發動機代用燃料起動性能研究現狀綜述

徐冬冬+王雪

摘 要：隨著能源短缺及環境污染問題的日益嚴重，清潔能源及代用燃料成為內燃機行業的研究熱點。本文針對發動機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方面對國內外目前的研究現狀進行全面綜述，對發動機代用燃料起動性能后續研究具有借鑒意義。

關鍵詞：發動機；代用燃料；起動

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

1 引言

隨著能源短缺及環境污染問題的日益嚴重，清潔能源及代用燃料成為內燃機行業的研究熱點。代用燃料理化性質之間的差異影響發動機的噴霧與燃燒，進而對發動機性能產生影響。

起動性能是發動機的一項重要性能指標。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。

2 柴油燃料起動性能研究現狀

國內外學者通過研究，與冷起動性能有關的主要因素有環境溫度、噴油參數、倒拖轉速和壓縮比等。Akram Zahdeh等人利用四沖程的直噴柴油機研究了環境溫度與壓縮終點溫度的關系，他們的研究結果表明，缸內燃油蒸發和混合氣的滯燃期與環境溫度有著密切的關系[1]。Steven等人利用高速攝影技術研究二沖程的直噴柴油機，他們的研究結果顯示，當燃燒壁面溫度較低時，附壁油膜難以蒸發，致使缸內燃油蒸發量減少，是冷起動性能變差的原因[2]。Zhiping Han等人對發動機噴油正時與著火之間的關系進行了研究，結果表明，當轉速不變的情況下，存在一個能夠保證發動機順利著火的噴油時刻的著火范圍，如果噴油時刻不在此范圍內，將造成缸內燃燒惡化、發動機失火。在此基礎上，Zhiping Han等人分析了起動工況下缸內氣體的著火時刻，得到了可以為倒拖轉速與噴油正時關系作為指導的缸內混合氣體著火時刻[3]。Phatak等人針對倒拖轉速進行研究，結果表明，焰前反應時間影響大于壓縮壓力、壓力升高產生的影響[4，5]。Zhiping Han等人經過研究同樣表明過高的拖動轉速雖然使滯燃期縮短，但由于其所占用的曲軸轉角增大，因此易造成滯燃期延伸至膨脹行程，導致著火困難和失火現象[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速率，縮短滯燃期[7，8]。Tsunemoto等人的研究也表明了這一點，他指出相對較高的壓縮溫度和壓力能夠減小附壁油膜量，提高缸內燃氣霧化質量，縮短混合氣體滯燃期，以改善冷起動性能[9]。Liu等人針對單缸發動機進行了建模的計算研究，結果顯示油膜蒸發影響壓縮比，同時燃氣濃度增大，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冷起動改進措施[11-14]。Bruno Lindl通過電熱裝置以及進氣預熱裝置對排量為1.9L的直噴柴油機冷起動性能進行試驗，結果表明兩種方式均能縮短起動時間并改善HC排放[15]。Ruonan Sun等人利用催化點燃EGR的方法，改善了重型柴油機的在極冷條件下的起動性能[16]。Osuka等人指出采用燃油預噴射的方法可對柴油機的冷起動的時間、排放得到較好的改善。Isao Osuka基于ECD-U2系統，研究了在壓縮行程中燃油預噴射對于冷起動性能的影響，結果表明預噴射能夠促進冷焰反應，以改善冷起動性能[17]。上海交通大學的彭海勇引入EGR技術，通過廢氣再循環，有效地提高了柴油機冷起動性能[18，19]。吉林大學的蘇巖在壓縮比為17.5的單缸柴油機上研究了采用進氣道噴射丙烷和乙醚氣體對于改進冷起動燃燒的影響。結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定性[20]。

