可控温电热塞辅助压燃甲醇发动机燃烧和排放研究

刘向阳 朱建军 李志鑫 巩少鹏 龙涌 郑越明

摘要：  为探明电热塞温度对甲醇发动机性能的影响，在一台压燃式甲醇发动机上，保持发动机转速不变，研究了不同负荷工况下电热塞温度对M100甲醇发动机燃烧及排放性能的影响规律。结果表明：随着电热塞温度升高，缸压及放热率峰值逐渐增大、燃烧始点前移、压力升高率上升、油耗降低、有效热效率升高。但在不同负荷工况下电热塞温度变化对燃烧及油耗的改善效果不同，20%负荷下效果最佳，随负荷增加，改善效果逐渐减弱。排放特性方面，随电热塞温度升高，NMHC排放减少，NO  x 排放逐渐增多；在20%和50%负荷时CO和Soot排放呈下降趋势，最大降幅分别为22.92%和70%，80%负荷时略有增多；未燃甲醇及甲醛等非常规排放物均呈下降趋势，最大降幅分别可达47.64%和32.87%。

关键词：  可控温电热塞；压燃式发动机；甲醇发动机；燃烧；排放

DOI  ：   10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.002

中图分类号：  TK464   文献标志码：  B   文章编号：   1001-２２２２（２０24）０1-００08-０8

随着世界化石能源消耗的不断增加，寻找合适的清洁替代能源成为各国迫切需要。甲醇燃料由于其抗爆性好、火焰传播速度快、氧含量高、燃烧充分、有害排放物少、产量丰富等优点被认为是十分具有前景的替代能源［1-2］。然而，甲醇燃料十六烷值低，着火温度高，在压燃式发动机上难以自燃，需采用系列辅助措施帮助其燃烧。柴油机凭借其热效率高、工作可靠等优点广泛应用于工程机械中［3］，为减少化石能源消耗及满足排放法规要求，柴油机燃用甲醇技术吸引了众多学者深入研究。目前常见的甲醇在柴油机上的应用包括甲醇/柴油掺混燃烧、甲醇/柴油组合燃烧、柴油引燃、火花塞或电热塞助燃等［4-5］。

柴油/甲醇双燃料燃烧模式虽解决了甲醇燃料难以压燃这一关键难题，但该燃烧模式结构复杂，对原机改造难度大，且在中小负荷时甲醇替代率低，能量来源大部分来自柴油［4，6］。为实现甲醇对柴油的完全替代，多位学者对火花塞点燃和电热塞助燃法进行了深入研究，而相较于火花塞点燃，电热塞助燃法对原机改动小，对喷油器与电热塞的相对位置精度要求不高，且该方法可有效改善发动机冷起动性能。20世紀80年代，Havenith［7］、Bartunek［8］等研究发现了电热塞有助于甲醇燃烧，并利用电热塞成功实现了纯甲醇燃烧。Kusaka等［9］研究了电热塞辅助压燃式甲醇发动机着火、燃烧及排放特性，发现加装电热塞后未燃甲醇等非常规排放物数量急剧减少，且为保证发动机不发生失火现象，电热塞温度应不低于900 ℃。天津大学孙志远、王树奎等［10］对电热塞助燃法在压燃式甲醇发动机上的应用进行了深入研究，发现该发动机燃用甲醇燃料时基本上可以实现炭烟零排放。Yao等［11］开发了一款压力传感器电热塞的控制系统，可实现对电热塞的快速和精确控制。将该控制系统应用在一台以混合柴油为燃料的压燃式发动机上，研究电热塞对其性能的影响，结果表明：在相同操作策略下使用电热塞辅助燃烧，缸内压力峰值及放热率峰值均较高，燃烧始点前移，燃烧稳定性提高；NO  x 排放增加，但仍低于阈值（0.2 g/（kW·h）），CO和HC排放均有下降趋势，PM排放急剧下降至0.02 g/（kW·h）以下。C.Oprea等［12］为给天然气直喷式内燃机提供一个可靠的热面点火系统，开发了一款以氮化硅陶瓷为材料的电热塞，其最高温度可达1 300 ℃，保证了燃料的稳定着火。吴继盛等［13］研究了压缩比对电热塞引燃甲醇发动机的影响，结果表明：增大压缩比，甲醇混合气更加均匀，滞燃期缩短，燃料燃烧更加充分，甲醛和未燃甲醇等非常规排放物大大减少。

