發(fā)動機(jī)代用燃料起動性能研究現(xiàn)狀綜述

徐冬冬+王雪

摘 要：隨著能源短缺及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，清潔能源及代用燃料成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。本文針對發(fā)動機(jī)燃用代用燃料起動性能的問題，從柴油燃料、醇類燃料及其他燃料三個(gè)方面對國內(nèi)外目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面綜述，對發(fā)動機(jī)代用燃料起動性能后續(xù)研究具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；代用燃料；起動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.255

1 引言

隨著能源短缺及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，清潔能源及代用燃料成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。代用燃料理化性質(zhì)之間的差異影響發(fā)動機(jī)的噴霧與燃燒，進(jìn)而對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生影響。

起動性能是發(fā)動機(jī)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。在各類代用燃料中，醇類燃料的十六烷值偏低，壓燃過程起動困難，成為代用燃料起動研究的重點(diǎn)。

2 柴油燃料起動性能研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者通過研究，與冷起動性能有關(guān)的主要因素有環(huán)境溫度、噴油參數(shù)、倒拖轉(zhuǎn)速和壓縮比等。Akram Zahdeh等人利用四沖程的直噴柴油機(jī)研究了環(huán)境溫度與壓縮終點(diǎn)溫度的關(guān)系，他們的研究結(jié)果表明，缸內(nèi)燃油蒸發(fā)和混合氣的滯燃期與環(huán)境溫度有著密切的關(guān)系[1]。Steven等人利用高速攝影技術(shù)研究二沖程的直噴柴油機(jī)，他們的研究結(jié)果顯示，當(dāng)燃燒壁面溫度較低時(shí)，附壁油膜難以蒸發(fā)，致使缸內(nèi)燃油蒸發(fā)量減少，是冷起動性能變差的原因[2]。Zhiping Han等人對發(fā)動機(jī)噴油正時(shí)與著火之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速不變的情況下，存在一個(gè)能夠保證發(fā)動機(jī)順利著火的噴油時(shí)刻的著火范圍，如果噴油時(shí)刻不在此范圍內(nèi)，將造成缸內(nèi)燃燒惡化、發(fā)動機(jī)失火。在此基礎(chǔ)上，Zhiping Han等人分析了起動工況下缸內(nèi)氣體的著火時(shí)刻，得到了可以為倒拖轉(zhuǎn)速與噴油正時(shí)關(guān)系作為指導(dǎo)的缸內(nèi)混合氣體著火時(shí)刻[3]。Phatak等人針對倒拖轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究，結(jié)果表明，焰前反應(yīng)時(shí)間影響大于壓縮壓力、壓力升高產(chǎn)生的影響[4，5]。Zhiping Han等人經(jīng)過研究同樣表明過高的拖動轉(zhuǎn)速雖然使滯燃期縮短，但由于其所占用的曲軸轉(zhuǎn)角增大，因此易造成滯燃期延伸至膨脹行程，導(dǎo)致著火困難和失火現(xiàn)象[6]。壓縮比對壓縮壓力和溫度具有重要影響。提高壓縮比能增加壓縮壓力和溫度，不僅能夠改善燃油霧化性能，而且能夠提高混合氣體焰前反應(yīng)速率，縮短滯燃期[7，8]。Tsunemoto等人的研究也表明了這一點(diǎn)，他指出相對較高的壓縮溫度和壓力能夠減小附壁油膜量，提高缸內(nèi)燃?xì)忪F化質(zhì)量，縮短混合氣體滯燃期，以改善冷起動性能[9]。Liu等人針對單缸發(fā)動機(jī)進(jìn)行了建模的計(jì)算研究，結(jié)果顯示油膜蒸發(fā)影響壓縮比，同時(shí)燃?xì)鉂舛仍龃?，有利于混合氣體的著火[10]。

