣輔助噴射器，起動(dòng)初期 λ 值迅速下降，由起動(dòng)前的最高值4.7下降至0.9附近，說明當(dāng)空氣輔助噴射器開始工作時(shí)，缸內(nèi)瞬間可形成足夠濃度的可燃混合氣。由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(dǎo)致瞬間 λ 值降至1以下，待發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速逐步穩(wěn)定， λ值也趨于穩(wěn)定，λ 均值在1.0附近。

2.1.2 ?不同環(huán)境下起動(dòng)效果對(duì)比

對(duì)采用空氣輔助噴射器的M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，依次開展了環(huán)境溫度15 ℃，5 ℃，0 ℃下起動(dòng)試驗(yàn)。 不同環(huán)境溫度下采取的輔助起動(dòng)措施見表5，不同起動(dòng)措施下起動(dòng)過程見圖6。

環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)只采用空氣輔助噴射器，起動(dòng)過程采取加濃噴射策略，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)約0.5 s后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上沖至1 000 r/min，起動(dòng)瞬間著火性能較好。

當(dāng)環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)，同時(shí)開啟進(jìn)氣加熱功能，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)1.5 s后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)第一次上沖（約400 r/min），但發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表明缸內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)著火。使用ES635設(shè)備對(duì)排氣尾管中 λ 進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí) λ 最低為0.7（見圖7），說明此時(shí)缸內(nèi)有一定濃度可燃混合氣，但隨后循環(huán)中 λ 均值為3.3左右，缸內(nèi)無足夠濃度可燃混合氣，導(dǎo)致無著火跡象。原因分析：起動(dòng)初期采用進(jìn)氣加熱+空氣輔助噴射方案，加熱方案為起動(dòng)前加熱，待加熱時(shí)間結(jié)束后停止加熱，因此在起動(dòng)初期進(jìn)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(shí)現(xiàn)起動(dòng)初期缸內(nèi)著火；但隨著停止加熱后進(jìn)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(dǎo)致甲醇無法進(jìn)一步霧化蒸發(fā)，形不成可燃混合氣，起動(dòng)后期缸內(nèi)無著火現(xiàn)象。

當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，采用空氣輔助噴射器+進(jìn)氣加熱組合方案，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為純拖動(dòng)轉(zhuǎn)速（150 r/min），缸內(nèi)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(gè)循環(huán)后缸內(nèi)溫度提升，部分流入缸內(nèi)的甲醇燃料霧化蒸發(fā)，導(dǎo)致排氣尾管中 λ 出現(xiàn)較低值，但該濃度仍無法實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。

2.2 ??進(jìn)氣加熱對(duì)起動(dòng)的影響

研究表明：當(dāng)環(huán)境溫度為16 ℃時(shí)，甲醇燃料不蒸發(fā)［6］?；谠摷状既剂侠砘匦?，在環(huán)境溫度10 ℃左右，采用進(jìn)氣加熱技術(shù)方案，對(duì)WP13甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)開展有無進(jìn)氣加熱功能的起動(dòng)性能試驗(yàn)研究［11-13］。圖8示出不同方案下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線。由圖8知，當(dāng)不開啟進(jìn)氣加熱格柵時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初期為純拖動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)轉(zhuǎn)速為154 r/min，拖動(dòng)9 s缸內(nèi)無著火跡象，在9.7 s時(shí)缸內(nèi)有輕微著火跡象，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上沖至272 r/min。可能原因是多個(gè)拖動(dòng)循環(huán)后缸內(nèi)溫度較高，導(dǎo)致流入缸內(nèi)的甲醇蒸發(fā)霧化，滿足點(diǎn)火最小濃度需求瞬間產(chǎn)生著火。不開啟進(jìn)氣加熱起動(dòng)時(shí)， λ 平均值約為12（見圖9），表明缸內(nèi)基本未形成可燃混合氣。

進(jìn)氣加熱試驗(yàn)前開啟進(jìn)氣加熱格柵加熱功能，并根據(jù)格柵溫升特性曲線控制格柵加熱時(shí)間為40 s，加熱結(jié)束后進(jìn)氣總管溫度升至74 ℃， 停止加熱后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)0.9 s后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至190 r/min，1.2 s后缸內(nèi)出現(xiàn)首次著火現(xiàn)象，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上沖至365 r/min，說明開啟進(jìn)氣加熱格柵后，進(jìn)氣管內(nèi)溫度提升，對(duì)改善甲醇燃料霧化蒸發(fā)有積極作用，可瞬間形成較大濃度可燃混合氣，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)成功點(diǎn)火。圖9 排氣管中 λ 變化曲線也證明，開啟進(jìn)氣加熱后 λ 變小。但隨著拖動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，流經(jīng)加熱格柵的氣體溫度逐步降低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射附壁甲醇的進(jìn)一步蒸發(fā)，導(dǎo)致不能形成連續(xù)著火，發(fā)動(dòng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)自行運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著循環(huán)數(shù)增加，缸內(nèi)溫度提升，缸內(nèi)再次具備著火條件，轉(zhuǎn)速上沖至432 r/min。開啟進(jìn)氣加熱功能后，起動(dòng)階段排氣管中 λ 平均值在2左右，說明低溫環(huán)境下開啟進(jìn)氣加熱，在一定程度上可改善進(jìn)氣道噴射甲醇的蒸發(fā)，對(duì)起動(dòng)有利。

3 ??結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能，該噴射方式能明顯縮短甲醇燃料霧化蒸發(fā)時(shí)間，加速缸內(nèi)可形成足夠濃度的可燃混合氣的速度；

b） 進(jìn)氣加熱在一定程度上可加速進(jìn)氣道中M100甲醇燃料的蒸發(fā)，對(duì)改善缸內(nèi)著火條件有利，配合空氣輔助噴射器能實(shí)現(xiàn)5 ℃下缸內(nèi)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(jiǎn)介： ??陳月春（1983—），男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樘娲剂习l(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)及優(yōu)化；chenyc@weichai.com。