不同负荷下喷射时刻对重油发动机性能的影响

杨白凡,杨海青，刘　锐

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京　210016)



不同负荷下喷射时刻对重油发动机性能的影响

杨白凡,杨海青，刘锐

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京210016)

摘要：针对某型采用空气辅助燃油喷射系统的二冲程直喷重油发动机，通过试验研究了在中间转速小负荷与高转速大负荷工况下喷射时刻对直喷重油发动机动力性、经济性以及排气温度的影响。试验结果表明：在小负荷工况下，随着喷射时刻的提前，功率增大，油耗率降低，排气温度随负荷的加大下降幅度增大；在大负荷工况下，随着喷射时刻的提前，虽然存在1个或多个不稳定运行工况点，但总体上功率先增大后减小，油耗率先下降后上升，排气温度先下降后回升，可调整喷射时刻范围较大。

关键词：二冲程点燃式发动机；重油；缸内直喷；发动机性能；喷射时刻

二冲程点燃式活塞发动机以其具有高功重比、结构紧凑、体积小、质量轻、易维护等特点，广泛应用于轻型航空飞行器、舷外机、雪地车以及便携式发电机等对机动性要求较高的场合。相比汽油燃料，重油具备闪点高、不易挥发、易获取等特点，使其在燃料储运、使用安全及价格上有较大优势[1]。结合重油与二冲程点燃式发动机的特点，点燃式重油发动机有着较好的应用前景。在环境温度较低时，重油燃料蒸发性差、黏度大，难以在缸内形成可燃混合气，冷起动困难[2]，且受制于火花塞积碳的问题，使得点燃式重油发动机的发展受到限制[3]。随着电控技术的发展以及缸内直喷技术的和配套的先进燃烧系统的出现，使得二冲程点燃式发动机能通过对喷油时刻的控制，减轻或消除传统二冲程发动机在扫气过程中存在的燃油短路损失以及排气损失，提高了燃油经济性，减轻了HC排放，具有重要的应用价值[4]。

目前，国外对二冲程点燃式缸内直喷重油发动机有较全面的研究，拥有成熟的燃油雾化、缸内流动以及缸内直喷燃烧技术[5]。其中，缸内直喷系统主要分为空气辅助燃油喷射系统与高压燃油喷射系统两类。高压燃油喷射系统由于受到结构的限制，难以在结构紧凑的二冲程发动机上得到应用。澳大利亚Orbital公司生产的空气辅助燃油喷射系统(air-assist direct injection system)具备极好的燃油雾化效果、紧凑的布局方式以及对活塞顶部形状无特殊要求的特点，应用最为广泛[6]。国内学者近年来的研究主要针对二冲程点燃式直喷汽油机，如天津大学的杨延相、蔡晓林[7]对FAI二冲程直喷汽油机性能进行了全面的研究。但对于二冲程点燃式重油发动机的研究尚处于起步阶段，大多数研究尚停留在数值仿真。石允、宁智[8]对二冲程点燃式直喷重油发动机缸内混合气的形成进行了数值模拟研究，确定了对重油混合气形成的影响因素。王永伟等[9]对空气辅助二冲程直喷发动机的点火及喷油正时控制策略进行了初步研究。

对于二冲程点燃式直喷重油发动机，燃油喷射时缸内的环境温度以及燃油持续蒸发时间对可燃混合气形成速率以及缸内可燃混合气数量有着至关重要的影响，是二冲程缸内直喷重油发动机开发过程中重点关注的因素。

点燃式重油活塞发动机中的重油指的是航空煤油(JP5、JP8)或轻质柴油[10]。其中，轻质柴油在市场上最为常见，便于获取，价格低廉。本文对某型二冲程点燃式进气道喷射汽油发动机进行直喷化改造，采用0号柴油作为燃料。通过实验的方法，分别研究了在小负荷与大负荷工况下喷射时刻对直喷重油发动机动力性能、燃油经济性以及排气温度的影响。