尽管国内外学者对电热塞助燃法进行了大量深入研究，但大多数研究局限在对比有无电热塞时发动机性能的变化，关于电热塞温度变化对甲醇发动机性能影响的研究却十分有限，而电热塞温度对发动机燃烧稳定性及排放物浓度有着很大影响。因此本研究基于一款自主开发的可控温电热塞，在一台由三缸柴油机改造的压燃式甲醇发动机上，深入研究不同负荷下电热塞温度对甲醇发动机燃烧及排放的影响规律，对压燃式甲醇发动机的进一步发展具有重要意义。

1   试验装置及方法

1.1  试验装置

试验用发动机为某3缸四冲程柴油发动机改造而来，发动机原机已装配有电热塞，改造时只需将电热塞更换为可控温电热塞。此外，为满足研究需要，还进行了更换大流量喷醇器、增设甲醇油泵等系列改造，发动机主要技术参数见表1。

图1示出发动机台架布置示意。缸盖上装有可控温电热塞，甲醇燃料经喷醇器直接喷射到燃烧室，在电热塞表面高温的作用下，甲醇燃料迅速燃烧。电热塞另一端连接控制单元，试验人员可根据发动机不同运行工况自主调节电热塞温度，调节范围为750～1 300 ℃。同时，可控温电热塞工作时可实时反馈电热塞温度及耗电量至信息采集页面，采集间隔时间为100 ms。通过此页面，可观察发动机工作状态发生微妙变化时（例如喷醇时刻），电热塞温度、控制电压、控制电流的实时变化情况。此时，电热塞温度略有波动，目的是尽快调整回温度设定值。在满足发动机不同工况对电热塞温度需求的同时，试验人员可根据耗电量选择最合适的电热塞温度，以达到最佳节能效果。

试验时，由DW100电涡流测功机分析测量发动机的功率和扭矩，缸压信号由安装在缸盖上的Kistler 6052C缸压传感器测得，其测量到的电荷信号经Kistler自带的角标电荷放大器转化为燃烧分析仪中可直观显示的连续电压信号。通过KiBox燃烧分析仪实时测取并计算缸内压力、放热率、燃烧时刻、循环变动系数等基础燃烧数据。AVL SESAM I60 FT 25组分排放仪用于分析气体排放，测量范围包括CO、HC、NO  x 、MEOH、HCHO等25种组分，且可在计算机上实时监测并保存数据。AVL DiSmoke 4000不透光烟度计用于测量排气烟度，燃油质量由ET2500智能油耗仪实时记录。同时，进气道 上装有空气流量计及节气门，方便测量不同工况时不同节气门开度下进入到缸内的实际空气流量。

1.2  试验方法

在大多数城市行驶循环中，汽车发动机常在中低速区域运行，因此，试验选定发动机转速1 200 r/min，研究20%，50%和80%负荷下不同电热塞温度对压燃式甲醇发动机燃烧及排放特性的影响规律。试验中通过控制电热塞温度和缸内甲醇混合气的过量空气系数使发动机不同工况下着火燃烧达到最优效果。过量空气系数调节范围为1.2≤ λ ≤1.8，电热塞温度与过量空气系数协同控制促进甲醇发动机稳定燃烧。电热塞温度变化范围为750～1 300 ℃，但甲醇燃料自燃温度高，使得甲醇发动机对电热塞初始温度要求较高，为保证发动机在小负荷工况下稳定燃烧，初始电热塞温度设定为1 000 ℃，每增加50 ℃选取一个点，且为保证电热塞能长时间稳定保持设定温度值，电热塞温度最大设定值取1 200 ℃，因此选择电热塞温度为1 000，1 050，1 100，1 150，1 200 ℃这5个工况点进行测量。待发动机工作稳定后，开始进行采样，为排除数据偶然性以保证数据精度，所有数据均进行多次测量，最后取平均值求得。

