喷油参数影响甲醇发动机燃烧特性的正交试验研究

巩少鹏，朱建军，张其生，张翠平，李文睿，米一铭

（太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

随着国家对环境问题的愈发重视，发动机的排放受到了越来越严格的限制。甲醇是一种清洁且获取方式繁多的燃料，用其替代柴油是减轻当前发动机排放压力的良好途径。柴油中掺混醇类燃料可以改善发动机的CO和碳烟排放[1]。相比其他醇类，掺烧甲醇时，发动机的燃烧压力更高，且掺混率越高，发动机的循环波动率越大[2]，[3]。使用甲醇替代部分汽油可以缓和发动机各缸的工作差异，从而改善排放[4]。除了直接掺烧，利用PODE或柴油引燃甲醇的双燃料发动机对于甲醇在燃烧及排放方面的研究具有重要的参考意义[5]，[6]。在辅助压燃甲醇方面，学者们对SI-CAI，TACI，GACI和SI燃烧模式下的甲醇燃烧特性和燃烧过程已有深入研究[7]～[10]。此外，有关喷油参数和边界条件对甲醇发动机燃烧和排放特性的影响研究也多有报道[11]～[13]。

甲醇发动机的燃烧受多方面因素的共同影响。以往研究多采用控制变量的方法分析各因素的作用，无法考虑各因素之间的交互作用。除此之外，多数助燃法试验研究均未重视甲醇预喷对其预混合燃烧的影响。因此，本文通过搭建试验台架，在一次预喷的条件下，选择5个喷油参数对甲醇发动机的燃烧特性进行正交试验，探究各喷油参数对甲醇发动机燃烧特性的影响程度，并分析甲醇发动机的燃烧特性随各因素的变化情况，以期对甲醇发动机的燃烧控制策略提供指导。

1 试验系统及方案

1.1 试验系统

对一台3缸共轨柴油发动机的供油系统和喷油系统进行一定改造，具体方式为低压油路增设专用甲醇油泵，提高发动机的供油能力；使用大流量喷油器，提高甲醇喷射量；使用直流电源对原机电热塞单独供电，使电热塞在缸内保持红热状态。通过INCA软件在开源ECU中调整各喷油参数至发动机稳定工作，并使标定后的发动机外特性达到与原机相同的水平。发动机主要技术参数如表1所示。

表1 发动机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of engine

1.2 发动机测控系统

图1 为试验所采用的发动机台架及测控系统示意图。由Kistler 6052C型压力传感器测量缸压，测量间隔为0.1°CA，为消除测量时的缸压误差，每组试验采集200个循环的缸压参数。

图1 发动机台架示意图Fig.1 Schematic diagram of engine bench

1.3 试验方案

原柴油机转速为1 400 r/min时的最大扭矩为72.3 N·m，本次正交试验选择转速为1 400 r/min的甲醇发动机的大负荷工况（60～80 N·m）。控制发动机ECU仅有一次预喷，选择预喷正时、预喷脉宽、主喷正时、主喷脉宽及轨压作为因素，每个因素下设置3个水平（表2）。每个水平均参考原柴油机的喷射参数选值并进行一定改动后确定。确定喷射参数后，通过SPSS软件自动生成带空列的正交试验表进行试验。燃烧始点（AI05）、最大压升率（RMAX）和最大循环波动率（IMEPCOV）的值均由KiBox型燃烧分析仪监测并记录。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

表3为喷射参数的正交试验表及相应的试验结果。将整理好的试验结果导入SPSS软件后，可使用软件自带的方差分析数学模型进行相应的分析。

表3 正交试验结果Table 3 Results of orthogonal experiment

2.2 各喷油参数对燃烧始点的影响

表4为各喷油参数对燃烧始点影响的极差分析结果。由表可见，各喷油参数对燃烧始点的影响顺序：主喷正时＞预喷脉宽＞主喷脉宽＞预喷油角＞轨压。

表4 AI05极差分析结果Table 4 Range analysis results of AI05 °CA ATDC

表5为各喷油参数对燃烧始点影响的方差分析结果。由表5可见，各喷油参数对甲醇发动机的燃烧始点均有显著影响（Sig<0.05），且主喷正时、预喷脉宽和主喷脉宽的F值显著高于其他因素。

表5 AI05方差分析结果Table 5 Variance analysis results of AI05

燃烧始点与主喷正时、预喷脉宽及主喷脉宽的关系如图2所示。从图2（a）可以看出，随着主喷正时提前，燃烧始点靠近上止点的幅度减缓。这是因为主喷正时越晚，喷射背压越大，使得喷油量有所减小，甲醇混合气变得稀薄；主喷正时越晚，喷射过程位于膨胀行程的份额就越多，此时缸内气流的运动速度大幅减弱，工质与空气的混合程度变差，使得燃烧始点远离上止点的幅度增加。

图2 AI05与喷油参数的关系Fig.2 Relationship between AI05 and injection parameters

从图2（b）可以看出，当预喷脉宽从1°CA增加到2°CA时，燃烧始点整体水平相近，但当预喷脉宽增至3°CA时，燃烧始点整体上显著提前。

从图2（c）可以看出，当主喷脉宽大于11°CA后，主喷过程位于膨胀行程部分的油量对于混合气均匀程度的影响降低，燃烧始点受主喷脉宽影响的程度减弱，燃烧始点趋于相近。

