王玉凤

（烟台汽车工程职业学院车辆运用工程系 山东 烟台 265500）

引言

目前，随着世界各国对节能减排的日益重视，许多国家都对汽车油耗以及尾气排放提出了更高的标准[1-3]。相对于石油燃料而言，乙醇有望成为一种替代品。其中，乙醇的氧含量以及H和C的原子比都较高，并且含硫的比例也很低，有助于燃料实现完全燃烧的过程，显著降低排放物中的各类有害成分；此外，乙醇的汽化潜热达到了汽油的2倍以上，可以有效促进发动机进气并对压缩冲程起到充量冷却的效果，使充气效率获得显著提升；乙醇的辛烷值比汽油略高，有助于提高发动机压缩比并改善其抗爆性能；可以形成比汽油更高的层流火焰速度，对于燃烧过程起到明显的促进作用，从而获得更高的发动机热效率[4-6]。根据上述分析可知，当前国内外大部分学者主要是对乙醇与汽油组成的双燃料双喷射系统发动机进行了相关研究，但很少研究乙醇汽油双燃料双喷射系统发动机关于燃油互换方面的内容[7-12]。本文重点探讨了由进气道喷射乙醇和缸内直喷汽油共同构成的双燃料双喷射系统，分析不同发动机转速下，EPI+GDI（进气道喷射乙醇+缸内直喷汽油）和EDI+GPI燃烧模式随乙醇质量分数增大所表现出来的性能变化，本文研究结果可以为改善GDI发动机的微粒排放问题提供一定的理论参考价值。

1 试验设备及流程

本实验通过改装一台排量为2.0 L的增压缸内直喷汽油机得到了双燃料双喷射系统发动机，该系统为4缸类型，缸内直喷燃油方式和涡轮增压进气方式，具体的GDI发动机的各项性能参数如表1所示。以原机作为基础，新增了进气道多点喷射系统，该系统包含了独立的油泵、油箱、喷油器供油以及燃油分配管；通过开放型ECU与进气喷射系统来达到实时通信的功能，实现和原机喷射次序、凸轮轴信号与曲轴信号的同步过程；同时，利用标定软件来设定进气道中喷油器的喷射时间与脉宽等运行参数。INCA在线标定系统为GDI喷射系统和原机开放式ECU建立实时通信来控制缸内喷油器。可以利用在线控制的方式对进气道喷射以及缸内直喷的喷油比例进行精确控制。

表1 发动机技术参数

本实验中用于缸压测试的设备包括AVL GH13Z缸压传感器、AVL 641燃烧分析仪以及Kistler电荷放大器共同构成，可以对缸内的各项燃烧数据进行高效收集与处理；利用ETASLA4型λ测试仪测定了过量空气系数；通过2台AVL731油耗仪来精确测定进气道喷射以及缸内直喷燃油量；利用Horiba MEXA-7100排放测试仪测定了气体排放量；通过DMS500快速颗粒取样仪来测试了各个粒径微粒对应的数量分布状态，可以测试的粒径尺寸范围介于5～1 000 nm，响应频率是10 Hz，同时利用干燥空气对收集到的发动机尾气实施2级稀释，采样温度是100℃，一级与二级的稀释比依次等于1∶4与1∶100。

2 结果分析

2.1 燃油经济性

表2显示了分别建立在燃油质量消耗基础上的油耗QB以及建立在燃油能量消耗基础上的油耗QE发生的改变情况。从表2中可以看到，QB表现出随乙醇质量分数增大而线性上升的结果。这是由于乙醇热值较低，只达到了汽油热值的61%，具体见表2，因此为了保持同样的发动机功率就需要喷入更多的乙醇。QE则表现出随乙醇质量分数增大而下降的变化趋势，在保持同样的发动机功率条件下所需的能量更低，从而促进发动机有效热效率的提升。

表2 不同发动机转速下Q B和Q E随乙醇质量分数的变化g（/kW·h）

QE出现下降的情况可以通过摩尔乘数效应进行解释。在发动机的每个循环过程中，燃油混合物发生膨胀行程时做的功W越大，则对应的摩尔乘数效应也越高，可将其表示成如下形式：

式中：n代表燃烧物质的摩尔量，γ是定压比热容和定容比热容相比所得的结果；T1是膨胀行程在初始状态下对应的温度；R是摩尔气体常数；V1是膨胀行程中初始体积，V2是膨胀行程最终体积，分别对应发动机余隙体积及排量。

