汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

史曉剛　李旭聰　康志強(qiáng)　趙衛(wèi)平　王　　超　趙中芹　高定偉（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

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汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

史曉剛1，2李旭聰1，2康志強(qiáng)1，2趙衛(wèi)平1，2王超1，2趙中芹1，2高定偉1，2
（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

摘要：以一臺(tái)柴油機(jī)為原型機(jī)，增加進(jìn)氣道汽油噴射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道預(yù)混噴射汽油缸內(nèi)直接噴射柴油引燃的燃燒模式，對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行深入的研究。研究顯示：汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值隨著汽柴油比例的升高逐漸降低，并且CA50依次推后；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，并且在汽柴油比例65%左右取得最低值；NOx排放和Soot排放隨著汽柴油比例的升高呈現(xiàn)單調(diào)降低趨勢(shì)，并且在汽柴油比例85%左右接近零排放。

關(guān)鍵詞：汽柴油雙燃料汽柴油比例噴油正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能

引言

飛漲的石油價(jià)格和惡化的大氣污染推動(dòng)著發(fā)動(dòng)機(jī)向節(jié)能減排的趨勢(shì)發(fā)展。壓燃式內(nèi)燃機(jī)因其高熱效率越來(lái)越得到廣泛關(guān)注，但是傳統(tǒng)柴油機(jī)固有的燃燒特性而產(chǎn)生諸多Soot和NOx有害排放物。近年來(lái)，為消除Soot和NOx排放物，柴油機(jī)尾氣管加裝大量的后處理設(shè)備。消除排放物的同時(shí)，后處理設(shè)備加裝會(huì)帶來(lái)油耗的提升和二次能源的消耗。所以，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)效率最大化，后處理設(shè)備必須盡量簡(jiǎn)化甚至不用。

為了能夠在機(jī)內(nèi)凈化有害排放物，內(nèi)燃機(jī)專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了諸多試驗(yàn)和模擬研究。目前，絕大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)燃燒模式均能夠歸為預(yù)混低溫燃燒（LTC）模式。LTC模式其較低的燃燒溫度可以抑制NO的生成而減少NOx排放物[1～3]。再者，LTC可以延長(zhǎng)燃料滯燃期為燃料與空氣混合提供充分的時(shí)間形成更為均質(zhì)的混合氣，進(jìn)而有效降低Soot排放。許多專(zhuān)家推薦HCCI和PCCI燃燒模式，可以同時(shí)降低NOx和Soot排放。相比于傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒，預(yù)混的LTC燃燒不僅可以大幅降低NOx和Soot排放，同時(shí)還可以提升熱效率。其熱效率提升主要有兩條重要因素：

1）預(yù)混LTC燃燒通常工作混合氣較?。ɑ旌蠚獾南♂屚ǔ２捎迷鰤哼M(jìn)氣或者增加EGR率等手段）的工況范圍。缸內(nèi)稀混合氣燃燒溫度會(huì)得到有效降低，進(jìn)而減少傳熱損失，提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率還可以通過(guò)改善著火和燃燒結(jié)束正時(shí)手段提升。相比于傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒，預(yù)混LTC燃燒期受控于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程而得到有效縮短。

預(yù)混壓縮點(diǎn)燃PCI（Premixed Compression Ignition）燃燒方式能夠同時(shí)有效降低Soot、NOx排放并提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，具有光明的應(yīng)用前景。然而，若實(shí)現(xiàn)上述良好效果，需要精確耦合燃料噴射正時(shí)和燃燒相位之間的關(guān)系而形成合適的混合氣充量。而傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃料噴射策略不能滿(mǎn)足PCI要求。因?yàn)镻CI燃燒受控于燃料化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，對(duì)進(jìn)氣溫度要求十分苛刻。為了能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行全工況范圍內(nèi)滿(mǎn)足PCI燃燒要求，可以通過(guò)改變缸內(nèi)燃料化學(xué)特性實(shí)現(xiàn)[4～7]。近年來(lái)，威斯康辛大學(xué)提出了RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）新型燃燒方式，可以通過(guò)進(jìn)氣道噴入汽油預(yù)混，再通過(guò)缸內(nèi)直接噴入柴油引燃的方式實(shí)現(xiàn)預(yù)混壓縮點(diǎn)燃。

