湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究.pdf
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1、第 56 卷 第 10 期 2023 年 10 月 天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University(Science and Technology)Vol.56 No.10Oct.2023 收稿日期:2022-05-19;修回日期:2022-07-21.作者简介:刘宗宽(1992 ),男,博士研究生,.通信作者:刘昌文,.基金项目:国家自然科学基金资助项目(91641203);北京福田康明斯发动机有限公司企业项目.Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.916
2、41203),the Enterprise Project of Beijing Foton Cummins Engine Co.,Ltd.DOI:10.11784/tdxbz202205035 湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇 发动机性能及排放影响的研究 刘宗宽1,龚世华2,车胜楠1,龚英利2,卫海桥1,刘昌文1(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072;2.北京福田康明斯发动机有限公司,北京 102206)摘 要:基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室结构和射流孔直径对湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)甲醇发动机性能和燃烧特性的影响研究试验采用
3、直单孔和斜三孔两种类型预燃室射流孔,根据预燃室是否喷射甲醇,预燃室可分为主动式预燃室和被动式预燃室结果表明,预燃室射流孔直径过大会使射流强度减弱,进而导致主燃烧室燃烧速率降低,不利于稀薄工况下的稳定燃烧;预燃室射流孔过小则会导致节流损失和淬息作用增强,造成稀薄工况缸内燃烧恶化,且污染物排放增加稀燃工况下,对于直单孔预燃室,4 mm 直单孔预燃室性能表现较好,可产生较强的射流,拓宽发动机稀燃极限、提升燃烧稳定性,同时降低指示油耗率,减少污染物排放预燃室结构不同时,斜三孔预燃室可产生与活塞表面平行的射流火焰,TJI 甲醇发动机获得更好的动力性与燃油经济性,且污染物生成较少;同时,斜三孔预燃室可在主
4、燃烧室产生多股射流,提供分布更加广泛的点火源,促进缸内快速燃烧,有效提升稀燃工况下的燃烧稳定性不同发动机负荷下,斜三孔预燃室的使用可使发动机获得更好的燃烧和排放性能;TJI 甲醇发动机具有较好的经济性和燃烧稳定性,同时,缸内燃烧速率更高,燃烧持续期相对较短,且在稀燃小负荷工况下更为突出 关键词:湍流射流点火;甲醇发动机;预燃室结构;射流孔直径 中图分类号:TK464 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2023)10-1031-12 Study of the Effects of the Pre-Chamber Nozzle on the Performance and Emissi
5、ons of the Methanol Engine by Turbulent Jet Ignition Liu Zongkuan1,Gong Shihua2,Che Shengnan1,Gong Yingli2,Wei Haiqiao1,Liu Changwen1(1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Beijing Foton Cummins Engine Co.,Ltd.,Beijing 102206,China)Abstract:Based on a four-stroke
6、 single-cylinder engine,the effects of the pre-chamber structure and nozzle diameteron the performance and combustion characteristics of a turbulent jet ignition(TJI)methanol engine were investigated.This study used two types of pre-chamber nozzle:Straight single-hole and inclined three-hole.The pre
7、-chamber can be divided into active and passive depending on whether methanol is injected.The results indicate that an excessivelylarge diameter of the pre-chamber nozzle leads to a decrease in jet flame strength,which causes a reduced combus-tion rate in the main combustion chamber and is not condu
8、cive to stable combustion under lean conditions.Conversely,an excessively small diameter of the pre-chamber nozzle leads to throttling loss increase and quenching enhancement,resulting in the deterioration of in-cylinder combustion under lean conditions and an increase in pollut-ant emissions.Under
