喷嘴开启压力对DISI甲醇发动机燃烧和排放的影响

宫长明， 彭乐高， 孙景震， 王康， 李栋， 陈天翔

(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)



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1台经过改装的1.99 L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2 000 r/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。

燃料喷嘴； 开启压力； 缸内直喷； 点燃式甲醇发动机； 燃烧； 排放

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。

1 试验设备

试验在1台1.99 L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]。

表1 改装前后发动机相关参数的对比

2 试验结果及分析

2.1 分层控制及分析

在发动机转速2 000 r/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]。

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]。

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)。

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，机械损失相对不变，ηm=1-pm/pi，负荷增加使pi增加，pm相对保持不变，所以机械效率增加。随着负荷增加，燃烧速度加快，燃烧效率提高，散热损失减小，ηit提高，同时由于ηm随负荷增加而增加，所以由ηet=ηitηm可知，有效热效率随着负荷增加而增加。

2.2 两组体质量净增值的比较 出生至42 d、42 d～2个月、2～3个月，体质量净增值干预组均大于对照组，差异有统计学意义(均P<0.05)，而3～6个月两组体质量净增值差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

在小负荷工况下，甲醇喷射量很少，缸内平均过量空气系数大，混合气过稀，难以组织合适的混合气浓度分层分布，会出现大面积的稀熄火区，隔断火焰传播，造成燃烧不完全[24]，特别在强涡流的影响下分层效果更差，造成有效热效率较低。随着负荷的增加，甲醇喷射量增加， 在喷油器喷孔布置和燃烧室内涡流运动共同影响下形成较好的分层，燃烧质量较好，大部分燃料能够在上止点附近燃烧完毕，有效热效率上升。

图5示出2 000 r/min全负荷下喷嘴开启压力与直喷甲醇发动机热效率的关系。由图5可知，与12.5 MPa时相比，喷嘴开启压力为7.5 MPa的有效热效率有1.5%的增幅，与17.5 MPa时相比有3%的增幅。原因是甲醇黏度小, 流阻也小, 蒸发性和雾化性比较好，甲醇的这种特性完全可以弥补压力低造成的喷射质量降低。另外采用较低喷嘴开启压力可以降低燃料供给系统的负荷，使得喷油泵泵油的辅助功减小，直喷甲醇发动机的输出功增加。在较高喷嘴开启压力条件下，燃料喷射雾化质量好，

加上强涡流作用，混合气均匀性好，分层很不明显，混合气整体较稀，在上止点附近燃烧部分较少,有效热效率偏低。

2.3 喷嘴开启压力对气缸压力和放热率的影响

图6示出2 000 r/min全负荷下喷嘴开启压力对气缸压力和放热率的影响。试验结果表明，喷射压力对缸内压力的影响并不明显，主要是因为甲醇本身黏度较小，蒸发性较好，容易形成可燃混合气。当喷嘴开启压力为7.5 MPa时缸压峰值稍高，主要是缸内能形成良好的分层效果，前期燃烧速度较快。当喷嘴开启压力为17.5 MPa时缸内混合气分层效果不佳，整体混合气略稀，前期燃烧速度比7.5 MPa和12.5 MPa时慢，燃烧持续期长，导致缸内压力略低。喷嘴开启压力为7.5 MPa时前期放热率高于喷嘴开启压力为12.5 MPa和17.5 MPa时，放热率峰值相对较高，同时由于混合气分层效果比较明显，燃烧后期混合气很稀，放热率小于喷嘴开启压力为12.5 MPa和17.5 MPa时。

2.4 喷嘴开启压力对滞燃期和燃烧持续期的影响

图7示出2 000 r/min全负荷工况下，喷嘴开启压力对滞燃期和燃烧持续期的影响。由图7可知，喷射压力增大，滞燃期和燃烧持续期稍有延长但不明显。

在2 000 r/min时缸内涡流强度大，喷嘴开启压力高对应喷射压力较高，甲醇喷射雾化质量非常好，燃油颗粒索特平均直径很小，燃油均匀性较好，再加上强的涡流，甲醇混合气变稀，平均火焰传播速度整体下降，燃烧持续期稍长。喷嘴开启压力较低时甲醇雾化较差，在强涡流引导下能形成较好的分层混合气，火花塞附近甲醇混合气较浓，大部分的浓混合气在上止点附近燃烧完且燃烧速度很快，远离火花塞区域数量不多的较稀的混合气在已燃浓混合气影响下也能燃烧完全。虽然远离火花塞区域较稀混合气燃烧速度比高喷射压力平均燃烧速度慢，但其数量很少，所以整体上燃烧持续期在喷射压力为7.5 MPa时最短，但与其他喷射压力下差别不明显。

