醇醚燃料组合燃烧模式下发动机燃烧特性研究

吴子龙，朱建军，苏志伟，韩 卫

1 引言

节能减排一直是内燃机技术进步过程中的主要命题，提高内燃机的热效率降低燃油消耗率的同时满足日益严格的排放法规是各汽车厂商和科研机构共同的研究方向。煤基甲醇在汽油机上表现出优良的燃烧和排放特性，被广泛的认为是石油的理想替代产品。而其十六烷值较低导致着火性能不好难以压燃，不能直接运用于柴油机[1]。

均质混合气引燃（homogeneous charge induced ignition，HCII）燃烧方式的提出为压燃式内燃机燃用低十六烷值燃料提供了理论依据。文献[2-3]对HCII燃烧方式研究表明，柴油引燃汽油均质混合气燃烧方式的热效率明显高于汽油机，甚至在一定工况下超过柴油机。

柴油机使用含氧燃料可以大幅降低尾气中的PM值[4-6]，文献[7-8]进一步研究表明在组合燃烧过程中，自身含氧的甲醇作为燃料能够显著改善排放。聚甲氧基二甲醚（简称PODEn）简式为：CH3O（CH2O）nCH3（其中n≥1，本试验采用的n值为2～4的混合物），其作为深度煤化工产物具有极高的十六烷值。文献[9]研究表明聚甲氧基二甲醚与柴油掺混能提高柴油机热效率，并且大幅降低一氧化碳、碳烟和PM的排放。探讨甲醇均质混合气聚甲氧基二甲醚引燃组合燃烧模式下供油提前角、压缩比对燃烧特性的影响。

结合甲醇和聚甲氧基二甲醚各自理化性质的特点，本试验采用进气道喷入甲醇方式，形成均质甲醇空气预混合气。缸内直喷聚甲氧基二甲醚作为引燃燃料，研究在不同压缩比下，各燃烧特性随甲醇占能比的变化规律。

2 试验燃料及理化特性

试验中所用的燃料甲醇和聚甲氧基二甲醚的理化特性参数，如表1所示。采用的聚甲氧基二甲醚为混合物，汽化潜热值与甲醇相近，同时定义甲醇占能比为发动机每工作循环喷入气缸的甲醇热值占总燃料热值的比例。

表1 燃料理化特性Tab.1 Physical and Chemical Properties of the Fuel

3 试验设备及方法

试验发动机为常运CY25型单缸柴油机，发动机参数，如表2所示。对活塞燃烧室进行加工，通过改变其容积得到不同的压缩比。

表2 发动机主要参数Tab.2 Main Technical Parameters of the Engine

试验在一台单缸柴油机上进行，试验工况为1800r/min、30%负荷，聚甲氧基二甲醚供给采用原机的缸内直喷系统，启喷压力20MPa，实际最大喷射压力25.3MPa，甲醇由在进气管上自助设计的甲醇喷油器供给，喷射压力固定在3.5MPa，由喷醇控制器调控，可以改变甲醇的喷射周期和脉宽。缸内燃烧压力的获取通过Kisther6125C11型缸压传感器和4618A2型电荷放大器，并通过德维创DEWE-800-CA-SE燃烧分析仪进行数据采集与计算分析。发动机台架试验系统图，如图1所示。定义甲醇占能比为发动机每工作循环喷入气缸的甲醇热值占总燃料热值得比例，聚甲氧基二甲醚喷射时刻改变由供油提前角的调节来实现。

图1 发动机台架试验系统图Fig.1 Layout of the Test Device

4 发动机燃烧特性分析

4.1 燃烧始点

燃烧始点决定滞燃期的长短，滞燃期柴油机燃烧过程中一个极为重要的阶段，滞燃期的长短会明显影响滞燃期内喷油量和预混合气量的多少，从而影响柴油机的燃烧特性以及动力性、经济性、排放特性和噪声振动特性，它对整个燃烧过程及柴油机的性能指标都有直接的影响，也是改善燃烧过程的关键之一，因此需要精确控制。文献[10]将详细的试验结果进行归一化分析得到经验公式。

