某小型增压发动机不同燃料燃烧特性和性能研究

夏志豪 杨 陈 史程中 潘建考

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

随着汽车保有量的增加以及环境污染和石油基燃料的日益短缺促使环境法规不断加严，针对提升内燃机热效率，降低排放的新技术，例如增压小型化、缸内直喷、稀薄燃烧、混合动力等逐渐成为整车厂的研究重点；另一方面，醇类燃料、压缩天然气、液化石油气、二甲醚和生物柴油等替代燃料也成为研究热点[1-2]。

纯乙醇研究法辛烷值远高于汽油，在汽油中添加乙醇可以提高燃料的抗爆性，有利于采用高压缩比从而提升发动机热效率。同时乙醇为含氧燃料，氧化燃烧充分，碳烟排放低，而且来源广泛、生产技术成熟、运输方便，不同参比的乙醇汽油是理想的石油替代燃料之一[3]。乙醇在发动机上的应用已有较长的历史，国内外对于电控汽油机燃用低比例的乙醇汽油混合燃料的燃烧特性已有较多的研究[4]。

本文针对不同乙醇比例的汽油燃料用做发动机燃料时，其缸内燃烧特点进行分析，并对整车动力性和经济性进行了研究。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备

主要试验设备参数如表1 所示，试验用发动发动机是量产的3 缸小排量涡轮增压发动机，其主要参数如表2 所示。

表1 试验主要设备

表2 发动机主要参数

1.2 试验方法

试验采用的92#汽油（E0）、22%体积比例乙醇汽油（E22）、100%乙醇（E100）的参数如表3 所示。

表3 汽油和甲醇性质

为了研究3 种燃料在不同转速和负荷中的燃烧性能特性，在试验过程中，分别选择低中高转速和低中高负荷进行分析，为了排除电控参数对燃烧的影响，采用相同点火角和气门正时相位控制。由于燃料热值不同，试验过程中适当调整喷油量，保证发动机输出转矩相同。试验工况和边界条件见表4。

表4 燃烧控制参数

2 性能及燃烧分析

2.1 50%燃烧重心分析

50%燃烧重心体现的是燃料燃烧转化为推动功的有效性，50%燃烧重心太靠前，由于活塞下行速度较慢，燃烧热量无法快速推动活塞下行，不利于化学能转化为发动机输出动能，若50%燃烧重心靠后，活塞下行有效行程较短，燃烧热量没有足够时间做功，就排出缸外，研究表明，最佳50%燃烧重心在8～12°CA 之间[5]。

图1、2、3 表示发动机在不同转速、不同负荷下燃用不同燃料的50%燃烧重心的对比图。

图1 BEMP=0.2MPa 50%燃烧重心对比图

从对比图可见，在相同压缩比情况下，乙醇燃料燃烧速度较汽油燃料快，乙醇的添加加快了缸内燃油的燃烧速度。相同点火角、低中负荷下，E22 相对于E0 和E100 燃料，50%燃烧重心更加接近最佳角度，转速对50%燃烧重心影响并不大。试验用燃油E0 的热值是E100 的1.71 倍，在其他相同的电控参数条件下，E100 燃料供给量相对E0 需要增加约1.5倍，所以燃烧重心并没有明显提前。特别需要说明的是，在5 500 r/min 转速BMEP 为2.0 MPa 情况下，燃用E100 燃料，采用与E0 相同的点火角，排气温度超过950 ℃的限值，点火角在原来基础上提前了5°CA，50%的燃烧重心提前了4°CA，同时由于喷油器流量限制，喷油相位提前了20°CA。

图2 BEMP=1.0MPa 50%燃烧重心对比图

图3 BEMP=2.0 MPa 50%燃烧重心对比图

2.2 着火延迟期与燃烧持续期分析

点燃式发动机的燃烧过程可以分为点火延迟期和主燃烧期，火花塞点火开始到10%放热量定义为点火延迟期，将10%放热量视为主燃烧阶段的开始，90%放热量视为主燃烧时期结束，10%放热量到90%放热量所对应的曲轴转过的角度定义为燃烧持续期[6]。

