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宫长明, 李朝晖, 屈翔, 刘凤华. 点燃式甲醇发动机冷启动临界着火边界.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(4): 1118-1123
GONG Chang-ming, LI Zhao-hui, QU Xiang, LIU Feng-hua. Investigation of critical firing boundary of spark ignition methanol engine during cold start. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(4): 1118-1123  
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点燃式甲醇发动机冷启动临界着火边界
宫长明1, 李朝晖2,3, 屈翔2,3, 刘凤华1
1.大连民族大学 机电工程学院, 辽宁 大连 116600
2.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022
3. 重庆理工大学 车辆工程学院,重庆 400054
刘凤华(1965-),女,高级工程师.研究方向:发动机排放与控制.E-mail:liufenghua@dlnu.edu.cn

作者简介:宫长明(1964-), 男,教授,博士生导师.研究方向:发动机排放与控制.E-mail:gongcm@dlnu.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目(51176063); 中央高校基本科研业务费专项项目(DC201502010203)
摘要

针对点燃式甲醇发动机低温下启动困难,基于单循环燃料喷射策略试验研究了甲醇最小循环喷射量、环境温度、预热和进气道内喷射液化石油气(LPG)等参数对甲醇发动机冷启动临界着火边界的影响。试验结果表明:甲醇最小循环喷射量、环境温度、甲醇喷射正时和点火正时角度差、预热和气道内喷射LPG量及甲醇和LPG喷射正时角度差决定甲醇发动机冷启动的临界着火边界;环境温度低于16 ℃时,甲醇发动机必须使用辅助启动措施方可启动;电热塞预热可使甲醇发动机在0 ℃以上环境温度下启动;喷射LPG可使甲醇发动机在-13 ℃以上环境温度下启动。

关键词: 动力机械工程; 点燃式发动机; 甲醇; 临界着火边界; 冷启动
中图分类号:TK464 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)04-1118-06
Investigation of critical firing boundary of spark ignition methanol engine during cold start
GONG Chang-ming1, LI Zhao-hui2,3, QU Xiang2,3, LIU Feng-hua1
1.College of Electromechanical Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China
2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China
3.School of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China
Abstract

To overcome the difficulty of cold start of spark methanol engine at low ambient temperature, the effects of the minimum amount of methanol injected per cycle, the ambient temperature, the angle difference between injection timing and ignition timing, preheating method and additional LPG injected into the inlet port on the critical firing boundary of the engine based on single cycle duel injection were investigated by experiments. Results show that the critical firing boundary is influenced by all the above factors, and by the angle difference between methanol injection timing and LPG injection timing. When the ambient temperature is below 16 ℃, an auxiliary start-aid must be used to support the cold start of the methanol engine. Glow plug preheating can ensure reliable firing of the methanol engine at ambient temperature above 0 ℃. Using an additional auxiliary start-aid, injecting LPG into the inlet port, can result in reliable firing at ambient temperature above -13 ℃.

Keyword: power machinery and engineering; spark ignition engine; methanol; critical firing boundary; cold start

车用发动机冷启动是一个常用工况, 在车用发动机排放控制中具有举足轻重的地位, 它直接决定整车排放控制水平。国内外很多学者对车用发动机冷启动开展了大量的研究工作[1, 2, 3], 采用循环分析方法对点燃式发动机冷启动工况的燃烧机理和排放控制进行了深入研究[4, 5, 6, 7], 但这些研究多是针对汽油、液化石油气(LPG)、汽油/甲醇混合燃料等开展的。由于甲醇燃料的低蒸汽压和高汽化潜热使得低温下点燃式甲醇发动机冷启动要比使用汽油、LPG和汽油/甲醇混合燃料等点燃式发动机困难得多, 甚至可能出现不能着火启动的状况, 造成甲醇发动机HC排放超高, 影响全甲醇汽车的推广应用[8, 9]。本文研究了点燃式甲醇发动机冷启动工况临界着火边界, 确保点燃式甲醇发动机在任何条件下都能够可靠着火、顺利启动, 从而实现对甲醇发动机冷启动排放的主动控制。

1 试验系统和测试方法

试验在单缸四行程汽油发动机上进行, 发动机的主要技术参数如下:缸径为52.4 mm; 行程为57.8 mm; 排量为125 mL; 压缩比为10.55∶ 1。试验燃料是纯度99.9%以上的精制工业甲醇。