2   试验结果与分析

2.1  对经济性的影响

发动机的燃油经济性常由当量燃油消耗率和有效热效率评价［14］。当量燃油消耗率是指把甲醇有效燃油消耗率等热值换算为柴油的燃油消耗率，方便更加直观地观测甲醇燃料的经济性。有效热效率是指实际循环的有效功与所消耗的燃料热量的比值，其与甲醇有效燃油消耗率成反比。二者公式分别如下：

b  e= b  me×  H  mu  H  u  ，  （1）

η= 3.6×106 b  me× H  mu  。  （2）

式中： b  e为当量燃油消耗率； b  me为甲醇有效燃油消耗率； H  mu为甲醇燃料低热值； H  u为柴油低热值； η 为有效热效率。

图2示出了不同负荷下当量燃油消耗率和有效热效率随电热塞温度的变化。从图中可看出，随电热塞温度升高，当量燃油消耗率降低，有效热效率略有升高。20%，50%和80%负荷下，电热塞温度为1 200 ℃时当量燃油消耗率相较于1 000 ℃时分别下降了8.84%，6.54%和4.35%，有效热效率则分别提高了10.42%，7.17%和5.15%。随着发动机负荷的增大，电热塞温度变化对经济性的影响逐渐降低，但不同负荷工况下，电热塞温度较高时，发动机始终能获得较高的热效率和较低的燃油消耗率。这是因为低负荷时，缸内温度较低，喷入缸内的甲醇燃料蒸发效果差，与空气混合不均匀，导致发动机燃烧不稳定，定容放热量减少，热效率低，燃油经济性较差。随着电热塞温度的升高，缸内温度和压力升高，火焰传播速度加快，燃烧等容度得到改善，定容放热量增多，发动机热效率提高，燃油消耗率下降。而中高负荷相较于低负荷时缸内温度和压力较高，电热塞的 作用逐渐弱化，对燃油消耗率和有效热效率的改善趋缓。因此，在综合考虑电热塞耗电量及发动机各种工况要求下，可尽量提高电热塞温度以获得最佳的燃油经济性。

2.2  对燃烧性能的影响

图3示出不同负荷下电热塞温度对缸内压力和放热率的影响。20%负荷下，随着电热塞温度降低，缸压和放热率峰值逐渐减小，峰值相位逐渐滞后。当电热塞温度设定为1 000 ℃时，缸压和放热率峰值急剧下降，峰值相位大幅推迟。这是因为小负荷时缸内温度较低，甲醇蒸发效果差，形成的可燃混合气较为稀薄，缸内燃烧条件恶劣，且电热塞温度较低时不利于形成火核及火焰传播，导致滞燃期延长，燃烧重心后移，缸压和放热率峰值急剧下降。50%和80%负荷下缸内温度较高，一定程度上满足了甲醇混合气形成及燃烧的条件，可燃混合气燃烧充分，此时随着电热塞温度进一步升高，缸内燃烧进程加快，峰值相位略有前移，但缸压和放热率峰值变化不大。综上，相较于中高负荷，小负荷时电热塞温度变化对发动机燃烧特性的影响较为显著，为保证发动机稳定燃烧，可根据发动机不同负荷对电热塞温度的需求自主调节电热塞温度，如20%负荷时电热塞温度需达到1 050 ℃及以上，而50%和80%负荷下电热塞温度在1 000～1 200 ℃范围内对缸压和放热率峰值影响较小，在满足发动机运行工况的前提下可选择的温度范围较广。

图4示出不同负荷下AI05（工质在缸内燃烧时燃烧放热量达到5%时所对应的曲轴转角，常定义为燃烧起始时刻）随电热塞温度的变化。从图中可看出，不同负荷下随电热塞温度升高，燃烧始点前移，逐渐靠近上止点，且负荷越大，燃烧始点越靠前。20%负荷下，电热塞温度从1 000 ℃升高至1 050 ℃时，燃烧始点从7.23°ATDC变化为4.99°ATDC，变化幅度最大。这是因为小负荷时缸内温度低且循环喷油量少，燃料蒸发及雾化速度慢，可燃混合氣分布不均，当电热塞温度为1 000 ℃时，其附近可燃混合气着火困难，滞燃期延长，燃烧始点向后推迟。随着电热塞温度的升高，缸内热氛围得到改善，电热塞附近的甲醇混合气接触到其表面高温形成火核开始燃烧并迅速向四周扩散，缸内燃烧进程加快，燃烧始点整体前移。相较于小负荷，中高负荷时缸内温度和压力升高，可燃混合气分布相对均匀，燃料反应活性较高，且在电热塞加热作用下，其附近混合气温度高于其他区域率先开始燃烧，当缸内的温度与压力达到一定阈值，缸内的剩余混合气将发生大范围压缩自燃，燃烧速率大幅加快，燃烧始点提前。