1直喷燃烧系统设计及改造

1.1空气辅助燃油喷射技术

直喷重油试验样机采用AADI直喷技术。如图1所示，空气辅助燃油喷射系统由2部分组成：① 燃油计量喷嘴，类似于进气道喷射使用的燃油计量喷嘴；② 气质雾化喷嘴(直喷喷嘴)。燃油计量喷嘴将一定压力的燃油(0.75～0.90 MPa)喷入与气质雾化喷嘴之间的交界处，并与一定压力的空气(0.50～0.65 MPa)进行初次混合，气质雾化喷嘴再将油气混合物通过喷嘴内部通道进行二次混合后将其喷入气缸内。气质雾化喷嘴出口气体速度达到超音速水平，强大的气动力促使油束分裂、雾化，燃油的索特平均直径(SMD)可达5～8 μm，有利于促进可燃混合气的形成，且对燃油种类不敏感[11]。在低速小负荷工况下，采用较晚的喷射时刻使缸内形成高度分层的稀薄混合气，有利于提高发动机的燃油经济性以及冷起动性能。在高速大负荷工况下，采用较早的喷射时刻，缸内为均质混合气，可确保发挥发动机的动力性能[12]。

1.2燃烧室与直喷化改造

原型机为某型直列三缸二冲程进气道喷射汽油机。在试验样机的直喷化改造过程中，对原型机的机体、曲轴箱、配气相位、进/排气系统、润滑系统及主要附件配件不进行改动，将燃烧室形状由对称盆形改为偏置深坑浴盆形，并重新设计直喷缸盖以及油/气共轨装置用于AADI直喷系统的布置。表1为直喷化改造前后发动机主要参数对比。

图1　空气辅助喷射原理

表1　直喷化改造前后发动机主要参数对比

2试验设备及试验方案

2.1试验设备

主要试验设备如表2所示。图2为直喷重油试验样机台架示意图。图3为试验搭建的发动机台架系统实物。

表2　主要试验设备

图2　直喷重油试验样机台架示意图

图3　直喷重油发动机台架系统实物

2.2试验方案

在中间转速小负荷工况下，尽量选择较晚的喷射时刻，在缸内形成分层可燃混合气，有利于燃料的燃烧。在高速大负荷工况下，由于燃油喷射量的增大，需要有足够的时间供燃油蒸发，应选择较早的喷射时刻。节气门开度在20%～28%时为小负荷工况，相应选择50°～110°CA BTDC的喷气结束角；节气门开度在41%～55%时为大负荷工况，相应选择80°～180°CA BTDC的喷气结束角，以保证燃油有充足的时间在缸内进行蒸发。AADI直喷喷嘴向缸内喷射的为燃油与空气的混合物。定义喷气结束角出现时为缸内喷射结束时刻，喷油时刻为燃油计量喷嘴的喷射时刻。

图4为典型AADI直喷系统的喷射次序。表3为相应负荷下的试验工况点。

图4　AADI直喷系统喷射次序图

表3　试验工况点

试验过程中主要调整的参数为喷气结束时刻，控制其他参数保持一致，其中点火提前角θ为25°CA BTDC，喷气脉宽为3 ms，油气间隔为1 ms，充磁脉宽为5 ms。在小负荷与大负荷各工况下，保持相应的喷油脉宽不变。

3试验结果及分析

3.1在中间转速小负荷工况下喷射时刻对发动机性能的影响

3.1.1喷气结束角对功率的影响

从图5可知：对于工况点1，2，3，随着喷气结束时刻的提前，发动机的有效功率随之增大。节气门开度越大，有效功率上升的幅度就越大，可调整喷气结束角的范围也越大。这是因为：喷气结束角越大，缸内燃油实际蒸发时间就越大，形成的可燃混合气数量也就越多；节气门开度越大，进气节流损失就越小，充气效率就越高，有效功率上升幅度也就越大。

图5　在工况点1，2，3输出功率随喷气结束角的变化

3.1.2喷气结束角对排气温度的影响

排气温度反映了燃烧过程结束时发动机气缸内的温度。排气温度过高表明发动机燃烧过慢。柴油燃烧为扩散性燃烧，火焰传播速率较慢。火焰传播速率主要与可燃混合气形成速率以及缸内湍流强度有关。可燃混合气形成速率越快，缸内湍流强度就越大，火焰传播速率就越快，燃烧过程中后燃期就越短，排气温度也就越低。

从图6可知：在工况点1，排气温度随喷气结束时刻的提前先上升后下降，且变化幅度不大；在工况点2，3，排气温度随喷气结束时刻的提前先大幅度下降后小幅度回升。这说明，适当提前喷气结束时刻可以加快可燃混合气形成速率，降低缸内燃烧终了温度，但过早的喷气时刻会使缸内燃烧情况恶化，排气温度上升。此外，在节气门开度很小时，进气节流损失很大，缸内湍流强度较小，不利于火焰的传播。可见，对于工况点1，增大喷气结束角可以加快混合气形成速率，但缸内较弱的湍流强度是影响排气温度的主要因素。