低温下采用以下辅助启动措施:①加热空气到26 ℃的空气预热; ②加热甲醇到50 ℃的甲醇预热; ③加热进气管表面到45 ℃的电阻丝预热; ④加热电热塞套管表面到400 ℃的电热塞预热; ⑤进气道喷射LPG辅助起动。

采用铜皮套管包围电热塞表面以避免甲醇直接喷到电热塞表面上, 使电热塞外套管表面温度低于甲醇自燃温度以保证电热塞预热时甲醇不在进气道内发生燃烧。

采用气缸压力和曲轴瞬时转速来判定甲醇发动机冷启动着火。气缸压力采用Kistler 6125B压电压力传感器测量。采用日本小野测器公司的光电编码系统测量发动机瞬时转速。各种温度采用K型热电偶来测量。使用FGA4015废气分析仪、采用非扩散红外分析方法测量HC排放。

甲醇和LPG分别采用两套独立的进气道电控燃料喷射系统, 甲醇的喷射压力为0.3 MPa, LPG的喷射压力为0.13 MPa。LPG只起辅助启动作用。甲醇和LPG循环喷射量、甲醇和LPG喷射正时及点火正时由自行研制的电控单元(ECU)来控制。甲醇最小循环喷射量、甲醇喷射正时和点火正时的角度差、甲醇和LPG喷射正时角度差等参数是根据喷射脉宽、甲醇和LPG喷射正时、点火正时的测量值计算得出的, 同时根据甲醇和LPG的燃料汽化特性来确定甲醇和LPG喷射正时, 以实现甲醇-空气混合气和LPG-空气混合气同时进入气缸。本研究通过程序控制, 采用只喷射一次燃料的方法和循环控制策略研究各参数对临界着火边界的影响。同时满足以下这两个条件即认为甲醇发动机发生临界着火:①最大气缸压力≥ 130%最大压缩压力; ②最大瞬时发动机转速≥ 130%最大电机拖动转速。

图1是燃料喷射参数的定义, 燃料的喷射正时和点火正时的0 ° CA对应第1循环上止点。甲醇发动机冷启动的理想着火是第1循环喷射甲醇, 第2循环着火。每次试验前确保发动机处于压缩上止点前。ECU控制起动机拖动发动机使转速达到770 r/min; 节气门开度固定在10%; 大气压力为100.66 kPa。

图1 燃料喷射参数的定义Fig.1 Definitions of fuel injection parameters

2 试验结果及分析
2.1 甲醇最小循环喷射量和环境温度对着火边界的影响

图2是不同甲醇喷射正时下甲醇发动机冷启动可靠临界着火的甲醇最小循环喷射量(Qm)和环境温度(T)的关系, 这时点火正时是20 ° CA BTDC(θ ig)。从图2可以看出, 16 ℃环境温度是甲醇发动机自身起动着火的极限温度, 低于16 ℃时, 无论改变甲醇循环喷射量还是优化甲醇喷射正时都无法实现甲醇发动机着火。这主要是由甲醇低蒸汽压和高汽化潜热的燃料特性决定的, 对于给定的循环喷射量, 没有任何辅助起动措施下, 环境温度降低, 甲醇蒸发性能下降, 致使甲醇-空气混合气浓度降低, 满足不了点燃式甲醇发动机冷启动工况对混合气浓度的要求。而对于给定的甲醇发动机实现着火的环境温度, 甲醇喷射正时提前时, 可适当减少甲醇循环喷射量。这主要是甲醇喷射正时提前, 同等热条件下, 甲醇的蒸发时间延长, 蒸发量多, 相当于加大甲醇-空气混合气浓度。环境温度降低时, 甲醇的蒸发量大大减少, 致使保证点燃式甲醇发动机启动着火的甲醇最小循环喷射量需要大量增加[10]。环境温度16 ℃时, 249 ° CA BTDC甲醇喷射正时的甲醇发动机发生着火的甲醇最小循环喷射量比170 ° CA BTDC、90 ° CA BTDC和35 ° CA BTDC甲醇喷射正时分别减少10.3%、20.4%和25.7%。这表明非常有必要优化甲醇的喷射正时, 以保证同等环境条件下甲醇发动机冷启动着火时最小供给甲醇循环喷射量。

图2 甲醇发动机临界着火的甲醇最小循环喷射量与环境温度的关系Fig.2 Relationship between minimum amount of methanol injected per cycle and ambient temperature for critical firing of methanol engine