压力升高率表征了发动机工作的粗暴程度和噪声水平，图5示出了压力升高率随电热塞温度的变化，其中折线部分清晰地示出了以1 000 ℃为基点（以下参数变化率均以1 000 ℃参数值为基点），电热塞温度每增加50 ℃后压升率的变化率。从图中可看出，20%负荷时压升率较小，为0.3～0.4 MPa/（°），但随着电热塞温度升高，其变化幅值最大，最大增幅达37.06%，主要是由于20%负荷时缸内温度较低，随电热塞温度升高，缸内温度明显升高，燃烧情况得到改善，火焰传播速率加快，缸内燃烧压力逐渐升高，压力升高率逐渐变大。而50%和80%负荷时压升率随电热塞温度变化较小，最大变化幅值仅分别为6.66%和6.34%，但此时由于燃烧室内温度较高，燃烧速度快，压升率较大，缸内燃烧噪声和爆震倾向明显增加。

图6示出了指示平均有效压力随电热塞温度的变化。随着电热塞温度升高，缸内工质燃烧情况得到优化，缸内压力升高，喷射背压增大，喷油轨压不变时，喷油器喷入缸内的燃料略微下降，指示平均有效压力略有减小。当电热塞温度1 200 ℃时，20%，50%和80%负荷下指示平均有效压力相比1 000 ℃时分别下降4.23%，2.29%和1.90%。

图7示出了指示平均有效压力的循环变动率随电热塞温度的变化。循环变动率常常用来表征发动机燃烧稳定性，一般情况下将5%循环变动率定义为燃料稳定燃烧的标准［15-18］。从图中可以看出，20%负荷下发动机循环变动率随电热塞温度升高而略有降低，但其仍超过5%限值，为6%～7%。这是因为20%负荷时缸内温度和压力较低，可燃混合气均匀性差，燃料燃烧不稳定，甚至出现失火现象，导致燃烧循环波动较大。50%和80%负荷下循环变动率随电热塞温度变化无明显规律，且此时缸内循环波动范围较小，均在2%之下，可认为发动机稳定燃烧。

根据以上分析可知，对比其他不可控温电热塞，可控温电热塞的优势凸显，因为不可控温电热塞往往保持在较高的温度来满足发动机全负荷工况的性能要求，然而在实际测试中，高负荷下缸内温度较高，很大程度上已经满足了混合气形成及燃烧的条件，不需要电热塞长时间保持较高温度。可控温电热塞很好地解决了这一问题，其能够根据实际工况需要选择合适的电热塞温度，小负荷选择高电热塞温度，大负荷则降低电热塞温度，在保证甲醇混合气充分燃烧的基础上最大限度地减少电热塞的能耗，延长电热塞寿命。

2.3  对排放性能的影响

2.3.1  常规排放物

图8示出了NMHC（非甲烷总碳氢）浓度随电热塞温度的变化。甲醇燃料碳氢比低，同时自身含氧，80%负荷时，缸内温度高，混合气分布均匀，燃料燃烧充分，NMHC排放极低，几乎为0。20%和50%负荷下随着电热塞温度升高，NMHC浓度呈下降趋势，1 200 ℃时NMHC浓度相较于1 000 ℃分别下降了22.29%和71%。这是由于中低负荷时缸内温度低、喷醇量少，甲醇混合气分布不均匀，缸内工质不完全燃烧而产生部分碳氢化合物。随着电热塞温度的提高，缸内燃烧环境得到改善，NMHC浓度有所减小。