近年來，研究者提出了多種柴油機(jī)冷起動改進(jìn)措施[11-14]。Bruno Lindl通過電熱裝置以及進(jìn)氣預(yù)熱裝置對排量為1.9L的直噴柴油機(jī)冷起動性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明兩種方式均能縮短起動時(shí)間并改善HC排放[15]。Ruonan Sun等人利用催化點(diǎn)燃EGR的方法，改善了重型柴油機(jī)的在極冷條件下的起動性能[16]。Osuka等人指出采用燃油預(yù)噴射的方法可對柴油機(jī)的冷起動的時(shí)間、排放得到較好的改善。Isao Osuka基于ECD-U2系統(tǒng)，研究了在壓縮行程中燃油預(yù)噴射對于冷起動性能的影響，結(jié)果表明預(yù)噴射能夠促進(jìn)冷焰反應(yīng)，以改善冷起動性能[17]。上海交通大學(xué)的彭海勇引入EGR技術(shù)，通過廢氣再循環(huán)，有效地提高了柴油機(jī)冷起動性能[18，19]。吉林大學(xué)的蘇巖在壓縮比為17.5的單缸柴油機(jī)上研究了采用進(jìn)氣道噴射丙烷和乙醚氣體對于改進(jìn)冷起動燃燒的影響。結(jié)果表明丙烷對于改善冷起動作用不大，乙醚的噴射可以改善失火和燃燒的不穩(wěn)定性[20]。

3 醇類代用燃料起動性能研究現(xiàn)狀

西安交通大學(xué)的胡鐵剛研究了三缸進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)燃用甲醇燃料的燃燒特性，通過對缸壓、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度等參數(shù)進(jìn)行分析，得出隨著添加比例的增加，發(fā)動機(jī)起動后的50個(gè)循環(huán)火焰發(fā)展角和快速燃燒角都明顯縮短，平均指示壓力升高的結(jié)論[21]。清華大學(xué)的張凡和王真等人在直列四缸水冷點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)上分別使用汽油、M10、M20和M30四種燃油進(jìn)行了燃燒與排放特性研究，結(jié)果表明發(fā)動機(jī)冷起動過程中的燃燒持續(xù)期隨著甲醇添加比例增大而減小，缸內(nèi)平均指示壓力隨著甲醇添加比例增大而升高，說明甲醇的添加對于汽油機(jī)冷起動燃燒具有一定的改善作用[22]。宮長明在四缸直噴汽油機(jī)上研究甲醇燃料的起動性能，他指出，環(huán)境溫度對甲醇發(fā)動機(jī)可靠起動影響最顯著，當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)及時(shí)增大循環(huán)噴油量也無法使發(fā)動機(jī)正常起動[23]。吉林大學(xué)的王忠對四缸直噴式甲醇發(fā)動機(jī)起動過程的非常規(guī)排放進(jìn)行研究，結(jié)果表明，對于甲醇發(fā)動機(jī)，其未燃燒的甲醇和甲醇的排放趨勢有所不同[24]。Bo Zhang等人在一臺經(jīng)過改裝的四缸汽油機(jī)上進(jìn)行了氫氣加入以改善甲醇發(fā)動機(jī)起動性能的研究，結(jié)果表明，氫氣的加入提高了起動過程缸內(nèi)最大壓力峰值以及起動時(shí)的轉(zhuǎn)速，氫氣的加入使滯燃期變短[25]。宮長明、鄧寶清和王舒等人針對電控噴射點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動機(jī)低溫起動困難的問題，研究了多種起動輔助方式對冷起動著火特性的影響，他指出低溫條件下采用電熱塞加熱是最有效的冷起動輔助方式[26]。長安大學(xué)的牛慶功等人從甲醇發(fā)動機(jī)起動性能差的原因出發(fā)，闡述了目前主要的冷起動輔助措施及方法[27]。

Luciano Randazzo以及Ricardo Sodré一臺在排量為1.2L的四缸柴油機(jī)上進(jìn)行了生物柴油與乙醇互相摻混時(shí)的起動性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示隨著乙醇的添加，發(fā)動機(jī)的起動時(shí)間增加[28]。Amanda Alves Martins在四缸點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)上的研究表明乙醇的添加能夠顯著降低尾氣中CO與HC的排放[29]。Paolo Iodice在摩托車的發(fā)動機(jī)上的試驗(yàn)研究也得到了同樣的結(jié)論[30]。M.Clairotte通過研究了大比例乙醇代用燃料在低溫下的排放特性，得到隨著溫度降低，乙醇燃料的非常規(guī)排放物增多的結(jié)論[31]。Luis Carlos Monteiro Sales針對乙醇-汽油點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)了進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)，能夠有效改進(jìn)發(fā)動機(jī)的起動性能[32]。在國內(nèi)，山東建筑大學(xué)的趙秀亮使用摩托車單缸機(jī)進(jìn)行冷起動試驗(yàn)，結(jié)果表明E85的冷起動性己達(dá)到汽油的效果[33]。