2.2 甲醇喷射正时和点火正时角度差对着火边界的影响

喷射正时和点火正时的角度差决定着点燃式甲醇发动机的甲醇蒸发量、甲醇-空气混合气浓度等, 对甲醇发动机冷启动着火燃烧起着至关重要的作用。图3是不同甲醇最小循环喷射量下, 甲醇发动机冷启动可靠临界着火时甲醇喷射正时和点火正时角度差(Δ θ 1)和点火正时的关系, 这时环境温度是20 ℃。可以看出, 甲醇发动机可着火的任一甲醇最小循环喷射量下, 20 ° CA BTDC点火正时时, 甲醇喷射正时和点火正时的角度差是最小的, 这与20 ° CA BTDC是最佳点火正时相对应[9]。这可能是在最佳点火正时下, 缸内温度、压力等条件有利于提高甲醇-空气混合气形成质量, 缩短了着火延迟期, 同时压缩负功又低的缘故。对给定点火正时, 加大甲醇最小循环喷射量可使甲醇发动机冷启动着火的甲醇喷射正时与点火正时角度差减小。这都是因为加大甲醇最小循环喷射量或在20 ° CA BTDC最佳点火正时时, 甲醇的蒸发条件得以改善, 更加有利于形成适合点燃式甲醇发动机冷启动着火的混合气造成的。甲醇最小循环喷射量为88 mg时, 0 ° CA BTDC和30 ° CA BTDC点火正时时甲醇发动机发生着火的甲醇喷射正时和点火正时的角度差比20 ° CA BTDC点火正时时分别增加50%和24%。这主要是因为30 ° CA BTDC点火正时时缸内温度和压力低, 着火延迟期要比20 ° CA BTDC点火正时时长, 且该条件下甲醇蒸发量少, 混合气形成质量差, 达不到冷启动着火所要求的混合气浓度要求, 所以其甲醇喷射正时和点火正时的角度差比20 ° CA BTDC点火正时时要大。而0 ° CA BTDC点火正时其着火要发生在膨胀循环, 传热损失加大, 加之气流弱等更加不利于着火, 因此需更大的甲醇喷射正时和点火正时的角度差, 才能形成冷启动发生临界着火的混合气浓度。随着甲醇循环喷射量的加大, 甲醇蒸发量加大, 保证甲醇发动机发生临界着火的甲醇喷射正时和点火正时的角度差减小。

图3 甲醇发动机临界着火时甲醇喷射正时和点火正时角度差与点火正时的关系Fig.3 Relationship between angle difference of injection timing and ignition timing and

ignition timing for critical firing of methanol engine

2.3 预热方法对着火边界的影响

极端环境温度等条件下, 点燃式甲醇发动机靠自身热状态条件不能启动着火, 因此必须采取辅助启动措施, 甲醇发动机方可启动。在点火方式不改变的前提下, 采用预热和添加易燃燃料是两种有效辅助启动方法。图4给出了4种预热条件下甲醇发动机冷启动可靠临界着火的甲醇最小循环喷射量与环境温度的关系, 这里采用的是最优的甲醇喷射正时和20 ° CA BTDC点火正时。由图4可以看出, 使用空气预热和甲醇预热对甲醇发动机冷起动着火没有任何作用, 在本试验条件下不能扩大着火边界, 这主要是由于这两种预热方法预热强度低, 不能对单循环燃料喷射下甲醇的蒸发及甲醇-空气混合气的形成产生本质改变的缘故。电阻丝预热和电热塞预热都可以扩大甲醇发动机冷启动的着火边界, 电阻丝预热可使甲醇发动机发生着火的环境温度降到5 ℃, 电热塞预热可以进一步降到0 ℃。这主要是由于这两种预热方法大大改善了甲醇的蒸发和雾化条件, 更加有利于甲醇发动机形成适合冷启动着火的甲醇-空气混合气。电热塞预热可以实现甲醇发动机在更低环境温度下着火, 这是由于其预热强度比电阻丝预热更大的缘故, 这也可以从图4中随环境温度降低, 电阻丝预热甲醇发动机发生着火的甲醇循环喷射量比电热塞预热要求多看出来。

图4 不同预热方法下甲醇发动机临界着火时甲醇最小循环喷射量与环境温度的关系Fig.4 Relationship between minimum amount of methanol injected per cycle and ambient temperature for critical firing of methanol engine at different preheating methods

