喷射参数对点燃式重油直喷发动机小负荷性能的影响

贝太学　魏民祥　刘　锐　季昊成　常　诚

南京航空航天大学，南京，210016



喷射参数对点燃式重油直喷发动机小负荷性能的影响

贝太学魏民祥刘锐季昊成常诚

南京航空航天大学，南京，210016

摘要：在一台采用低压空气辅助喷射技术的二冲程点燃式重油直喷发动机上，进行了燃油喷射参数对发动机性能影响的试验研究，研究了中等转速小负荷工况下，喷气结束时刻及过量空气系数对发动机动力性、燃油经济性及排放性能的影响。试验结果表明：节气门开度为10%时，随着喷气结束时刻提前，功率先增大后减小，油耗先减小后增加，HC及CO排放有小幅度减少；混合气由浓变稀时，功率增加，油耗降低，HC及CO排放大幅度减少。节气门开度为20%时，随着喷气结束时刻提前，功率增大，油耗减小，HC排放有小幅度减少，CO排放有小幅度增加；混合气由浓变稀时，油耗降低，HC及CO排放大幅度减少，最大功率出现在理论空燃比附近。

关键词：点燃式重油发动机；缸内直喷；小负荷；喷油参数；发动机性能

0引言

二冲程发动机具有结构简单、升功率高、成本低廉等优点，广泛应用于摩托车、舷外机和割草机等领域[1-3]。但由于汽油闪点低，使用及储运过程中易发生着火爆炸事故，限制了传统二冲程汽油机在安全要求高的军事场合的应用。煤油或柴油等重油闪点高，在使用及储运过程比较安全，结合重油燃料及二冲程点燃式发动机的优点，使得点燃式重油发动机非常适用于此类特殊场合[4-5]。

传统非缸内直喷二冲程发动机燃用重油燃料时，冷起动困难[6]；另外，传统二冲程发动机存在扫气损失及过后排气损失问题，燃油经济性差、排放高且小负荷工况下易失火。若采用缸内直喷方式，尤其是空气辅助直喷技术，不仅可以大幅度减小燃油粒径，改善燃油雾化效果，结合有效的点火控制，能够解决点燃式重油发动机冷起动问题；而且在中低转速小负荷工况下适当采用晚喷技术，理论上可以改善二冲程发动机存在的燃烧扫气损失及过后排气损失，保证发动机功率的同时降低油耗及排放[5]。

二冲程直喷发动机对缸内混合气状态较敏感，喷油量及喷射时刻对油气在缸内的混合及运动状态有很大影响，在晚喷状态易形成分层混合气，火花塞周围混合气浓度分布等决定了发动机缸内初始火焰传播过程，从而影响发动机燃烧性能。因此，有必要开展基于燃油喷射参数的小负荷发动机性能研究。

目前，国外对缸内直喷技术及点燃式重油活塞发动机的研究较多，Padala等[7]学者采用空气辅助喷射技术研究了喷油脉宽及喷射正时角对二冲程直喷汽油机动力性能及排放性能的影响，与原型机对比后表明了该项直喷技术的应用潜力；Groenewegen等[8-9]研究了空气辅助气道喷射点燃式发动机分别燃用煤油、柴油及生物柴油的动力及排放特性，论证了多种重油燃料满足军队普遍需求的可行性。Falkowski等[10]在二冲程和四冲程烧重油发动机上使用空气辅助直喷技术，进行了部分负荷、全负荷及冷起动试验，得到了大量性能数据。

近年来国内学者对点燃式二冲程直喷发动机研究主要放在汽油机上，包括夹气直喷及FAI直喷汽油机[11-12]，对于点燃式直喷重油发动机的研究处于起步阶段[13-15]。

本文以某型二冲程气道喷射式汽油机作为原型机，采用低压空气辅助缸内直喷技术，结合双火花塞电感点火技术，将其改造为点燃式重油直喷发动机，并自行开发了缸内直喷重油发动机电控系统，采用柴油作为燃料，对发动机在中低转速小负荷状态的性能进行了试验研究。