对表2进一步分析还可发现，随着发动机转速的增加，QB和QE均表现出先增加后减小的变化规律。

所有转速下的最低QE都出现于乙醇质量分数为100%的状态下，在EPI+GDI燃烧模式下QE最低值等于255 g/（kW·h），相对于纯汽油而言，燃油的经济性提升了2%左右。在EDI+GPI燃烧模式下，QE最低值时为241 g/（kW·h），相对于纯汽油的燃油经济性上升了10%左右。

2.2 气态常规排放物

从表3中可以看到在不同发动机转速下乙醇质量分数改变后HC排放量发生的变化情况。根据表3结果可以发现，发动机转速对HC排放量影响不明显，当乙醇质量分数增大后都出现了降低的结果。含有乙醇的层流火焰速度更快，对于缸内的燃烧过程起到了良好的促进作用，同时因为乙醇含有较高的氧含量，从而增大了燃油局部区域内混合气含有的氧浓度，同时乙醇具备优异的蒸发性能也对形成均质混合气起到了明显的促进作用，使燃烧过程变得更充分，最终有效降低了HC的排放量。

表3 不同发动机转速下HC排放量随乙醇质量分数的变化g（/kW·h）

在乙醇质量分数为0%的条件下，EDI+GPI燃烧模式相对于EPI+GDI燃烧模式将会产生更大的HC排放量，表明进气道喷射纯汽油将比缸内喷射纯汽油产生更大的HC排放量；在乙醇质量分数为100%的时候，EPI+GDI燃烧模式将会产生比EDI+GPI燃烧模式更大的HC排放量，表明在气道喷射乙醇将会产生比缸内直喷乙醇更高的HC排放量。

液态燃油可以通过进气道喷油器被直接喷射到进气口以及进气门背部区域，所需的喷射压力也较低。在较大的进气道喷射比例下，将会形成很长的喷射脉宽。表4给出了进气道喷射持续期对应的进气门开启与关闭状态下的喷射角度。根据表4结果可以发现，在进气道中有一部分燃油喷射出现在进气门关闭状态下，在进气门开启的时候，随着缸内燃烧后气体发生快速回流可以对燃油的蒸发起到明显的促进作用，位于进气门以及进气口的液态燃油将通过气态状态进入缸中；剩余燃油将在开启进气门之后通过液滴的形态与进气气流一起进入到气缸内，同时大部分的液态燃油都会和缸内的气态燃油、空气以及剩余废气发生充分混合，之后通过进气与圧缩过程产生可燃混合气。

表4 进气道喷射持续期相对进气门开启和关闭时的喷射角度

表5显示了不同发动机转速下的CO排放量和乙醇质量分数之间的关系。根据表5可以发现，在所有转速下，CO排放量都表现出了相近的变化规律，都随乙醇质量分数增大而出现先降低后上升的现象，其中在乙醇质量分数为40%的条件下CO排放量达到最低。其中，在最低点之前，因为乙醇氧含量较高，层流火焰速度也较快，使燃烧过程能够充分进行，减少了CO的产生量。进入最低点之后，乙醇质量分数增大则会引起池火现象，从而使CO的排放量上升。

表5 不同发动机转速下CO排放量随乙醇质量分数的变化g（/kW·h）

对表5进行分析还可发现，在最低点之前，EDI+GPI具有比EPI+GDI更高的CO排放量；之后EPI+GDI具有比EDI+GPI更大的CO排放量。无论何种燃料，在较大的进气道喷射燃料比例下，低喷射压力将会增加喷射脉宽，在进气门与进气口表面也会附着燃油，同时还有一些燃油从进气门进入到了气缸中，从而生成更多的CO。

3 结论

1）QB表现出随乙醇质量分数增大而线性上升的结果，QE则表现出随乙醇质量分数增大而下降的变化趋势。随着发动机转速的增加，QB和QE均表现出先增加后减小的变化规律。所有转速下的最低QE都出现于乙醇质量分数为100%的状态下，在EDI+GPI燃烧模式下，QE最低值时为241 g/（kW·h）。

2）发动机转速对HC排放量影响不明显，当乙醇质量分数增大后都出现了降低的结果。在乙醇质量分数为0%的条件下，EDI+GPI燃烧模式相对于EPI+GDI燃烧模式将会产生更大的HC排放量；在乙醇质量分数为100%时，EPI+GDI燃烧模式将会产生比EDI+GPI燃烧模式更大的HC排放量。

3）在所有转速下，CO排放量都表现出了相近的变化规律，都随乙醇质量分数增大而出现先降低后上升的现象，其中在乙醇质量分数为40%的条件下CO排放量达到最低。