乙醇为含氧燃料，着火燃烧浓度界限比汽油的相应范围要宽得多，比汽油更容易点燃，且能在比较稀的混合气下工作[7]。

图4、5、6 分别为不同负荷转速不同燃料的着火延迟期对比图。低转速情况下，E22 与E100 燃料相对于E0 燃料着火延迟期缩短约1°CA，燃料的影响差异并不大

图4 BEMP=0.2 MPa 着火延迟期对比图

图5 BEMP=1.0 MPa 着火延迟期对比图

图6 BEMP=2.0 MPa 着火延迟期对比图

图7、8、9 为燃烧持续期对比图，低转速低负荷工况下，E22 和E100 相对于E0 燃烧持续期明显降低缩短约1～2°CA，转速5 500 r/min，BMEP 为0.2 MPa情况下，即使E100 燃油量增加，燃烧持续期也有一定缩短。BMEP1.0 MPa 的中负荷工况下，燃烧持续期3 种燃料并无太大差异，虽然乙醇燃料的添加能提高燃烧速度，但是由于热值低，保证相同的性能输出，单缸燃料增加，相对延长了燃烧总体时间。BMEP 在2.0 MPa，转速在1 500 r/min 和3 000 r/min 情况与中等负荷相同。特别需要注意的是，在高速大负荷情况下，虽然燃烧速度提升会缩短燃烧持续期，但是由于乙醇燃料的添加，总体降低了燃料热值，为了保证相同的输出功率，单缸供油量需要增加，燃烧持续期相对增加了0.5～1°CA。

图7 BEMP=0.2 MPa 燃烧持续期对比图

图8 BEMP=1.0 MPa 燃烧持续期对比图

图9 BEMP=2.0 MPa 燃烧持续期对比图

2.3 最大爆发压力与压力升高率分析

最大爆发压力表征的是燃烧的最大压力，其限制于活塞、曲柄连杆机构所承受的最大应力。一般来说最大爆发压力越高，示功图上做功的面积越大，发动机输出的转矩也越高[8]。

图10、11、12 为3 种燃料不同转速不同负荷的最大爆发压力对比图。从对比图上可以看出，相同转速和负荷下，燃用E0、E22、E100，缸内最大爆发压力逐步增加。试验结果表明对于增压发动机，保持与汽油机相同的增压度，使用乙醇燃料可以提升汽油发动机输出转矩，提升动力性。对于直接将汽油发动机更改为燃用乙醇燃料发动机，爆发压力的增加需要重新校核曲轴、连杆、活塞等运动件的强度。

图10 BEMP=0.2 MPa 最大爆发压力对比图

图11 BEMP=1.0 MPa 最大爆发压力对比图

图12 BEMP=2.0 MPa 最大爆发压力对比图

压力升高率表征着缸内燃烧压力增加的快慢，影响发动机燃烧噪声与振动水平，相同的点火角，燃烧速度越快，燃料的化学能越能有效转化为活塞的动能，热效率也越高，但是同时压力升高率越大，发动机的燃烧噪声也越大，振动强度也越大[9]。

图13、14、15 为不同转速不同负荷压力升高率对比图，同样由于燃烧速度增加，压力升高率有小幅增加，相同转速和负荷下，燃用E0、E22、E100，缸内最大压力升高率逐步增加，最大增加约0.05 MPa/°CA。

图13 BEMP=0.2 MPa 压力升高率对比图

图14 BEMP=1.0 MPa 压力升高率对比图

图15 BEMP=2.0 MPa 压力升高率对比图

3 结论

通过本试验可以得出以下结论：

1）乙醇的添加加快了缸内燃油的燃烧速度，相同点火角低中负荷下，E22 相对于E0 和E100 燃料，50%燃烧重心更加接近最佳角度。在其他相同的电控参数条件下，E100 燃料供给量相对E0 需要增加约1.5 倍，燃烧重心并没有明显提前。

2）低转速低负荷下，添加乙醇燃料，着火延迟期缩短约1°CA，高转速由于气体湍动能大，3 种燃料没有较大差异。

3）燃用不同乙醇参比的乙醇燃料在中等负荷下燃料的燃烧持续期相差不大，高速大负荷下，虽然乙醇燃料的添加能提高燃烧速度，但是由于热值低，保证相同的性能输出，单缸燃料增加，相对延长了燃烧总体持续时间。

4）从E0 到E100，在发动机的整个运行范围内，压力升高率增加约0.02～0.05 MPa/°CA，同时会导致最大爆发压力增加0.2～0.5 MPa，且随负荷的增加而逐渐增大。

5）在不进行任何调整的情况下，燃用高参比的乙醇汽油，可能导致发动机振动加剧，车内噪声较高，影响驾驶舒适性，甚至损坏发动机。