本研究以傳統(tǒng)柴油機(jī)為原型機(jī)在進(jìn)氣道加裝汽油噴射系統(tǒng)，采用汽油預(yù)混柴油擴(kuò)散燃燒的新型燃燒模式，實(shí)現(xiàn)汽柴油雙燃料在缸內(nèi)混合燃燒降低有害排放物的目標(biāo)。本文主要研究汽柴油比例和EGR率對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，為汽柴油雙燃料技術(shù)廣泛推廣和應(yīng)用提供良好的技術(shù)支持。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖

1　試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)原型機(jī)為長(zhǎng)城汽車(chē)公司生產(chǎn)的4D20型柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。

如圖1所示，在原柴油機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套進(jìn)氣道汽油噴射的供油系統(tǒng)，來(lái)形成進(jìn)氣道噴射汽油燃料，缸內(nèi)噴射柴油燃料的雙燃料燃燒模式。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的兩種燃料的噴射軌壓、噴射正時(shí)、噴射持續(xù)期以及兩種燃料的供給比例均可以靈活調(diào)節(jié)。

在此試驗(yàn)研究中，發(fā)動(dòng)機(jī)與AVL公司生產(chǎn)的電渦流測(cè)功機(jī)相連，采用AVL公司生產(chǎn)的AVL GH13P壓電式傳感器連接AVL 4P3G電荷放大器進(jìn)行缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)的測(cè)取；采用AVL燃燒分析儀對(duì)測(cè)取的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析；采用 HORIBA 7500DEGR排放設(shè)備對(duì)NOx，THC和CO常規(guī)排放物進(jìn)行檢測(cè)；采用AVL 415S煙度計(jì)對(duì)尾氣中的PM進(jìn)行檢測(cè)；試驗(yàn)中所用汽油牌號(hào)為93#，柴油牌號(hào)為0#歐五。

本文中所提到的汽柴油比例和油耗消耗率均指以下定義：

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射汽油和缸內(nèi)噴射柴油兩種供油方式，形成汽油預(yù)混柴油引燃的燃燒模式。其中進(jìn)氣道噴入的汽油，在進(jìn)氣行程中與空氣充分混合形成均質(zhì)混合氣；缸內(nèi)直噴柴油采用預(yù)噴和主噴兩次噴射，預(yù)噴柴油引燃預(yù)混汽油做功，主噴柴油彌補(bǔ)汽油燃燒不足的一部分功率。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究在不同增壓壓力下不同汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，本文以1800 r/min@50N·m工況為例進(jìn)行試驗(yàn)研究。汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)中，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不引入EGR，柴油噴射軌壓固定在50 MPa，主噴正時(shí)為28°CA BTDC。

2.1汽柴油比例對(duì)缸內(nèi)燃燒特性的影響

為了探究不同汽柴油比例混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒特性，本次試驗(yàn)在1800 r/min@50 N·m工況點(diǎn)以增壓壓力0.11 MPa為例進(jìn)行了五種汽柴油比例燃料缸內(nèi)燃燒特性測(cè)試試驗(yàn)和分析，如圖2所示。

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

圖2　不同汽柴油比例缸內(nèi)燃燒特性

上圖為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒放熱率和CA50的影響。從圖中可以看出，汽柴油雙燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的最大壓力隨著汽柴油比例的增加呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)。對(duì)于放熱率，汽柴油混合燃料的放熱率峰值同樣呈現(xiàn)出隨著汽柴油比例的增加而降低的趨勢(shì)，并且峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角依次后推。同時(shí)，汽柴油混合燃料的放熱率峰值隨著汽柴油比例的升高由尖而窄的形狀逐漸變?yōu)殁g而寬的形狀。再者，汽柴油混合燃料CA50隨著汽柴油比例升高呈現(xiàn)單調(diào)升高的趨勢(shì)。

汽柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射汽油預(yù)混柴油缸內(nèi)直噴引燃的燃燒模式。因此汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)兼有預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒二者的燃燒特性。由于汽油低十六烷值的固有物理化學(xué)特性，故汽油與空氣的混合氣并不能在缸內(nèi)壓燃，需要柴油引燃著火。因而汽油預(yù)混柴油引燃燃燒模式采用柴油正時(shí)和柴油比例來(lái)控制燃燒特性。本試驗(yàn)采用柴油單次噴射，且噴射時(shí)刻保持在-28°CA ATDC固定不變。因此，柴油比例即汽柴油比例對(duì)汽柴油混合燃料的燃燒特性影響很大。隨著汽油比例升高即柴油比例降低，燃料活性降低進(jìn)而會(huì)延長(zhǎng)混合燃料滯燃期，同時(shí)會(huì)降低混合燃料燃燒速率。如圖2所示，缸內(nèi)混合氣的缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率最大峰值會(huì)隨著汽柴油比例的提升而降低。