2.4 掺烧LPG对着火边界的影响

图5是不同LPG喷射量和所有燃料喷射量质量比(R)下甲醇发动机冷起动临界着火时甲醇和LPG喷射正时角度差(Δ θ 2)与环境温度的关系, 这时甲醇最小循环喷射量是78 mg, LPG喷射正时是157 ° CA BTDC, 点火正时是20 ° CA BTDC。图5中曲线旁数字是LPG喷射量和所有燃料喷射量质量比。可以看出, 随环境温度降低, 甲醇发动机冷启动发生着火就要求更大LPG喷射量, 并需加大甲醇与LPG喷射正时角度差, 这是因为环境温度越低, 甲醇的蒸发越困难, 要形成适合甲醇发动机冷启动的浓混合气必然要加大掺烧LPG喷射量。低环境温度下为保证甲醇的蒸发量和混合气形成质量, 还要适当加大甲醇和LPG喷射正时角度差。如果保持甲醇和LPG喷射正时角度差不变, 低温下就要进一步加大LPG喷射量才能保证甲醇发动机可靠着火燃烧。-7 ℃环境温度下甲醇发动机着火启动时掺加LPG喷射量及甲醇和LPG喷射正时角度差比15 ℃环境温度时分别提高355%和414%。可见掺烧LPG能更有效扩大甲醇发动机的冷启动着火边界, 其效果要比预热方法更好。

图5 不同LPG喷射量和所有燃料喷射量质量比下甲醇发动机临界着火时甲醇和LPG喷射正时角度差与环境温度的关系Fig.5 Relationship between angle difference of methanol injection timing and LPG injection

timing for critical firing of methanol engine at different mass ratio of additional LPG to all injected fuel

图6是不同甲醇最小循环喷射量下甲醇发动机冷启动临界着火时, LPG喷射量和所有燃料喷射量质量比与环境温度的关系, 这时甲醇和LPG喷射正时最优, 点火正时是20 ° CA BTDC。可以看出, 低温下掺烧LPG可有效改善甲醇发动机冷启动着火边界。对给定甲醇最小循环喷射量, 环境温度降低时, 甲醇发动机发生着火的LPG掺烧量在0 ℃以上时增加快, -3 ℃以下温度掺烧量基本无变化。这是因为0 ℃以上环境温度下甲醇可以蒸发, 只是环境温度降低, 甲醇蒸发量减少, 而在3 ℃以下环境温度, 环境温度对甲醇的蒸发特性影响更大, 甲醇基本上处于很少蒸发的状态, 因而需采用很大的LPG喷射量方可保证甲醇发动机着火。对给定环境温度, 减少甲醇循环喷射量, 需加大LPG掺烧量才可形成满足甲醇发动机启动着火对混合气浓度的要求。-13 ℃环境温度时, 42 mg甲醇最小循环喷射量的LPG喷射量和所有燃料喷射量质量比要比56 mg、69 mg和78 mg甲醇最小循环喷射量时分别提高14.4%、34.8%和65.2%。掺烧LPG可使甲醇发动机在-13 ℃以上环境温度下实现可靠着火燃烧。

图6 不同甲醇最小循环喷射量下甲醇发动机发生 临界着火的LPG喷射量和所有燃料喷射量质量比与环境温度的关系Fig.6 Relationship between mass ratio of additional LPG to all injected fuel and ambient temperature for critical firing of methanol engine at different minimum amount of methanol injected per cycle

图7是不同甲醇最小循环喷射量下掺烧LPG时使甲醇发动机冷启动临界着火的HC排放与环境温度的关系, 这时甲醇和LPG喷射正时也保持最优, 点火正时为20 ° CA BTDC。从图7可以明显看出, 16 ℃以上环境温度时, 不同甲醇最小循环喷射量下掺烧LPG对甲醇发动机冷启动临界着火的HC排放影响不大, 随着环境温度降低, HC排放稍有增加, 这可能是因为在这个环境温度范围, 甲醇的蒸发量比较多, 较小的LPG喷射量就有利于形成满足甲醇发动机冷启动着火的混合气的缘故。进一步降低环境温度, 甲醇发动机冷启动临界着火的HC排放快速增加, 且随着甲醇循环喷射量的增加, HC排放增速更大。这是由于更低的环境温度下, 甲醇蒸发特性急剧恶化, 致使甲醇发动机启动着火主要靠LPG喷射量来维持, 喷入气道的甲醇基本上都以HC形式排出, 此时喷入越多甲醇, HC排放越多。-13 ℃环境温度时, 78 mg、69 mg、56 mg和42 mg甲醇循环喷射量的甲醇发动机掺烧LPG冷启动临界着火的HC排放比16 ℃环境温度时分别高271%、224%、178%和147%。而-13 ℃环境温度时, 78 mg甲醇循环喷射量的甲醇发动机掺烧LPG冷启动临界着火的HC排放比42 mg时要高47%。因此要优化掺烧LPG的甲醇发动机影响冷启动临界着火的各主要因素, 以确保其发生可靠着火, 以大幅度降低甲醇发动机的HC排放, 实现对HC排放的主动控制。