图9示出了CO排放随电热塞温度的变化。CO是燃料不完全燃烧形成的不完全氧化物，由于甲醇汽化潜热值大，中小负荷时，甲醇冷却效应使缸内温度降低，CO等不完全氧化物继续氧化困难，整体浓度较高；但随着电热塞温度升高，缸内温度和压力升高，CO氧化环境得到改善，浓度略有降低，当电热塞温度从1 000 ℃升高至1 200 ℃时，CO浓度分别降低了22.92%和15.85%。大负荷时缸内温度上升，且甲醇自身含氧，CO氧化条件良好，整体浓度急剧下降。但随着电热塞温度的升高，燃烧始点前移，发动机扩散燃烧比例增加，混合气中掺有部分燃烧产物，造成局部缺氧严重；同时缸内高温促进了CO 2在高温时产生热离解反应生成CO，二者共同作用使CO浓度略有增加。

NO  x 濃度随电热塞温度的变化如图10所示。从图中可以看出，20%和50%负荷下NO  x 排放较低，80%负荷下NO  x 排放增多，且随着电热塞温度升高，不同负荷下NO  x 排放均呈上升趋势，20%负荷下尤为显著。20%负荷下电热塞温度从1 000 ℃升高到1 200 ℃时，NO  x 排放增加了74.02%。而这是因为氮氧化物的生成取决于高温、富氧、高温持续时间三个条件，低负荷时发动机循环喷油量少，热负荷低，低温抑制了NO  x 的生成，NO  x 生成量较低，随着电热塞温度升高，缸内温度上升，NO  x 排放显著增加。而中高负荷时随着电热塞温度的升高，NO  x 浓度仍略有升高，但最大增幅仅为8.18%。这是因为虽然电热塞温度升高可以提高甲醇蒸发速率和缸内燃烧温度，但其本质在于辅助燃烧进程，中高负荷时缸内温度和压力明显升高，NO  x 生成量增多，但此时电热塞的高温作用在进一步弱化，电热塞温度的进一步提高对NO  x 生成量影响不大。

图11示出了炭烟排放随电热塞温度的变化曲线。20%和50%负荷下随电热塞温度升高，炭烟排放均呈下降趋势，电热塞温度从1 000 ℃升高至1 200 ℃时，炭烟排放分别下降了45.4%和70%。80%负荷下炭烟排放随电热塞温度升高缓慢增多。这是由于中小负荷时，缸内温度较低，可燃混合气分布不均，发动机燃烧不稳定，甚至出现失火现象，导致炭烟排放增多；随着电热塞温度上升，缸内燃烧情况得到改善，炭烟排放下降。80%负荷相较于中小负荷，缸内循环喷油量增多，混合气变浓且部分区域分布不均，导致炭烟排放量较大，且随着电热塞温度的提升，缸内温度进一步升高，更加有利于炭烟的形成，炭烟排放随电热塞温度的升高略有增加。

2.3.2  非常规排放物

未燃甲醇排放随电热塞温度的变化如图12所示。不同负荷下，随着电热塞温度的升高，未燃甲醇排放均呈下降趋势。电热塞温度从1 000 ℃升高到1 200 ℃时，20%，50%和80%负荷下未燃甲醇排放分别降低21.38%，47.64%和40.33%。甲醇排放主要源于燃烧室内未燃甲醇混合气、壁面淬熄、吸附效应及狭缝中存在的少量甲醇等［19］。低速小负荷时，甲醇喷油量少，缸内温度低，可燃混合气较稀，火焰传播速度慢，缸内燃烧不完全，产生大量未燃甲醇。中高负荷时，缸内燃烧条件得到改善，可燃混合气浓度升高，未燃甲醇排放明显下降。不同负荷下，随着电热塞温度升高，缸内压力和温度均得到提高，甲醇的蒸发及扩散条件得到改善，甲醇氧化化学反应速率加快，且甲醇燃料喷到温度高的电热塞表面更有利于甲醇稳定着火燃烧，未燃甲醇排放减少。