2.5 喷嘴开启压力对排放的影响

图8示出2 000 r/min时喷嘴开启压力对直喷甲醇发动机排放的影响。

由图8可知，3种喷嘴开启压力下HC排放都随着负荷的增大而减小，在喷嘴开启压力为7.5 MPa时明显大于另外两种喷嘴开启压力时，且随着负荷增大这种差别变小。主要是因为负荷较小时，甲醇喷射量少，甲醇混合气过稀，分层效果很差，燃烧恶化，再加上甲醇的理化特性，燃烧进一步恶化，HC排放量增加；另外甲醇混合气过稀可能导致失火现象的发生，从而小负荷时HC排放更高[25]。负荷增大甲醇喷射量较多，甲醇混合气加浓，分层效果明显，燃烧质量变好，HC排放开始减少，负荷为0.6 MPa时达到最低。负荷增大时，随着混合气加浓，喷嘴开启压力带来的喷雾质量的影响已被削弱，不同开启压力下 HC排放差别越来越小。

CO排放不像HC排放具有单调性。小负荷时甲醇混合气较稀，又因甲醇汽化潜热高，燃烧过程中有低温区域产生，导致CO排放较高。随着负荷增加，甲醇喷射量增多，混合气加浓且混合质量逐渐升高，CO排放得到改善。当负荷继续加大到某一时刻时CO排量开始上升。当喷嘴开启压力较低时，甲醇雾化质量差，燃油蒸发量少，在强涡流作用下缸内混合气分布很不均匀，低温区域产生的概率就大，CO排放偏高。随着负荷的增大，甲醇自身理化特性使喷射压力成为次要因素，不同喷射压力下的CO排放差别越来越小。负荷很大时，相对于喷嘴开启压力为12.5 MPa和17.5 MPa时，7.5 MPa时CO排放增加明显。这是因为喷射压力较小时，喷射雾化质量差，配合缸内涡流运动，容易形成分层混合气，超浓混合气在燃烧前期燃烧，会有较多CO产生。

NOx排放随负荷增大单调递增，且喷嘴开启压力越大增加趋势越明显。负荷较小时甲醇喷射量少，甲醇混合气过稀，基本上没有分层，再加上甲醇的理化性质，燃烧恶化，使燃烧最高温度低，虽然喷嘴开启压力对甲醇混合气分布有影响，但甲醇喷射量占主要因素，所以小负荷时，3种开启压力下NOx排放差别不大。随着负荷的增大，甲醇喷射量增大，最高燃烧温度大，NOx排放开始增加。较高的喷嘴开启压力可以提高喷射雾化质量，油滴的喷射能量增大，喷雾均匀度提高，气体的扰动及卷吸作用加强，又因强涡流作用，混合气分层特征不明显，基本上是均质稍稀混合气，有利于NOx生成。

由HC，CO和NOx排放看出，直喷甲醇发动机分层燃烧质量是影响其排放的重要指标，正是由于小负荷分层燃烧难以实现，因此，小负荷时直喷甲醇发动机的排放和经济性成为限制其性能全面提高的一个重要因素。

3 结论

a) 喷嘴开启压力对直喷甲醇发动机放热率、缸压的影响不明显，喷嘴开启压力为7.5 MPa时的气缸压力峰值稍高于12.5 MPa和17.5 MPa时，喷嘴开启压力为7.5 MPa时燃烧持续期短，较多的燃料在靠近燃烧上止点急速燃烧，放热率在燃烧前期要大于12.5 MPa和17.5 MPa时；燃烧后期喷嘴开启压力为7.5 MPa时由于分层混合气很稀薄，放热率最小；

b) 喷射压力对排放的影响明显，小负荷喷嘴开启压力为17.5 MPa时，CO和HC排放较低， NOx排放差别不明显；负荷增大时，甲醇混合气加浓，喷嘴开启压力对HC和CO排放影响削弱，但对NOx排放影响明显。

[1] Seto T,Yoshida Y,Yamaguchi I,et al.Combustion exhaust emissions of the spark-assisted methanol diesel engine[C]．SAE Paper 861165,1986.

[2] Frank B.An overview of the technique implications of methanol and ethanol as highway motor vehicle fuels[C]．SAE Paper 912413,1991.

[3] Bassem H R,Fakhri J H,Charles L G,et al.Numerical evaluation of a methanol fueled directly-injected engine[C]．SAE Paper 2002-01-2702.

[4] Heinrich W,Marquardt K J,Schaefer A J.Methanol as a fuel for commercial vehicle[C]．SAE Paper 861581,1986.

[5] Wei Y J,Liu S H,Liu F J,et al.Aldehydes and methanol emission mechanisms and characteristics froma methanol/gasoline fueled spark-ignition(SI) engine[J]．Energy Fuels,2009,23(12)：6222-6230.

[6] Nadir Yilmaz.Comparative analysis of biodiesel-ethanol-diesel and Biodiesel-methanol-diesel blends in a diesel engine[J]．Energy,2012,40:210-213.