3.1.3喷气结束角对油耗率的影响

从图7可知：对于工况点1，2，3，随着喷气结束时刻的提前，发动机的油耗率随之下降，但整体油耗较大。在试验过程中，同一工况下喷油量不变，油耗率与输出功率成反比，随着有效功率的上升，油耗率相应减小。在小负荷工况下，节气门开度小，充气效率较低，不易发挥发动机的动力性能，因此油耗普遍偏大。不过，适当提前缸内喷射时刻可以在一定程度上降低油耗。

图6　在工况点1，2，3排气温度随喷气结束角的变化

图7　在工况点1，2，3油耗率随喷气结束角的变化

3.2在高转速大负荷工况下喷射时刻对发动机性能的影响

在高转速大负荷工况下，由于可用喷射时间的缩短以及燃油喷射量的增大，必须提前缸内喷射时刻。这样就造成一定量的燃油是在排气口关闭前喷射，存在一定的燃油短路损失。在试验过程中发现：在相应工况下存在某几个喷气结束时刻，发动机不能稳定运行。表4为在工况点4，5，不同喷气结束时刻试验样机的运行状态。

这说明，随着喷气时刻的提前，燃油短路损失并不是线性增加，而是在某些时刻存在较大燃油短路损失，即使燃油蒸发时间加长，可燃混合气数量有所增加，但实际停留在缸内的可燃混合气数量也无法维持发动机稳定运转。

表4　直喷试验样机运行状态

○代表稳定运行，●代表无法稳定运行。

3.2.1喷气结束角对功率的影响

从图8可知：对于工况点4，在喷气结束角由80°CA BTDC增至140°CA BTDC的过程中，输出功率上升；当喷气结束角为150°CA BTDC时，输出功率下降明显，此时燃油短路损失较大，但缸内实际可燃混合气数量仍能维持发动机稳定运行；在喷气结束角由150°CA BTDC增至180°CA BTDC的过程中，输出功率先上升后下降。对于工况点5，在喷气结束角由90°CA BTDC增至150°CA BTDC的过程中，输出功率明显上升；在喷气结束角由150°CA BTDC增大至180°CA BTDC的过程中，输出功率逐渐下降。

图8　在工况4，5输出功率随喷气结束角的变化

这说明在大负荷工况下，输出功率并不是随着喷气时刻的提前持续增大。在合适的较早喷气时刻下，可燃混合气的增量比例最大，缸内实际可燃混合气数量增加，有利于提升发动机的动力性能。

3.2.2喷气结束角对排气温度的影响

由图9可知：在工况点4，5，随着喷气结束时刻的提前，排气温度先大幅度下降，后小幅回升。其中在工况点4，喷气结束时刻较晚时，即喷气结束角为80°CA BTDC时，排气温度高达707 ℃。当喷气结束角为150°CA BTDC时，排气温度为617 ℃，下降70 ℃。对于工况点5，排气温度下降幅度也较大，为48 ℃。

本试验样机的原型机要求发动机的排气温度不超过680 ℃，过高的排气温度会导致发动机气缸壁面温度过高，使油膜受损、传热增加、缸盖和活塞顶温度升高，造成发动机高温粘缸、损坏发动机的重大事故。适当提前的喷射时刻有利于降低排气温度，使发动机工作在安全温度范围内。

图9　在工况点4，5排气温度随喷气结束角的变化

3.2.3喷气结束角对油耗率的影响

由图10可知：对于工况点4，在喷气结束角由80°CA BTDC升至140°CA BTDC的过程中，油耗率逐渐下降；当喷气结束角增至150°CA BTDC时，油耗率显著上升，此时燃油短路损失较大；在喷气结束角由150°CA BTDC增至180°CA BTDC的过程中，油耗率先下降后有小幅回升。对于工况点5，随着喷气结束角的增大，油耗率先下降，后上升，与发动机的输出功率相对应。选择合理的较早的喷气时刻，能在一定程度上提高发动机的燃油经济性。