1试验设备及试验方案

1.1试验设备及仪器

针对喷雾引导型的二冲程点燃式缸内直喷重油发动机，进行基于燃油喷射参数的发动机动力及排放性能的研究，采用低压空气辅助缸内直喷方式供油，油气轨及喷嘴安装于发动机缸头上部，低压气源为螺杆式空压机ESA10，试验用油压和气压分别设定为0.65 MPa和0.85 MPa。空气辅助缸内直喷系统的核心是空气辅助喷油器，由三部分构成：喷油器、喷气阀和空气腔，如图1所示。喷油器的主要作用是计量燃油，并将具有一定压力的燃油喷入空气腔。喷油器喷出的燃油在空气腔中进行第一次雾化，形成的混合气由喷气阀喷入气缸。

图1　空气辅助喷油器剖视图

发动机具体相关参数如表1所示，试验所用排放设备为NHA-401尾气分析仪，对发动机排放进行测试。内燃机测控系统为杭州中成EST-2010，并配有CWF110G电涡流测功机及温度压力采集模块。空燃比分析仪为Ecotrons公司的ALM-S，配有宽域氧传感器LSU4.9，用于对发动机进行空燃比控制。发动机控制采用自主开发的ECU，基于飞思卡尔16位微处理芯片的双核控制器。图2为点燃式重油发动机试验台架示意图。图3为搭建的发动机台架系统现场图。

表1　试验发动机参数

图2　点燃式重油发动机试验系统示意图

图3　点燃式重油发动机试验台架现场图

1.2试验方案

在中等转速小负荷工况下，二冲程点燃式直喷发动机能够在排气口关闭后完成燃油喷射过程，从而容易实现分层燃烧，因此，选择转速3000 r/min、节气门开度为10%(工况1)及转速3000 r/min、节气门开度为20%(工况2)的两个工况(表2)进行试验。

表2　发动机试验工况

图4所示为关键电控参数的在线调整方案，主要关键参数包括：喷油脉宽(fuel pulse width,FPW)、油气延时(fuel air delay,FAD)、喷气脉宽(air pulse width,APW)、喷气开始时刻(start of air injection,SOAI)、喷气结束时刻(end of air injection,EOAI)、喷油开始时刻(start of fuel injection,SOFI)、喷油结束时刻(end of fuel injection,EOFI)、充磁脉宽(charge pulse width,CPW)以及点火提前角θig。本试验主要围绕喷油脉宽和喷气结束时刻(喷气结束角)来进行研究，整个试验过程中将油气间隔固定为1 ms，喷气脉宽固定为3 ms，充磁脉宽固定为5 ms，点火提前角θig固定为25°(本文中出现的点火提前角及喷油结束角均指的是上止点前的角度)。

图4　喷油及点火参数时序示意图

2试验结果及分析

首先记录实验环境：室内温度26 ℃、相对湿度48%、压力101 kPa、冷却水温90～100 ℃；然后利用自开发上位机标定软件实现对发动机燃油喷射参数的在线修改：过量空气系数α通过调整喷油脉宽来确定，范围为0.85～1.15，喷油终止角调整范围为40°～90°。

2.1工况1下喷油参数对发动机性能的影响

在试验工况1下，过量空气系数调整范围为0.85～1.10。图5～图7为发动机性能数据，在不同过量空气系数条件下，随着喷气结束时刻的提前，发动机输出功率呈先增大后减小的趋势，在喷气终止时刻60°后，混合气越浓，功率减小趋势越平缓；燃油消耗率在喷气终止时刻较晚时较大，喷气结束时刻适度提前有利于减小燃油消耗率，但提前时刻过大会使喷气脉宽所占曲轴角度与排气口打开时角度重叠区增大，增加了因扫气带来的燃油损失；排气温度随着喷气结束时刻的提前逐渐增大，增加幅度基本在20～40 ℃之间；过量空气系数对于发动机性能影响显然较大，对于固定的喷气结束时刻，当混合气由浓变稀时，发动机输出功率逐步增大，燃油消耗率降低，排气温度升高，可见，在此发动机工况下，采用较稀混合气有利于改善发动机动力性及经济性。

图5　喷油参数对动力性的影响(工况1)

图6　喷油参数对燃油消耗率的影响(工况1)

图7　喷油参数对排气温度的影响(工况1)

图8～图10为试验工况1下的发动机排放性能数据，随着喷气结束时刻提前，HC及CO排放逐渐减小，CO2排放缓慢升高，在喷气结束时刻提前至80°左右，偏浓混合气下的HC及CO排放有一定程度的上升，CO2排放呈下降趋势；过量空气系数由0.85增大至1.1时，HC及CO排放大幅度下降，HC排放最低值为0.254‰，CO排放最低值为0.94%。因此，在此发动机工况下，采用较稀混合气并且适度提前喷气结束时刻能有效改善发动机排放性能。

