夏志豪 楊 陳 史程中 潘建考

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著汽車保有量的增加以及環(huán)境污染和石油基燃料的日益短缺促使環(huán)境法規(guī)不斷加嚴(yán)，針對(duì)提升內(nèi)燃機(jī)熱效率，降低排放的新技術(shù)，例如增壓小型化、缸內(nèi)直噴、稀薄燃燒、混合動(dòng)力等逐漸成為整車廠的研究重點(diǎn)；另一方面，醇類燃料、壓縮天然氣、液化石油氣、二甲醚和生物柴油等替代燃料也成為研究熱點(diǎn)[1-2]。

純乙醇研究法辛烷值遠(yuǎn)高于汽油，在汽油中添加乙醇可以提高燃料的抗爆性，有利于采用高壓縮比從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。同時(shí)乙醇為含氧燃料，氧化燃燒充分，碳煙排放低，而且來源廣泛、生產(chǎn)技術(shù)成熟、運(yùn)輸方便，不同參比的乙醇汽油是理想的石油替代燃料之一[3]。乙醇在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用已有較長的歷史，國內(nèi)外對(duì)于電控汽油機(jī)燃用低比例的乙醇汽油混合燃料的燃燒特性已有較多的研究[4]。

本文針對(duì)不同乙醇比例的汽油燃料用做發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)，其缸內(nèi)燃燒特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)如表1 所示，試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是量產(chǎn)的3 缸小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如表2 所示。

表1 試驗(yàn)主要設(shè)備

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的92#汽油（E0）、22%體積比例乙醇汽油（E22）、100%乙醇（E100）的參數(shù)如表3 所示。

表3 汽油和甲醇性質(zhì)

為了研究3 種燃料在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷中的燃燒性能特性，在試驗(yàn)過程中，分別選擇低中高轉(zhuǎn)速和低中高負(fù)荷進(jìn)行分析，為了排除電控參數(shù)對(duì)燃燒的影響，采用相同點(diǎn)火角和氣門正時(shí)相位控制。由于燃料熱值不同，試驗(yàn)過程中適當(dāng)調(diào)整噴油量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同。試驗(yàn)工況和邊界條件見表4。

表4 燃燒控制參數(shù)

2 性能及燃燒分析

2.1 50%燃燒重心分析

50%燃燒重心體現(xiàn)的是燃料燃燒轉(zhuǎn)化為推動(dòng)功的有效性，50%燃燒重心太靠前，由于活塞下行速度較慢，燃燒熱量無法快速推動(dòng)活塞下行，不利于化學(xué)能轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)能，若50%燃燒重心靠后，活塞下行有效行程較短，燃燒熱量沒有足夠時(shí)間做功，就排出缸外，研究表明，最佳50%燃燒重心在8～12°CA 之間[5]。

圖1、2、3 表示發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下燃用不同燃料的50%燃燒重心的對(duì)比圖。

圖1 BEMP=0.2MPa 50%燃燒重心對(duì)比圖

從對(duì)比圖可見，在相同壓縮比情況下，乙醇燃料燃燒速度較汽油燃料快，乙醇的添加加快了缸內(nèi)燃油的燃燒速度。相同點(diǎn)火角、低中負(fù)荷下，E22 相對(duì)于E0 和E100 燃料，50%燃燒重心更加接近最佳角度，轉(zhuǎn)速對(duì)50%燃燒重心影響并不大。試驗(yàn)用燃油E0 的熱值是E100 的1.71 倍，在其他相同的電控參數(shù)條件下，E100 燃料供給量相對(duì)E0 需要增加約1.5倍，所以燃燒重心并沒有明顯提前。特別需要說明的是，在5 500 r/min 轉(zhuǎn)速BMEP 為2.0 MPa 情況下，燃用E100 燃料，采用與E0 相同的點(diǎn)火角，排氣溫度超過950 ℃的限值，點(diǎn)火角在原來基礎(chǔ)上提前了5°CA，50%的燃燒重心提前了4°CA，同時(shí)由于噴油器流量限制，噴油相位提前了20°CA。

圖2 BEMP=1.0MPa 50%燃燒重心對(duì)比圖

圖3 BEMP=2.0 MPa 50%燃燒重心對(duì)比圖

2.2 著火延遲期與燃燒持續(xù)期分析

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程可以分為點(diǎn)火延遲期和主燃燒期，火花塞點(diǎn)火開始到10%放熱量定義為點(diǎn)火延遲期，將10%放熱量視為主燃燒階段的開始，90%放熱量視為主燃燒時(shí)期結(jié)束，10%放熱量到90%放熱量所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)過的角度定義為燃燒持續(xù)期[6]。

乙醇為含氧燃料，著火燃燒濃度界限比汽油的相應(yīng)范圍要寬得多，比汽油更容易點(diǎn)燃，且能在比較稀的混合氣下工作[7]。

圖4、5、6 分別為不同負(fù)荷轉(zhuǎn)速不同燃料的著火延遲期對(duì)比圖。低轉(zhuǎn)速情況下，E22 與E100 燃料相對(duì)于E0 燃料著火延遲期縮短約1°CA，燃料的影響差異并不大