图7 不同甲醇最小循环喷射量下掺烧LPG时使发动机冷起动临界着火的HC排放与环境温度的关系Fig.7 Relationship between HC emission and ambient temperature for critical firing of methanol engine at different minimum amount of methanol injected per cycle with additional LPG during cold start

3 结 论

(1)16 ℃环境温度是甲醇发动机自身启动着火的极限温度。16 ℃环境温度时, 249 ° CA BTDC甲醇喷射正时的甲醇发动机发生临界着火的甲醇最小循环喷射量比35 ° CA BTDC甲醇喷射正时减少25.7%。加大甲醇最小循环喷射量可使甲醇发动机冷起动临界着火的甲醇喷射正时与点火正时角度差减小。

(2)空气预热和甲醇预热对甲醇发动机冷启动着火没有任何作用, 不能扩大着火边界。电阻丝预热和电热塞预热都可以扩大甲醇发动机冷启动的着火边界, 电阻丝预热可使甲醇发动机发生着火的环境温度降到5 ℃, 电热塞预热可以进一步降到0 ℃。

(3)掺烧LPG可有效扩大甲醇发动机的冷启动着火边界, 其效果要比预热方法来得更有效, 掺烧LPG可使甲醇发动机在-13 ℃以上环境温度下实现可靠着火燃烧。降低环境温度, 甲醇发动机冷启动临界着火的HC排放快速增加。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Santoso H, Chang W K. Mixture preparation and hydrocarbon emissions behaviors in the first cycle of Si engine cranking[C]∥SAE Paper, 2002-01-2805. [本文引用:1]
[2] Cheng Y, Wang J X, Zhuang R J, et al. Analysis of combustion behavior during cold-start and warm-up process of SI engine[C]∥SAE Paper, 2001-01-3557. [本文引用:1]
[3] Henein N A, Tagomori M K, Yassine M K, et al. Cycle-by-cycle analysis of HC emissions during cold start of gasoline engines[C]∥SAE Paper, 952402. [本文引用:1]
[4] Jason D H, Checckel M D. Quantifying vehicle emission factors for various ambient conditions using an on-board, real-time emissions system[C]∥SAE Paper, 2003-01-0301. [本文引用:1]
[5] Li L G, Li G, Qiu D P, et al. The characteristic of transient HC emissions of the first firing cycle during cold start on an LPG SI engine[C]∥SAE Paper, 2006 -01-3403. [本文引用:1]
[6] Hu T G, Wei Y J, Liu S H, et al. Improvement of spark-ignition (SI) engine combustion and emission during cold start, fueled with methanol/gasoline blends[J]. Energy and Fuels, 2007, 21(1): 171-175. [本文引用:1]
[7] Liao S Y, Jiang D M, Cheng Q, et al. Investigation of the cold-start combustion characteristics of the ethanol-gasoline blends in a constant-volume chamber[J]. Energy and Fuels, 2005, 19(3): 813-819. [本文引用:1]
[8] 宫长明, 邓宝清, 王舒, 等. 预热对电控喷射甲醇发动机冷起动着火特性的影响[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2008, 38(5): 1029-1033.
Gong Chang-ming, Deng Bao-qing, Wang Shu, et al. Effect of preheating on firing behavior of an electronically controlled injection methanol engine during cold start[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2008, 38(5): 1029-1033. [本文引用:1]
[9] 李骏, 宫长明, 王忠, 等. 点火和喷射正时对甲醇发动机冷起动非常规排放的影响[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2010, 40(5): 1188-1192.
Li Jun, Gong Chang-ming, Wang Zhong, et al. Effects of ignition and methanol timing on unregulated exhaust emissions from methanol engine during cold start[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2010, 40(5): 1188-1192. [本文引用:2]
[10] 宫长明, 王舒, 刘家郡, 等. 环境温度对点燃式甲醇发动机冷起动性能的影响[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2009, 39(1): 27-32.
Gong Chang-ming, Wang Shu, Liu Jia-jun, et al. Effect of ambient temperature on cold start behavior of S. I. methanol engine[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2009, 39(1): 27-32. [本文引用:1]