图8　喷油参数对HC排放的影响(工况1)

图9　喷油参数对CO排放的影响(工况1)

图10　喷油参数对CO2排放的影响(工况1)

2.2工况2下喷油参数对发动机性能的影响

在试验工况2下，过量空气系数调整范围为0.94至1.15。图11～图13为发动机性能数据，不同于试验工况1的是，较早的喷气结束时刻能够明显地提升发动机输出功率及改善燃油消耗率，当喷气结束时刻提前至80°之后，功率基本不再增加，并且发动机燃油消耗率在喷气结束时刻60°～80°区别较小，排气温度在此发动机工况下对随喷气结束时刻提前变化不敏感，其变化量基本维持在5～10 ℃以内。相比于试验工况1，过量空气系数对发动机性能的影响产生了明显的变化，当过量空气系数维持在1.0附近时，发动机输出功率最大，混合气较浓或较稀都会使得功率出现下降；过量空气系数由0.94增大至1.15时，燃油消耗率逐渐降低，由于喷油脉宽减小使得喷入气缸油量减少，减弱了燃油对气缸工作表面的冷却效果，使得排气温度整体升高。

图11　喷油参数对动力性的影响(工况2)

图12　喷油参数对燃油消耗率的影响(工况2)

图13　喷油参数对排气温度的影响(工况2)

图14～图16为试验工况2下的发动机排放性能数据，随着喷气结束时刻提前，HC排放先减小后逐渐增加，CO排放整体呈增加趋势，尤其在70°～80°时刻增幅较大，CO2排放基本呈先增加后减小趋势，70°时刻出现峰值；与试验工况1一致，过量空气系数对发动机排放性能影响很大，较稀的混合气能够大幅度降低HC及CO排放，同时增加了CO2排放。因此，当喷气结束时刻维持在70°，过量空气系数处于偏稀区域，能够很好地改善发动机的排放性能。

图14　喷油参数对HC排放的影响(工况2)

图15　喷油参数对CO排放的影响(工况2)

图16　喷油参数对CO2排放的影响(工况2)

总之，在小负荷工况下，发动机节气门开度较小，采用稀混合气及适度提前喷气结束时刻的策略可以改善发动机动力性、经济性及排放特性；当发动机节气门开度较大时，从考虑动力性角度出发，应采用偏浓混合气及进一步提前喷气结束时刻，而考虑发动机燃油经济性及排放性能时，可采用稀混合气，并且喷气结束时刻取折中值，能够大幅度降低HC及CO排放。

3总结

(1)节气门开度较小时，适度提前喷气结束时刻，发动机功率增加，燃油消耗率降低，排气温度小幅度升高，HC排放量减小，CO排放量减小，CO2排放量小幅度增加，过于提前会减小功率，增大燃油消耗率和HC排放；节气门开度较大时，喷油结束时刻提前，发动机功率增加，燃油消耗率下降，当推迟至一定程度，功率小幅度减小，燃油消耗率增加，排气温度、HC、CO及CO2排放量随喷气结束时刻提前变化幅度较小。

(2)节气门开度较小时，喷油脉宽减小，过量空气系数增大，发动机功率增大，燃油消耗率降低，排气温度升高；节气门开度较大时，理论空燃比附近区域发动机功率较大，但燃油消耗率位于过量空气系数较大区域较小，排气温度较高。HC及CO排放量随着喷油脉宽减小大幅度减少，同时CO2排放量明显增加。

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(编辑王旻玥)

收稿日期：2015-09-09

基金项目：江苏省普通高校博士研究生科研创新计划资助项目(KYLX_0244)

中图分类号：V234

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

作者简介：贝太学，男，1985年生。南京航空航天大学能源与动力学院博士研究生。主要研究方向为活塞式发动机燃烧及性能分析。魏民祥，男，1963年生。南京航空航天大学能源与动力学院教授、博士研究生导师。刘锐，男，1988年生。南京航空航天大学能源与动力学院博士研究生。季昊成，男，1990年生。南京航空航天大学能源与动力学院博士研究生。常诚，男，1992年生。南京航空航天大学能源与动力学院博士研究生。

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