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。 1.2 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: gongcmjlu.edu.cn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-818HG 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 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 05001000150020002500300035002.42.52.62.72.82.933.1LPG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-0.500.511.522.533.54010002000300040005000 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-0.500.511.522.533.54010002000300040005000 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-0.50.51.52.53.54.5010002000300040005000 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