图10　在工况点4，5油耗率随喷气结束角的变化

4结束语

1) 适当提前的喷射时刻有利于提升缸内可燃混合气形成速率、增加缸内实际可燃混合气的数量，在一定程度上可以提升试验样机的动力性以及经济性，并降低排气温度。特别是在大负荷工况下，喷射时刻的提前能大幅度降低排气温度，使发动机工作在安全温度范围内。

2) 通过试验总结了在不同转速与负荷下直喷重油试验样机性能随喷射时刻变化的变化规律；为下一步安全进行试验样机全负荷性能试验提供了指导方向与理论依据。

3) 重油燃油的辛烷值不及汽油的一半，因此点燃式重油发动机极容易发生爆震。推迟点火时刻有利于抑制爆震。本研究在试验过程中未对点火时刻进行优化，因此在今后全负荷试验中，应对各转速下的点火时刻进行优化，避免爆震的出现，提高直喷重油试验样机的爆震极限功率。

参考文献：

[1]杨致明,李隆强.舰载无人机的活塞式发动机燃油问题与对策[C]//尖兵之翼——中国无人机大会.北京：[s.n.],2006:535-538.

[2]杨光,魏民祥,李军.活塞式煤油发动机冷起动点火能量试验研究[J].公路与汽运,2013(3):13-16.

[3]潘钟键,何清华,杨晶.活塞航空重油发动机发展现状[J].科技导报,2013,31(34):65-68.

[4]SCHMIDT S,EICHLSEDER H,KIRCHBERGER R,et al.GDI with high-performance 2-stroke application:Concepts,experiences and potential for the future[R].[S.l.]:SAE Technical Paper,2004.

[5]LA C,MURPHY P,CAKEBREAD S.Benchmarking a 2-Stroke Spark Ignition Heavy Fuel Engine[R].[S.l.]:SAE Technical Paper,2012.

[6]HULL W,BEU J,JORENBY J,et al.Optimization of a direct-injected 2-stroke cycle Snowmobile[J].SAE transactions,2003,112(3):2160-2173.

[7]蔡晓林.FAI二冲程缸内直喷汽油机的研究[D].天津：天津大学,2005.

[8]石允.小型点燃式二冲程活塞重油发动机混合气形成的模拟研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[9]王永伟,魏民祥,杨海青，等.空气辅助缸内直喷发动机正时控制策略[J].航空动力学报,2014,29(12):2942-2947.

[10]李苏琪.点燃式重油发动机混合气形成与燃烧过程的研究[D].北京：北京交通大学,2015.

[11]CATHCART G,DICKSON G,AHERN S.The application of air-assist direct injection for spark-ignited heavy fuel 2-stroke and 4-stroke engines[R].[S.l.]:SAE Technical Paper,2005.

[12]马帅,刘娜,胡春明.二冲程重油发动机技术现状及发展方向[J].小型内燃机与车辆技术，2015,44(2):87-91.

(责任编辑陈艳)

Influence of Injection Timing on Engine Performance of a Heavy Fuel Engine Under Different Loads

YANG Bai-fan, YANG Hai-qing, LIU Rui

(College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:Experiments were carried out to research the influence of direct injection timing on engine power, fuel consumption rate and exhaust temperature of a 2-stroke heavy fuel engine based on AADI system under different loads of part loads and heavy loads. The experiment result show that: under part loads, with the injection timing advances, the engine power increases, and the fuel consumption rate and the exhaust temperature decrease accordingly. Under heavy loads, with the injection timing advances, there are several unsteady working conditions which can not affect the pattern, the engine power increases firstly, and then decreases, and the fuel consumption rate and exhaust temperature decreases firstly, and then increases, and there exists a large range of adjustable injection timing angle.

Key words:two-stroke spark-ignited engine; heavy fuel; direct injection; engine performance; injection timing

收稿日期：2015-01-10

基金项目：江苏省普通高校研究生科研创新计划(KYLX15_0262)

作者简介：杨白凡(1991—),男,苏州人,硕士研究生,主要从事内燃机性能仿真与控制研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.008

中图分类号：V234

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)05-0041-06

引用格式：杨白凡,杨海青，刘锐.不同负荷下喷射时刻对重油发动机性能的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2016(5):41-46.

Citation format：YANG Bai-fan, YANG Hai-qing, LIU Rui.Influence of Injection Timing on Engine Performance of a Heavy Fuel Engine Under Different Loads[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):41-46.