圖4 BEMP=0.2 MPa 著火延遲期對(duì)比圖

圖5 BEMP=1.0 MPa 著火延遲期對(duì)比圖

圖6 BEMP=2.0 MPa 著火延遲期對(duì)比圖

圖7、8、9 為燃燒持續(xù)期對(duì)比圖，低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下，E22 和E100 相對(duì)于E0 燃燒持續(xù)期明顯降低縮短約1～2°CA，轉(zhuǎn)速5 500 r/min，BMEP 為0.2 MPa情況下，即使E100 燃油量增加，燃燒持續(xù)期也有一定縮短。BMEP1.0 MPa 的中負(fù)荷工況下，燃燒持續(xù)期3 種燃料并無太大差異，雖然乙醇燃料的添加能提高燃燒速度，但是由于熱值低，保證相同的性能輸出，單缸燃料增加，相對(duì)延長了燃燒總體時(shí)間。BMEP 在2.0 MPa，轉(zhuǎn)速在1 500 r/min 和3 000 r/min 情況與中等負(fù)荷相同。特別需要注意的是，在高速大負(fù)荷情況下，雖然燃燒速度提升會(huì)縮短燃燒持續(xù)期，但是由于乙醇燃料的添加，總體降低了燃料熱值，為了保證相同的輸出功率，單缸供油量需要增加，燃燒持續(xù)期相對(duì)增加了0.5～1°CA。

圖7 BEMP=0.2 MPa 燃燒持續(xù)期對(duì)比圖

圖8 BEMP=1.0 MPa 燃燒持續(xù)期對(duì)比圖

圖9 BEMP=2.0 MPa 燃燒持續(xù)期對(duì)比圖

2.3 最大爆發(fā)壓力與壓力升高率分析

最大爆發(fā)壓力表征的是燃燒的最大壓力，其限制于活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力。一般來說最大爆發(fā)壓力越高，示功圖上做功的面積越大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也越高[8]。

圖10、11、12 為3 種燃料不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷的最大爆發(fā)壓力對(duì)比圖。從對(duì)比圖上可以看出，相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，燃用E0、E22、E100，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力逐步增加。試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，保持與汽油機(jī)相同的增壓度，使用乙醇燃料可以提升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，提升動(dòng)力性。對(duì)于直接將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更改為燃用乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，爆發(fā)壓力的增加需要重新校核曲軸、連桿、活塞等運(yùn)動(dòng)件的強(qiáng)度。

圖10 BEMP=0.2 MPa 最大爆發(fā)壓力對(duì)比圖

圖11 BEMP=1.0 MPa 最大爆發(fā)壓力對(duì)比圖

圖12 BEMP=2.0 MPa 最大爆發(fā)壓力對(duì)比圖

壓力升高率表征著缸內(nèi)燃燒壓力增加的快慢，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲與振動(dòng)水平，相同的點(diǎn)火角，燃燒速度越快，燃料的化學(xué)能越能有效轉(zhuǎn)化為活塞的動(dòng)能，熱效率也越高，但是同時(shí)壓力升高率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲也越大，振動(dòng)強(qiáng)度也越大[9]。

圖13、14、15 為不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷壓力升高率對(duì)比圖，同樣由于燃燒速度增加，壓力升高率有小幅增加，相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，燃用E0、E22、E100，缸內(nèi)最大壓力升高率逐步增加，最大增加約0.05 MPa/°CA。

圖13 BEMP=0.2 MPa 壓力升高率對(duì)比圖

圖14 BEMP=1.0 MPa 壓力升高率對(duì)比圖

圖15 BEMP=2.0 MPa 壓力升高率對(duì)比圖

3 結(jié)論

通過本試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1）乙醇的添加加快了缸內(nèi)燃油的燃燒速度，相同點(diǎn)火角低中負(fù)荷下，E22 相對(duì)于E0 和E100 燃料，50%燃燒重心更加接近最佳角度。在其他相同的電控參數(shù)條件下，E100 燃料供給量相對(duì)E0 需要增加約1.5 倍，燃燒重心并沒有明顯提前。

2）低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷下，添加乙醇燃料，著火延遲期縮短約1°CA，高轉(zhuǎn)速由于氣體湍動(dòng)能大，3 種燃料沒有較大差異。

3）燃用不同乙醇參比的乙醇燃料在中等負(fù)荷下燃料的燃燒持續(xù)期相差不大，高速大負(fù)荷下，雖然乙醇燃料的添加能提高燃燒速度，但是由于熱值低，保證相同的性能輸出，單缸燃料增加，相對(duì)延長了燃燒總體持續(xù)時(shí)間。

4）從E0 到E100，在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，壓力升高率增加約0.02～0.05 MPa/°CA，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致最大爆發(fā)壓力增加0.2～0.5 MPa，且隨負(fù)荷的增加而逐漸增大。

5）在不進(jìn)行任何調(diào)整的情況下，燃用高參比的乙醇汽油，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加劇，車內(nèi)噪聲較高，影響駕駛舒適性，甚至損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。