点燃式甲醇发动机掺烧LPG冷起动性能研究

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1、成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 点燃式甲醇发动机掺烧 LPG 冷起动性能研究 点燃式甲醇发动机掺烧 LPG 冷起动性能研究 宫长明1,王舒2,3,邓宝清1,于晓璐3,刘巽俊1 (1.吉林大学 汽车工程学院,长春 130022； 2.重庆汽车研究所,重庆 400039；3.车辆排放与节能重庆市 市级重点实验室,重庆 400039) 摘 要:摘 要:在一台 125mL 单缸电控喷射点燃式甲醇发动机上进行了掺烧 LPG 后冷起动瞬态工况着火特性的试验研 究。基于循环控制研究了 LPG 掺烧量、甲醇和 LPG 的喷射时刻对甲醇发动机冷起动着火特性

2、和 HC 排放的影响。 试验结果表明：低温起动时进气道内喷射适量 LPG 可使点燃式甲醇发动机可靠起动；LPG 掺烧量对甲醇发动机 冷起动着火特性有很重要的影响；合理控制 LPG 的喷射时刻可提高起动可靠性，降低 HC 排放。 关键词：关键词：电控喷射；甲醇发动机；冷起动；着火特性；液化石油气 为了缓解日益严重的大气污染问题，世界各国 纷纷制定了越来越严的排放控制标准，从低排放、 超低排放直至零排放。未来的车用发动机排放法规 中愈来愈重视冷起动工况下的排放控制，如美国的 FTP-75 测试循环从冷起动开始测试；欧、欧排 放测试中取消了发动机起动后怠速40s的暖机时间， 要求从初始温度-7起动并

3、立即开始排放测试。冷 起动工况对点燃式发动机整车工况法排放的CO和 HC排放贡献量极为突出，约占整个测试过程的 50%-80%1，因此车用发动机冷起动的排放控制是 当前排放研究的热点26。 Fulcher等 2通过试验分 析了燃料的雾化、 蒸发和混合对冷起动HC排放的影 响，指出了混合气循环控制可能是减少冷起动未燃 HC排放的最有效措施。Kevin等7对点燃式汽油发 动机研究了燃料特性对首循环燃料供给量的影响， 得出了发动机在各种边界条件下稳定燃烧的最小循 环燃料供给量。 国内外对冷起动的研究，多侧重于汽油、LPG 燃料，针对点燃式甲醇发动机的冷起动尚未见相关报道。作者根据甲醇燃料的特点，针对

4、点燃式甲醇 发动机在低温（16以下）时甲醇燃料的蒸发量不 足，混合气 浓度达不到着火界限，起动困难8，采用掺烧适量 LPG提高混合气浓度，以确保点燃式甲醇发动机可 靠起动。 1 试验装置及测试系统 1.1 试验用发动机主要参数试验用发动机主要参数 试验是在经过改造的重庆嘉陵JL125T-3 风冷四 行程汽油发动机上进行的，该发动机的主要技术参 数为： 缸径 52.4mm， 行程 57.8mm， 压缩比为 10.55： 1 ， 排 量 为125mL ， 标 定 功 率 / 转 速 为 6.5kW/7500rmin-1，最大转矩/转速为 9Nm/6000 rmin-1，顶置式凸轮轴配气机构。 1.

5、2 测试系统测试系统 本试验测试系统主要由气缸压力测试系统、甲 醇燃料喷射系统、LPG 燃料喷射系统、废气采集系 统几部分组成，图 1 为测试系统结构示意图。 图 1 测试系统结构示意图 国家自然科学基金资助（50576031） 作者简介： 宫长明(1964 )， 男， 副教授， 博士.研究方向： 发动机排放与控制。 Email: 成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 气缸压力采用 Kistler 6125B 型压电式传感器测 量。采用日本小野的一套光电编码器系统产生上止 点信号和角度信号。气缸压力信号由多通道高速数 据采集卡 PLC-818H

6、G 采集,并传送给计算机。采用 FGA4015 废气分析仪测量 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，其喷射脉宽和喷射时刻由自主开发 的控制系统单独控制。LPG 喷嘴安装在甲醇喷嘴和 发动机气缸盖之间。LPG 只起辅助起动作用，其最 大喷射脉宽不超过单独使用 LPG 燃料时怠速工况 稳定燃烧喷射脉宽（3ms） 。 图 2 是甲醇和 LPG 喷嘴的流量特性。 00.020.040.060.080.10.120.140.16020406080100 喷射脉宽/ms喷射量/ml(a)甲醇喷嘴 0123456712345678喷射脉宽/ms喷射量/ml（b）LPG 喷

7、嘴 图 2 甲醇和 LPG 喷嘴的流量特性 1.3 测试方法测试方法 本试验中通过程序控制，使起动电机拖动发动 机，从第 2 循环开始喷射甲醇和 LPG，研究只喷射 一次燃料的冷起动着火特性。磁电机信号在上止点 前 35CA ,ECU 利用磁电机信号作为控制甲醇和 LPG 喷射正时的触发信号，以此作为基准调整喷射 正时和点火正时。 2 试验结果及分析 2.1 LPG 掺烧量对甲醇发动机冷起动着火特性的 影响掺烧量对甲醇发动机冷起动着火特性的 影响 图3表示LPG掺烧量对不同甲醇喷射脉宽下冷 起动着火特性的影响。这时环境温度为 11，节气 门开度为 10%，起动电压为 12.05V，由程序控制甲