式中：τi单位为 ms，喷油压力 IP 单位为 bar，pcy1单位为 bar，Tcy1单位为 K，pcy1和 Tcy1是 τi内的燃烧室平均压力和温度，a、b、c、d系数与压缩比、供油参数、进气状态、工质流动状态、空燃比和添加剂等各种因素有关。

由式（1）可知，影响本试验滞燃期的主要因素是压缩比、燃烧模式和甲醇占能比的改变导致燃烧室平均温度和进气状态、供油参数、空燃比变化三个方面。压缩比对甲醇聚甲氧基二甲醚组合燃烧模式燃烧始点的影响，如图2所示。相同甲醇占能比情况下压缩比为15时燃烧始点最迟，随压缩比降低，缸内压缩混合气压力下降，着火临界温度升高，使燃烧始点后移。在不同压缩比下燃烧始点均随甲醇占能比的提高而滞后，压缩比为16甲醇占能比为64.4%时与原机柴油模式仅喷射聚甲氧基二甲醚相比燃烧始点推迟11.2°CA，由于甲醇具有高汽化潜热值，甲醇与空气形成甲醇空气预混合气过程中吸收大量热导致燃烧初期缸内温度下降使燃烧始点推迟，滞燃期缩短。同时聚甲氧基二甲醚的密度小可压缩性大，导致喷油推迟，因此燃料的燃烧始点是燃料的汽化潜热值和可压缩性共同决定的。

图2 压缩比对燃烧始点的影响Fig.2 Effects of Compression Ratio on the SOC

4.2 燃烧持续期

燃烧持续期（CDU）随压缩比的变化，如图3所示。相同甲醇占能比情况下，压缩比为15时燃烧持续期较长。燃烧速率对燃烧持续期起决定作用，由于小压缩比缸内压力低使燃烧速率降低燃烧始点滞后，燃烧持续期远离燃烧上止点，燃烧等容度下降燃烧速率降低。压缩比为15时燃烧持续期与甲醇占能比成负相关，随甲醇占能比增加而下降，而高压缩比时，燃烧持续期随甲醇占能比增加先下降后上升，压缩比为17甲醇占能比为49.8%时幅度达43.2%，这是因为随着甲醇占能比的增加甲醇空气均质混合气的增多，预混合燃烧比例增加，均质预混合引燃燃烧模式作用凸显，多点预混合燃烧极大提升燃烧速率，而随着燃烧相位后移明显，燃烧等容度下降，燃烧持续期变长，燃烧持续期的变化也体现出燃烧始点后移导致所有燃烧相位后移。

图3 压缩比对燃烧持续期的影响Fig.3 Effects of Compression Ratio on the CDU

4.3 放热率峰值

放热率峰值（PHR）随压缩比的变化，如图4所示。相同甲醇占能比情况下，压缩比为16和17放热率峰值接近，压缩比为15时放热率峰值最小，高压缩比时放热率峰值随甲醇占能比的增加先升高后降低，均在甲醇占能比为35%左右时达到峰值，压缩比为16时，放热率峰值降低83.8J·°CA-1降幅达47%。因为较高压缩比使缸内压力升高，着火临界温度降低，燃烧始点前移，燃烧靠近上止点燃烧等容度增加，放热率峰值提高，同时组合燃烧模式引燃燃料聚甲氧基二甲醚的喷入形成多个火核，使甲醇空气预混合气燃烧充分。而随着甲醇占能比的增加，燃烧相位远离上止点，致使放热率峰值降低明显，同时由于聚甲氧基二甲醚喷入量随甲醇占能比的提高而减少，参与预混燃烧的燃油量少，参与扩散燃烧的量较多，导致放热率峰值降低。