图3为预喷放热率曲线（图例为表3中序号）。

图3 预喷放热率Fig.3 Heat release rate of pre-injection

从图3可以看出：当预喷脉宽小于3 °CA时，预喷甲醇基本未对外做功；当预喷脉宽从1°CA增至2 °CA时，增多的甲醇导致缸内温度进一步降低，使得燃烧始点延后。当预喷脉宽增至3 °CA时，一方面预喷混合气变浓，预喷甲醇的燃烧大幅提高了缸温及缸压，提高了主喷过程中的缸内混合气的均匀程度；另一方面，甲醇中的氧原子对混合气有一定程度的稀释作用，而预喷着火可以降低此影响，有利于提高混合气浓度和促进燃烧。

2.3 各喷油参数对最大压升率的影响

表6为各喷油参数对最大压升率影响的极差分析结果。从表6可以看出，各喷油参数对最大压升率影响的顺序为主喷正时＞主喷脉宽＞预喷脉宽＞轨压＞预喷正时。

表6 RMAX的极差分析结果Table 6 Range analysis results of RMAX MPa/°CA

表7为各喷油参数对最大压升率影响的方差分析结果。从表7可以看出，主喷正时、主喷脉宽和预喷脉宽对最大压升率影响显著，其他两个因素的影响则不明显。

表7 RMAX的方差分析结果Table 7 Variance analysis results of RMAX

喷油参数与RMAX的关系如图4所示。从图4（a）可以看出，在主喷正时提前的过程中，最大压升率呈现出稳定上升的趋势。这是因为随着主喷正时的提前，一方面，甲醇有所增多，使得滞燃期延长，混合气变浓且更加均匀；另一方面，压缩行程的喷射份额越多，较高的缸温与较强的气流运动有利于缸内形成更均匀的混合气，从而加快火焰传播速度，使得最大压升率升高。

图4 RMAX与喷油参数的关系Fig.4 Relationship between RMAX and injection parameters

从图4（b）可以看出，随着主喷脉宽增加，甲醇增多，混合气变浓，火焰传播速度加快，最大压升率整体升高。但是，较长的主喷持续时间使得膨胀行程中的喷油量增多，这部分燃料的混合程度较差，因此当主喷脉宽从11°CA增加至12°CA时，最大压升率的提高幅度有所下降。

从图4（c）可以看出，随着预喷脉宽的增加，最大压升率整体表现出先减小后增加的变化趋势。由前述可知，当预喷脉宽增加至2°CA时，燃烧始点有所推迟，工质在更晚的膨胀行程中进行，能量发挥不足，导致燃烧峰值压力降低，最大压升率随之降低。当预喷脉宽增加至3°CA时，预喷放热有利于主喷甲醇与空气混合，同时，燃烧始点大幅提前使得缸内峰值压力升高，最大压升率随之升高。

2.4 各喷油参数对最大循环波动率的影响

表8为各喷油参数对最大循环波动率的极差分析结果。从表8可以看出，各喷油参数对最大循环波动率影响的顺序为轨压＞预喷脉宽＞主喷正时＞预喷正时＞主喷脉宽。

表8 IMEP-COV的极差分析结果Table 8 Range analysis results of IMEP-COV%

表9为各喷油参数对最大循环波动率影响的方差分析结果。从表9可以看出，轨压与预喷脉宽对最大循环波动率有显著影响，且轨压对最大循环波动率的影响最为显著。

表9 IMEP-COV的方差分析结果Table 9 Variance analysis results of IMEP-COV

最大循环波动率与轨压的关系如图5所示。从图5可以看出，随着轨压的增加，甲醇燃烧的最大循环波动率呈现出先增大后减小的变化趋势。当轨压从70 MPa增加至72 MPa时，喷射压力提高促进了甲醇混合气朝浓向发展，燃烧始点提前，混合气等容燃烧份额增加，较高的等容度使甲醇燃烧对其他不变因素更敏感，最大循环波动率随之上升。而当轨压从72 MPa提高到75 MPa时，甲醇的雾化效果提升较小，但是由于轨压过大导致甲醇油束贯穿距过长，湿壁率增加，燃烧始点有所推迟，降低了甲醇燃烧时的等容度，使得最大循环波动率有所下降。

图5 IMEP-COV与轨压的关系Fig.5 Relationship between IMEP-COV and rail pressure

3 结论

①在完全预混燃烧的模式下，预喷燃烧对燃烧始点和最大压升率均有显著影响，增大预喷脉宽可以使燃烧始点显著靠近上止点，最大压升率明显上升。

②主喷正时和主喷脉宽对甲醇发动机大负荷工况下的燃烧始点和最大压升率影响显著，增加主喷脉宽可以使燃烧始点靠近上止点，最大压升率升高。

③轨压对甲醇发动机最大循环波动率的影响最为显著，提高轨压会使甲醇发动机的最大循环波动率增大，但过大的轨压会造成湿壁率增加。