8、 醇在第二循环压缩上止点前磁电机信号到来后喷 射， LPG 的喷射时间相对于甲醇滞后 20ms。 从图中 可以看到，两种燃料的喷射量对发动机的着火性能 都有影响。相比而言，LPG 的喷射量的影响更大一 些，当 LPG 喷射脉宽低于 2.5ms，即使加大甲醇的 喷射量也不能改善着火性能。这是因为当环境温度 和喷射条件一定时，甲醇的蒸发速度是一定的，所 以在固定时间内能够进入气缸的甲醇的量也是一定 的， 这个时候一味地增大喷射量只会造成更多的HC 排放。总体上看，LPG 的喷射量每提高 0.1ms，稳 定着火所需要的甲醇的喷射量可以降低 2ms，可见 在改善甲醇发动机的起动性能方面，LPG 的作用

9、是 非常明显的。 2.42.52.62.72.82.933.120222426283032343638 甲醇喷射脉宽/msLPG喷射脉宽/ms不着火区域着火区域图 3 LPG 掺烧量对不同甲醇喷射脉宽下冷起动着火特性的影响 图 4、5 分别是 LPG 不同掺烧量对气缸压力和HC 排放的影响。从图中可以看出，当 LPG 喷射脉成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 宽大于 2.5ms 时，都实现了可靠的着火，但是着火 循环发生在第四循环，与喷射时刻第二循环之间有一个不着火的循环存在，这是由于甲醇在环境温度 低的条件下蒸发速 050010001500

10、20002500300035002.42.52.62.72.82.933.1LPG脉宽/msHC106(34)(32)(30)(24)(24)(22)图 5 LPG 不同掺烧量对 HC 排放的影响(括号内数字为甲醇脉宽，单位 ms) 度较慢，虽然 LPG 对着火的影响比较大，但是仅靠LPG 的量也是不足以着火的，所以要等到第四循环(a)甲醇脉宽22msLPG脉宽3ms-0.500.511.522.533.54010002000300040005000曲轴转角/CA气缸压力/MPa(C)甲醇脉宽24msLPG脉宽2.8ms-0.500.511.522.533.540100020003000400

11、05000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(d)甲醇脉宽30msLPG脉宽2.7ms-0.500.511.522.533.54010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(b)甲醇脉宽24msLPG脉宽2.9ms-0.500.511.522.533.54010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(e)甲醇脉宽32msLPG脉宽2.6ms-0.500.511.522.533.54010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(f)甲醇脉宽34msLPG脉宽2.5ms-0.500.511.522.533.54

12、010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa图 4 LPG 不同掺烧量对气缸压力的影响 成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 气缸内的混合气浓度在两种燃料的共同作用下才能 形成可靠的着火。 随着 LPG 掺烧量的加大， 最高燃烧压力也明显 升高， 这说明混合气浓度是随着 LPG 掺烧量的加大 而变浓， 因此掺烧 LPG 可以明显地改善甲醇发动机 的冷起动性能。 LPG喷射量为 2.5ms时，由于起动失败，HC 排放很高，达到 300010-6。进一步增加喷射量，由 于着火，HC有一定程度的下降，但是总体来说， HC

13、排放还是很高， 而且随着LPG掺烧量的增大， HC 也有所上升。 造成HC较高的原因主要是由于喷射时 刻没有基于循环控制进行优化，导致有一部分燃料 （大部分是LPG）在喷射循环和着火循环之间的一个未着火循环随尾气排出。 2.2 甲醇与甲醇与 LPG 喷射时刻对甲醇发动机冷起动着 火特性的影响喷射时刻对甲醇发动机冷起动着 火特性的影响 掺烧LPG进行辅助起动时的HC排放比通过预 热的方法辅助起动时的HC排放高了近一倍8，这主 要是由于甲醇的雾化不良、气化不足，致使甲醇和 LPG一起形成的混合气浓度达不到着火条件，使部 分LPG在第三循环随尾气排出而造成HC排放升高。 图 6、图 7 分别是固定甲

14、醇的喷射时刻为触发信号 后 100ms，甲醇和LPG的喷射脉宽分别为 30ms和 2.8ms， LPG不同喷射时刻对气缸压力和HC排放的 影响。 (a)LPG和甲醇同时喷射-0.50.51.52.53.54.5010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(C)LPG滞后甲醇40ms-0.50.51.52.53.54.5010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(d)LPG滞后甲醇60ms-0.50.51.52.53.54.5010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(b)LPG滞后甲醇20ms-0.5

15、0.51.52.53.54.5010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(e)LPG滞后甲醇80ms-0.50.51.52.53.54.5010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa(f)LPG滞后甲醇100ms-0.50.51.52.53.54.5010002000300040005000 曲轴转角/CA气缸压力/MPa图 6 LPG 不同喷射时刻对气缸压力的影响 从图中可以看到，当LPG和甲醇同时喷射时， 由于LPG的喷射位置靠近气门，且LPG在进气道的 状态为气态，进入气缸的速度更快一些，导致一部 分LPG在不着火的第三循环随

16、尾气排出，第四循环 混合气浓度达不到着火的界限，最终起动失败，HC 排放达到了 283010-6。 当喷射时刻推迟 20ms时，有更多的LPG进入 第四循环， 使得第四循环混合气浓度达到着火稀限， 着火成功，HC排放也有所下降。喷射时刻进一步推 迟直至滞后甲醇喷射 80ms， 都能够保证着火的可靠 性。延时 60ms和 80ms的HC排放值分别为 87010-6 和 82010-6，这两个喷射时刻距离前一循环压缩上成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 止点触发信号分别为 160ms和 180ms，已经是第三 循环的进气门关闭之后，都能保证LPG在第四循环 全数参加燃烧，所以HC排放的差别不很明显。 如果喷射时刻进一步推迟至落后甲醇 100ms， 会造