图4 压缩比对放热率峰值的影响Fig.4 Effects of Compression Ratio on the PHR

4.4 压力升高率峰值

压力升高率是表征内燃机燃烧等容度和粗暴度的指标，如图5所示。

图5 压缩比对压力升高率峰值的影响Fig.5 Effects of Compression Ratio on the MPRR

在较大压缩比情况下，压力升高率峰值（MPRR）与放热率峰值变化趋势相同，而在小压缩比时压力升高率峰值呈先升后降的趋势。这是因为压力升高率同时受放热速率和燃烧相位的影响，在小压缩比甲醇占能比较高时，放热率峰值远离上止点使压力升高率峰值降低。与放热率峰值相比，压力升高率峰值随甲醇占能比变化波动更加明显，压缩比为16时与最大值相比在甲醇占能比为64.4%时降低幅度达65.8%。

4.5 缸压峰值与缸内最高燃烧温度

缸压峰值（PMax）是发动机动力性的主要体现，主要由压力升高率和燃烧等容度共同作用。在较高压缩比下虽然压力升高率峰值随甲醇占能比先升后降，但爆发压力是持续降低，这是由于随着甲醇占能比的增加预混合燃烧模式起主要作用，燃烧持续期过短，高压力升高率也不能产生高爆发压力，同时甲醇占能比的提高使燃烧相位后移，速燃期远离上止点燃烧等容度下降爆发压力降低，如图5、图6所示。

图6 压缩比对爆发压力的影响Fig.6 Effects of Compression Ratio on the Maximum Pressure

缸内最高温度（TMax）与爆发压力变化趋势基本相似，如图7所示。高压缩比下缸内温度峰值较高，同时随甲醇占能比的升高而下降，在低压缩比情况下缸内温度峰值随甲醇占能比的升高而基本不变。由前面分析可知高压缩比下燃烧始点波动明显，燃烧相位后移同时燃烧持续期缩短，喷入缸内的大量甲醇空气预混合气在缓燃期燃烧，燃烧不充分导致缸内温度峰值降低，而低圧缩比下燃烧始点波动较为平缓对缸内温度峰值影响不大。

图7 压缩比对最高燃烧温度的影响Fig.7 Effects of Compression Ratio on the Maximum Temperature

5 燃油经济性分析

由于本试验所采用的聚甲氧基二甲醚n范围为（2～4），所以低热值取中间值19MJ/kg。不同甲醇占能比下燃料热值公式为：

式中：HL、HLm、HLP—混合燃料、甲醇、聚甲氧基二甲醚的低热值，单位MJ/kg；mm、mp—单位时间内消耗的甲醇、聚甲氧基二甲醚燃油量，单位为kg/s。根据式（2）计算得到为不同压缩比，不同甲醇占能比下燃料的热值，均随甲醇占能比的升高而增加，如表3所示。

表3 混合燃料低热值Tab.3 Calorific Value of Mixed Fuels

本试验采用当量燃油消耗率判断判断发动机燃油经济性，计算公式如下，其中bEBSFC、bBSFC分别表示当量燃油消耗率和混合燃料燃油消耗率，单位为kg/（kW·h）。

根据式（3）计算出的不同压缩比、不同甲醇占能比下的当量燃油消耗率变化趋势，如图8所示。压缩比为16时燃油经济性相对较好，各压缩比下随甲醇占能比升高，当量燃油消耗率变化趋势相同，均有明显拐点出现，这是因为拐点位置是速燃期在上止点附近，燃烧等容度较高的位置。

图8 压缩比对经济性的影响Fig.8 Effects of Compression Ratio on the Economy

6 结论

（1）随压缩比的升高，燃烧始点迁移，滞燃期缩短，放热率、压力升高率、爆发压力均有明显升高，其中放热率最大增幅达34.9%，压力升高率最大增幅达41.8%，缸内压力最大增幅达30%。（2）相同压缩比下，随甲醇占能比的升高各燃烧相位后移，放热率峰值、压力升高率峰值、爆发压力均有所降低，在大压缩比下降低幅度明显。（3）甲醇/聚甲氧基二甲醚组合燃烧模式中，较大的压缩比对各燃烧特性有促进作用，并且根据不同的甲醇占能比调整聚甲氧基二甲醚喷油时刻和甲醇的供油提前角改变燃烧相位有利于各燃烧特性的进一步提高。（4）压缩比为16时发动机经济性最佳，各压缩比下发动机经济性随甲醇占能比变化趋势相同，均有明显拐点出现。