甲醛是甲醇燃料燃烧氧化过程的中间产物，其变化规律与未燃甲醇相似。甲醛的生成主要源于两个途径：一部分是由于燃烧室壁面温度较低，吸附在壁面上的甲醇燃料不能进一步被氧化，导致大量甲醛生成；另一部分是由于未燃甲醇在排气管内停留时间过长，富氧条件下被氧化为甲醛［20］。甲醛生成主要基元反应为：CH 2OH+O 2 CH 2O+HO 2（生成），CH 2O+OH HCO+H 2O（氧化），其最终生成量取决于生成与氧化的速率差［21］，存在临界温度使甲醛生成速率与氧化速率相等，此时甲醛生成量保持不变。当反应温度低于临界温度时，甲醛氧化速率变小，此时生成速率大于氧化速率，甲醛生成量增多，反之，甲醛浓度降低。如图13所示，随着电热塞温度升高，不同负荷下的甲醛浓度均呈现出下降趋势。电热塞温度从1 000 ℃升高到1 200 ℃时，20%，50%和80%负荷下甲醛排放分别降低了15.22%，32.87%和29.66%。这是因为随着电热塞温度的升高，缸内温度也随之升高，此时甲醛生成速率远小于氧化速率，甲醛被大量氧化，浓度降低。

综上，可控温电热塞的应用使甲醇发动机非常规排放物浓度（未燃甲醇，甲醛等）得到明显改善。随着电热塞温度的升高，不同负荷下未燃甲醇及甲醛排放均呈下降趋势，最大降幅分别达47.64%和32.87%。

3   结论

a） 以电热塞温度1 000 ℃为试验起始点，随电热塞温度升高，缸压及放热率峰值升高，滞燃期缩短，燃烧始点前移，压力升高率变大，指示平均有效压力略有降低；

b） 不同负荷工况下电热塞温度变化对油耗和热效率改善效果不同，20%负荷下，电热塞温度升至1 200 ℃时，油耗降低了8.84%，有效热效率提升了10.42%，随着负荷增加，改善效果逐渐减弱；

c） 电热塞温度从1 000 ℃升高至1 200 ℃时，NMHC排放减少，最大降幅达71%；NO  x 排放增多，最大增幅为74.02%；CO和炭烟排放在20%和50%负荷时呈下降趋势，最大降幅分别为22.92%和70%，80%负荷时略有增多；

d） 随着电热塞温度的升高，未燃甲醇及甲醛等非常规排放物均呈下降趋势，最大降幅分别可达47.64%和32.87%。

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Combustion and Emission of Compression Ignition Methanol  Engine Assisted by Controllable Temperature Glow Plug

LIU Xiangyang1，ZHU Jianjun1，LI Zhixin1，GONG Shaopeng2，LONG Yong3，ZHENG Yueming3

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi Institute of Energy，Jinzhong 030600，China;3.Chongqing Limai Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400050，China）

Abstract：  In order to find out the influences of glow plug temperature on the performance of methanol engine， the influences of glow plug temperature on the combustion and emission performance of M100 methanol engine under different load conditions were studied on a compression ignition methanol engine with engine speed unchanged. The results show that the peak value of cylinder pressure and heat release rate gradually increases with the increase of glow plug temperature， the combustion starting point moves forward， the pressure rise rate increases， the fuel consumption decreases， and the effective thermal efficiency increases. However， the improvement effects of glow plug temperature change on combustion and fuel consumption were different under different load conditions. The improvement effect reaches the optimal at 20% load and gradually decreases with the increase of load. In terms of emission characteristics， NMHC emission reduces and NO  x  emission gradually increases with the increase of glow plug temperature. CO and Soot emissions show a downward trend at 20% and 50% load with the maximum reduction of 22.92% and 70% respectively， and slightly increases at 80% load; Unconventional emissions such as unburned methanol and formaldehyde show a downward trend with the maximum reduction of 47.64% and 32.87% respectively.

Key  words：  controllable temperature glow plug；compression ignition engine；methanol engine；combustion；emission

［编辑： 潘丽丽］

收稿日期：   2023-05-04； [HT6H]修回日期：   2023-07-07

基金项目：    山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”项目（202201120401018）

作者简介：    刘向阳（1998—），男，硕士，主要研究方向为清洁代用燃料發动机；lxyang0523@163.com。