9、lean conditions,for different diameters of the straight single-hole nozzle,the 4 mm pre-chamber nozzle exhibits the best performance,which produces a stronger hot jet flame.The lean limit of the TJI 1032 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 methanol engine is broadened,the combustion stability is improve
10、d,and both the fuel consumption rate and emis-sion formation are reduced.For different pre-chamber nozzle structures,the inclined three-hole pre-chamber can gen-erate a jet flame parallel to the piston surface.In this case,the power,economy,and emission characteristics of the TJI methanol engine are
11、 more optimized.Meanwhile,the multi-jet produced by the inclined three-hole pre-chamberprovide more widely distributed ignition sites in the cylinder,which improve the combustion rate and combustion stability in lean conditions.The application of the inclined three-hole pre-chamber allows the TJI me
12、thanol engine to obtain better performances of the combustion and emission formation under different engine loads,and the TJI methanol engine obtains better economy and combustion stability.Meanwhile,the combustion rate in the main com-bustion chamber is increased,the combustion duration is shortene
13、d,and it is more prominent under lean conditions at part load.Keywords:turbulent jet ignition;methanol engine;pre-chamber structure;nozzle diameter 甲醇作为一种极具潜力的发动机替代燃料,来源广泛,可通过生物方法制取,也可以利用煤炭、天然气通过化学方法获得1 发展甲醇燃料,不仅可以缓解交通运输业对石油资源的依赖,也有利于煤炭资源的高效利用2 甲醇碳氢比小于传统化石燃料,燃烧后生成的二氧化碳较少,故碳排放量低是其作为内燃机燃料的优点之一3;此外,甲醇辛
14、烷值高,抗爆能力强,燃烧速度快,可适当提高压缩比以获得更高的发动机热效率 甲醇作为燃料在发动机中应用源于 20世纪 50 年代 Celik 等4对比分析了不同压缩比下汽油和甲醇两种燃料的燃烧特性,研究结果表明,压缩比为 10 的工况下,燃用甲醇时发动机功率和热效率分别增加 14%和 36%,一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氮氧化物(NOx)的排放均降低Svensson 等5通过对甲醇低温燃烧特性的研究,发现与汽油相比,甲醇发动机的有效效率平均提高约 5.5%,且在高EGR 率工况下,甲醇发动机的氮氧化物排放仍然较低 高聪慧等6发现供油提前角增大会导致甲醇发动机爆压和压升率上升,放热峰值增
15、加,燃烧相位提前,氮氧化物排放降低,但未燃碳氢排放升高 Li 等7和 Gong 等8-10在优化结构参数后的火花点火甲醇直喷发动机中研究发现,甲醇发动机的制动热效率可提高 27%然而,甲醇十六烷值较低,自燃温度高,低负荷和稀薄燃烧工况易失火,燃烧易发生恶化;另外,甲醇汽化潜热大,低温环境下冷启动存在困难 因此,改善稀燃特性、提高点火稳定性,成为甲醇发动机面临的主要技术问题之一 提升点火能量是实现缸内稀薄混合气可靠着火和稳定燃烧的有效手段之一,可改善发动机稀燃工况下燃烧不稳定和燃烧不完全等问题 湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)系统是一种能够有效提高发动机点火性
16、能、实现稳定稀薄燃烧的装置11,主要由火花塞、喷油器和预燃室组成 喷油器可向预燃室喷油形成可控浓度混合气,其燃烧产生的高温产物通过射流孔射入主燃室,形成热射流 相比于传统火花塞点火(spark ignition,SI)的单点点火模式,TJI 可在主燃室内实现多点点火,故缸内燃烧更加稳定12-13 对 TJI 发动机来说,预燃室结构和射流孔直径对发动机燃烧过程和性能有关键影响 Shah 等14通过对发动机预燃室的结构研究发现,预燃室容积越小越有利于降低氮氧化物排放 Gentz 等15-16在一台快速压缩膨胀机上开展不同预燃室射流孔直径的试验研究,研究表明一定范围内减小预燃室射流孔直径可以缩短燃烧
17、持续期,并有利于稀薄工况下缸内的燃烧 目前,对于甲醇燃料 TJI 发动机的研究相对缺乏,尤其是预燃室结构和射流孔直径对甲醇燃料 TJI发动机的影响研究 因此,本文基于一台具有 TJI 点火系统的单缸试验发动机台架,探究 TJI 甲醇发动机的性能特点,重点分析了预燃室结构和射流孔直径对发动机燃烧特性、性能表现以及污染生成的影响 1 试验设备和试验方法 1.1 单缸机试验台架 试验采用一台水冷式单缸、四冲程 Ricardo E6 发动机,缸径和行程分别为 80mm 和 100mm,排量为0.5L,试验发动机台架如图 1 所示 试验发动机缸盖可同时安装预燃室装置、主燃烧室喷油器和缸压传感器,其中预燃