[7] Vancoillie J,Demuynck J,Sileghem L,et al.Comparison of the renewable transportation fuels, hydrogen and methanol formed from hydrogen, with gasoline -Engine efficiency study[J]．Hydrogen Energy,2012,37:9914-9924.

[8] Yusuf Cay,Ibrahim Korkmaz.Prediction of engine performance and exhaust emissions for gasoline and methanol using artificial neural network[J]．Energy,2013,50:177-186.

[9] 李骏，宫长明，王忠，等.点火和喷射正时对甲醇发动机冷启动非常规排放的影响[J]．吉林大学学报(工学版)，2010，40(5)：1188-1192.

[10] 王舒.电控喷射点燃式甲醇发动机起动性能研究[D]．长春：吉林大学，2007.

[11] 宫长明，张自雷，贾京龙，等.点燃式缸内直喷甲醇发动机甲醛和未燃甲醇排放特性[J]．吉林大学学报(工学版)，2012，42(4)：867-870.

[12] 魏衍举,刘圣华,刘方杰,等.甲醇汽油发动机醇醛排放特性及其影响因素研究[J]．西安交通大学学报，2011，45(1)：1-5.

[13] 张娟利，杨天华，张新庄，等.低比例甲醇汽油的挥发性研究[J]．车用发动机,2014(2)：78-81.

[14] 梁霞，尧命发，郑尊清.二甲基醚/甲醇双燃料均质压燃低温氧化反应机理数值模拟[J]．燃烧科学与技术，2005(2):17-22.

[15] Melvin Woods.High Pressure Fuel Injection for High Power Density Diesel Engines[C]．SAE Paper 2000-01-1186.

[16] Dodge L D.Effect of Small Holes and High Injection Pressures on Diesel Engine Combustion[C]．SAE Paper 2002-01-0494.

[17] Hountalas D T.Effect of Injection Pressure on the Performance and Exhaust Emissions of a Heavy Duty DI Diesel Engine[C]．SAE Paper 2003-01-0340.

[18] Chrsitophe Garsi.Potential to Improve Specific Power Using Very High Injection Pressure In HSDI Diesel Engines[C]．SAE Paper 2009-01-1524.

[19] Sangwook Han.The Influence of Fuel Injection Pressure and Intake Pressure on Conventional and Low Temperature Diesel Combustion[C]．SAE Paper 2012-01-1721.

[20] Seung Yeon Yang.An experimental Study on the Effects of High-pressure and Multiple Injection Strategies on DI Diesel Engine Emissions[C]．SAE Paper 2013-01-0045.

[21] Feng Tao.E ffect of Ultra-High Injection Pressure on Diesel Ignition and Flame under High-Boost Conditions[C]．SAE Paper 2008-01-1603.

[22] 姚春德.启喷压力对直喷式柴油机燃烧的影响[J]．内燃机工程，1993，14(4)：7-12.

[23] 史绍熙.提高喷射压力改善130系列柴油机燃烧过程的研究[J]．内燃机学报，1991,9(4)：300-306.

[24] 吴亚兰，王进，刘萌，等.纯甲醇发动机冷启动系统开发[J]．车用发动机，2014(5):26-29.

[25] 侯令川，王忠，安玉光，等.柴油机燃用甲醇-生物柴油混合燃料的性能与排放研究[J]．车用发动机，2011(2)：30-33.

[26] 宫长明，郭英男，谭满志，等.改善火花助燃甲醇发动机小负荷经济性的研究[J]．汽车技术，1995,10(5)：28-31.

[27] 杜志环，岂斌，刘慧，等.高压共轨燃油喷射雾化特性试验研究[J]．内燃机与动力装置，2011(2):4-7.

[28] 曹建明，李雪莉，刘朋，等.喷射压力对喷雾的影响[J]．长安大学学报,2009(4)：91-97.

[编辑： 袁晓燕]

Effects of Injector Opening Pressure on Combustion and Emission of DISI Methanol Engine

GONG Changming1, PENG Legao2, SUN Jingzhen2, WANG Kang2, LI Dong2, CHEN Tianxiang2

(1. School of Electromechanical & Information Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China;2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

On a retrofited 1.99 L direct injection and naturally aspirated spark-ignition (DISI) methanol engine, the effects of injector opening pressure on engine effective thermal efficiency, combustion and emission were researched. At different loads of 2 000 r/min, the experiments of 7.5 MPa, 12.5 MPa and 17. 5 MPa injector opening pressure were conducted. The results show that the effective thermal efficiency, maximum in-cylinder pressure and heat release rate slightly increase, but the HC and CO emissions will increase obviously at low load with the decrease of injector opening pressure. At high load, the increasing opening pressure will lead to the obvious increase of NOx.

fuel injector; opening pressure; in-cylinder direct injection; spark-ignition methanol engine; combustion; emission

2014-08-30；

2015-04-02

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)

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。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.015

TK464

B

1001-2222(2015)03-0070-06