4 其他代用燃料起動性能研究現(xiàn)狀

Luciano Randazzo以及Ricardo Sodré在一臺1.2L排量的四缸柴油機(jī)上對不同比例的生物柴油-柴油混合燃料進(jìn)行冷起動性能研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著混合燃料中生物柴油比例的增加，發(fā)動機(jī)的起動時(shí)間相應(yīng)增加[28]。A.Broatch等人在一臺壓縮比為16四缸直噴式柴油機(jī)上研究了低溫條件下不含任何輔助添加劑的生物柴油起動過程得排放特性，他指出，由于生物柴油粘度以及其表面張力均大于普通柴油，造成噴射出的生物柴油霧化不良，造成生物柴油燃燒惡化[34]。

吉林大學(xué)和上海交通大學(xué)的學(xué)者利用壓縮比為9.2的單缸四行程點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)對于液化石油氣（LPG）發(fā)動機(jī)進(jìn)行研究。宮長明對于循環(huán)供油量以及環(huán)境溫度對于LPG發(fā)動機(jī)的冷起動特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，LPG燃料的瞬態(tài)著火特性與循環(huán)供油量有著重要的關(guān)系[35]。王振鎖的研究表明LPG發(fā)動機(jī)冷起動時(shí)其混合氣體的濃度相比穩(wěn)定燃燒的濃度為其1.5倍，該值比汽油機(jī)的稀，導(dǎo)致首次著火的循環(huán)相對推遲[36]。劉志敏研究了冷起動過程發(fā)動機(jī)首次著火循環(huán)缸內(nèi)的燃燒情況，結(jié)果表明在溫度是影響首循環(huán)HC排放的重要因素，但環(huán)境溫度對于起動過程的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速影響不大[37]。劉志敏設(shè)計(jì)控制程序，研究了不同連續(xù)失火循環(huán)的轉(zhuǎn)速與HC排放特性，他指出首次著火循環(huán)之后的下一個(gè)循環(huán)如果失火，將使HC排放明顯增大[38]。楊世春設(shè)計(jì)了優(yōu)化噴油參數(shù)和氣門開度設(shè)計(jì)了LPG發(fā)動機(jī)的控制方法，縮短了發(fā)動機(jī)的起動時(shí)間[39]。栗工的表明LPG發(fā)動機(jī)首循環(huán)富氧進(jìn)氣能夠有效改善首循環(huán)的燃燒，通過放熱率計(jì)算，富氧燃燒的燃燒速率更快[40]。

B.Afkhami等人在汽車四缸點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)上的研究結(jié)果顯示，氫燃料加入壓縮天然氣后可有效改善其在低溫下的起動性[41]。天津大學(xué)宋璽娟通過在電噴汽油機(jī)上比LPG、汽油、煤油燃料的冷起動特性，結(jié)果顯示由于煤油在常溫下閃點(diǎn)高、密度大，造成其起動性能不佳[42]。Amanda Alves Martins利用四缸點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)研究壓縮天然氣（CRG）的排放特性，結(jié)果顯示其尾氣中的NOX、CO排放均明顯優(yōu)于汽油[29]。袁銀南針對直列式四缸水冷發(fā)動機(jī)研究了氫燃料發(fā)動機(jī)起動的控制理論，制定了相關(guān)的起動控制策略[43]。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)外主要通過試驗(yàn)的方法對柴油機(jī)燃用各類代用燃料的起動性能進(jìn)行研究。下一步的研究中可建立發(fā)動機(jī)起動工況下燃用代用燃料的計(jì)算模型，計(jì)算分析發(fā)動機(jī)燃用不同代用燃料的起動性能。

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