18、室和主燃烧室喷油器均安装在侧面 试验发动机可通过喷油器与火花塞灵活布置实现不同的 燃 烧 模 式 研 究 中 发 动 机 转 速 设 定 为1500r/min 发动机喷油量、喷油时刻和喷油压力通过自制的电控系统进行控制,点火时刻通过 MoTeC-M400 进行调节,发动机具体参数见表 1 研究采用HORIBA 公司 FTX-ONE-CS 尾气分析仪对排放进行 2023 年 10 月 刘宗宽等:湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究 1033 测试,该设备是一种利用傅里叶变换红外(FTIR)方法结合多元分析算法,对发动机尾气进行连续测量的装置,可同时测量尾气中多种组分的浓度,测
19、量误差不超过量程的1.0%图 1 单缸发动机试验平台示意 Fig.1 Schematic of the single-cylinder engine test platform 表 1 试验发动机规格 Tab.1 Specifications of the test engine 项目 型号(数值)发动机类型 单缸,四冲程 缸径/mm 80 行程/mm 100 排量/L 0.5 压缩比 6.017.5 配气机构 双顶置凸轮轴,2 气门 喷油压力/MPa 20 喷油系统 主燃烧室:压电晶体喷油器 预燃室:电磁线圈喷油器 1.2 湍流射流点火系统 图 2 所示为湍流射流点火系统结构,该系统由火花塞
20、、喷油器、带射流孔的预燃室和冷却水道共同组成 预燃室容积为 3.6mL,约占试验发动机燃烧室容积的 5%稀燃工况下,可通过在预燃室内额外喷射少量甲醇以形成当量混合气,从而保障预燃室内稳定着火燃烧,形成射流火焰,为主燃烧室提供较高的点火能量,该工作模式的预燃室称为主动式预燃室 预燃室内喷油器停止供油时,称为被动式预燃室 图 3 展示了预燃室结构 本试验采用两种结构预燃室:一种是直单孔结构;另一种是斜三孔结构,斜三孔预燃室总流通面积与 4mm 的直单孔相同 预燃室安装角度与单缸机垂直方向呈 45夹角,故直单 图 2 湍流射流点火系统结构 Fig.2 Structure of the turbule
21、nt jet ignition system (a)结构 (b)直单孔 (c)斜三孔 图 3 预燃室的结构 Fig.3 Structure of the pre-chamber 1034 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 孔预燃室产生的射流会在上止点附近直接与活塞表面接触,易导致活塞表面局部过热,增大热损失 相比之下,斜三孔预燃室可产生与活塞表面平行的射流火焰,避免射流火焰在上止点附近与活塞表面撞击,从而减少活塞局部过热而造成的热损失;同时,多孔结构可在主燃烧室形成多股射流,有利于形成分布更加广泛的点火源 1.3 试验方法 本研究基于直单孔和斜三孔两种类型的预燃室
22、,首先开展不同预燃室射流孔直径对 TJI 甲醇发动机的性能和燃烧特性研究,然后对比不同预燃室结构下的发动机性能表现,发动机试验参数设定和试验工况选择分别如表 2 和表 3 所示 主燃烧室和预燃室的甲醇喷射压力均为 20MPa,主燃烧室的甲醇喷射时刻为300 CA BTDC,以获得较为均匀的混合气 发动机过量空气系数由氧传感器测量和发动机 ECU 共同控制 研究中通过电力测功机实时监测发动机扭矩.表 2 TJI甲醇发动机试验参数 Tab.2 Test parameters of the TJI methanol engine 项目 参数 发动机转速/(rmin-1)1 500 压缩比 13 进气
23、温度/252 进气压力/MPa 0.1 冷却水温度/752 机油温度/852 喷油压力/MPa 20 主燃室喷射时刻/(CA BTDC)300 表 3 TJI甲醇发动机试验工况 Tab.3 Test conditions of the TJI methanol engine 预燃室参数 过量空气系数 发动机负荷 2 mm 直单孔 1.02.2 全负荷,部分负荷 4 mm 直单孔 1.02.0 全负荷,部分负荷 6 mm 直单孔 1.01.9 全负荷,部分负荷 斜三孔 1.02.0 全负荷,部分负荷 试验研究中,所有测试工况均在发动机稳定运行20s 以后再进行数据采集,以保证数据可靠性 所有测试
24、工况均采集 200 个发动机工作循环的缸压数据进行结果分析 其中,缸压数据由缸压传感器采集,而后经电荷放大器和数据采集卡保存,最后根据 200个循环压力数据计算出平均缸内压力,再通过燃烧分析仪计算出一系列的燃烧参数,包括平均指示压力、放热率、滞燃期、燃烧相位、燃烧持续期等 不同预燃室射流孔直径和结构下,发动机循环缸压曲线与缸内平均压力曲线如图 4 所示 (a)2 mm 直单孔 (b)4 mm 直单孔 (c)6 mm 直单孔 (d)斜三孔 图 4不同预燃室射流孔直径和结构下发动机 200 循环缸压和平均缸压对比(1.0)Fig.4Comparison of the pressure evolut
25、ions of 200 con-secutive combustion cycles and mean cylinder pressure under the conditions with different pre-chamber nozzle diameters and structures(1.0)2 试验结果与讨论 2.1 预燃室射流孔直径的影响 本节分析不同过量空气系数下预燃室射流孔直 2023 年 10 月 刘宗宽等:湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究 1035 径对发动机性能和燃烧过程的影响,采用孔径为2mm、4mm、6mm 的直单孔预燃室 试验中,保持发
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