3 醇類代用燃料起動性能研究現狀

西安交通大學的胡鐵剛研究了三缸進氣道噴射汽油機燃用甲醇燃料的燃燒特性，通過對缸壓、瞬時轉速、進氣溫度等參數進行分析，得出隨著添加比例的增加，發動機起動后的50個循環火焰發展角和快速燃燒角都明顯縮短，平均指示壓力升高的結論[21]。清華大學的張凡和王真等人在直列四缸水冷點燃式發動機上分別使用汽油、M10、M20和M30四種燃油進行了燃燒與排放特性研究，結果表明發動機冷起動過程中的燃燒持續期隨著甲醇添加比例增大而減小，缸內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上研究甲醇燃料的起動性能，他指出，環境溫度對甲醇發動機可靠起動影響最顯著，當環境溫度過低時及時增大循環噴油量也無法使發動機正常起動[23]。吉林大學的王忠對四缸直噴式甲醇發動機起動過程的非常規排放進行研究，結果表明，對于甲醇發動機，其未燃燒的甲醇和甲醇的排放趨勢有所不同[24]。Bo Zhang等人在一臺經過改裝的四缸汽油機上進行了氫氣加入以改善甲醇發動機起動性能的研究，結果表明，氫氣的加入提高了起動過程缸內最大壓力峰值以及起動時的轉速，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燃式甲醇發動機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]。長安大學的牛慶功等人從甲醇發動機起動性能差的原因出發，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的四缸柴油機上進行了生物柴油與乙醇互相摻混時的起動性能試驗，結果顯示隨著乙醇的添加，發動機的起動時間增加[28]。Amanda Alves Martins在四缸點燃式發動機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在摩托車的發動機上的試驗研究也得到了同樣的結論[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，乙醇燃料的非常規排放物增多的結論[31]。Luis Carlos Monteiro Sales針對乙醇-汽油點燃式發動機設計了進氣預熱系統，能夠有效改進發動機的起動性能[32]。在國內，山東建筑大學的趙秀亮使用摩托車單缸機進行冷起動試驗，結果表明E85的冷起動性己達到汽油的效果[33]。

4 其他代用燃料起動性能研究現狀

Luciano Randazzo以及Ricardo Sodré在一臺1.2L排量的四缸柴油機上對不同比例的生物柴油-柴油混合燃料進行冷起動性能研究，試驗結果表明，隨著混合燃料中生物柴油比例的增加，發動機的起動時間相應增加[28]。A.Broatch等人在一臺壓縮比為16四缸直噴式柴油機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]。

吉林大學和上海交通大學的學者利用壓縮比為9.2的單缸四行程點燃式發動機對于液化石油氣（LPG）發動機進行研究。宮長明對于循環供油量以及環境溫度對于LPG發動機的冷起動特性進行研究，結果表明，LPG燃料的瞬態著火特性與循環供油量有著重要的關系[35]。王振鎖的研究表明LPG發動機冷起動時其混合氣體的濃度相比穩定燃燒的濃度為其1.5倍，該值比汽油機的稀，導致首次著火的循環相對推遲[36]。劉志敏研究了冷起動過程發動機首次著火循環缸內的燃燒情況，結果表明在溫度是影響首循環HC排放的重要因素，但環境溫度對于起動過程的瞬時轉速影響不大[37]。劉志敏設計控制程序，研究了不同連續失火循環的轉速與HC排放特性，他指出首次著火循環之后的下一個循環如果失火，將使HC排放明顯增大[38]。楊世春設計了優化噴油參數和氣門開度設計了LPG發動機的控制方法，縮短了發動機的起動時間[39]。栗工的表明LPG發動機首循環富氧進氣能夠有效改善首循環的燃燒，通過放熱率計算，富氧燃燒的燃燒速率更快[40]。

B.Afkhami等人在汽車四缸點燃式發動機上的研究結果顯示，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]。天津大學宋璽娟通過在電噴汽油機上比LPG、汽油、煤油燃料的冷起動特性，結果顯示由于煤油在常溫下閃點高、密度大，造成其起動性能不佳[42]。Amanda Alves Martins利用四缸點燃式發動機研究壓縮天然氣（CRG）的排放特性，結果顯示其尾氣中的NOX、CO排放均明顯優于汽油[29]。袁銀南針對直列式四缸水冷發動機研究了氫燃料發動機起動的控制理論，制定了相關的起動控制策略[43]。

4 結語

目前國內外主要通過試驗的方法對柴油機燃用各類代用燃料的起動性能進行研究。下一步的研究中可建立發動機起動工況下燃用代用燃料的計算模型，計算分析發動機燃用不同代用燃料的起動性能。

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