2.2汽柴油比例對(duì)燃油消耗率的影響

圖3為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響曲線(xiàn)。由圖可知，在不同增壓壓力工況下，燃油消耗率隨著汽柴油比例的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。在相同汽柴油比例工況下，增壓壓力越大汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率越高；同時(shí)，隨著汽柴油比例的增加汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率呈現(xiàn)單調(diào)升高的趨勢(shì)。

圖3　汽柴油比例對(duì)燃油消耗率的影響

在本文試驗(yàn)條件和試驗(yàn)工況下，增壓壓力的提升會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的泵吸損失。因?yàn)樘岣咴鰤簤毫κ峭ㄟ^(guò)改變渦輪調(diào)節(jié)葉片從而減小廢氣流通截面積而實(shí)現(xiàn)的。因此，若使增壓壓力提高，則發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力增加，必然導(dǎo)致泵氣損失增加。因此在相同汽柴油比例條件下，增壓壓力越大，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率越高。

汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油預(yù)混柴油引燃的燃燒模式。在汽柴油比例較低時(shí)，混合燃料的預(yù)混燃燒比例較低會(huì)導(dǎo)致一定程度上的燃燒損失。汽柴油比例較大時(shí)，混合燃料中用于引燃的活性物質(zhì)較少會(huì)導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，進(jìn)而燃料在活塞下行期間還繼續(xù)放熱導(dǎo)致此部分燃料燃燒做功能力下降，而使得燃油消耗率惡化。綜合上述因素，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨著汽柴油比例的升高而呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。

2.3汽柴油比例對(duì)排放的影響

為了探究汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響，本試驗(yàn)分別測(cè)試了NOx、PM、THC和CO常規(guī)排放物。發(fā)動(dòng)機(jī)具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

圖4為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的影響。由圖可知，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在3種不同增壓壓力工況下均呈現(xiàn)隨著汽柴油比例的升高而單調(diào)降低的趨勢(shì)。同時(shí)，在汽柴油比例40%~65%之間，相同汽柴油比例條件下增壓壓力越大，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放越高。至于在汽柴油比例65%~85%之間，由于NOx排放數(shù)值很小，增壓壓力對(duì)其影響甚微。

圖4　汽柴油比例對(duì)NOx排放的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx中占?jí)旱苟鄶?shù)的是NO，其主要來(lái)源是參與燃燒的空氣中的氮?？諝庵械牡蒒O的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的澤爾多維奇機(jī)理。NO的生成隨溫度的提高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加。當(dāng)溫度低于1800 K時(shí)，NO的生成速率極低；到2000 K就達(dá)到很高的速率。故發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)所達(dá)到的最高燃燒溫度為影響NOx生成量的最重要因素。汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油預(yù)混柴油引燃的燃燒模式。隨著汽柴油比例的升高，做為引燃燃料的柴油比例逐漸降低，推遲了缸內(nèi)混合氣的燃燒相位進(jìn)而降低了缸內(nèi)溫度。故隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放呈現(xiàn)單調(diào)降低。在相同汽柴油比例條件下，隨著增壓壓力的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓會(huì)升高，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)廢氣殘留量升高。較高的殘余廢氣能夠起到內(nèi)部EGR作用，有效抑制NOx排放的生成。在相同汽柴油比例條件下，增壓壓力越高，NOx排放越低。

圖5為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放的影響。由圖可知，隨著汽柴油比例的提升，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)，在汽柴油比例85%時(shí)接近于零排放。同時(shí)，在汽柴油比例40%~65%區(qū)間，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力越大，Soot排放越高。

圖5　汽柴油比例對(duì)Soot排放的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放主要由燃料中含有的碳產(chǎn)生，其生成條件是高溫缺氧。雖然汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)總體是富氧燃燒，但是噴入缸內(nèi)的柴油因其擴(kuò)散燃燒局部缺氧還是會(huì)導(dǎo)致Soot的生成。正如上文所述，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油預(yù)混柴油引燃的新型燃燒模式。隨著汽柴油比例的升高，預(yù)混汽油比例增加，缸內(nèi)混合氣混合更加均勻，有效降低了Soot排放物的產(chǎn)生。隨著汽柴油比例的升高，Soot排放呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)。如上文所述，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)增壓力提升會(huì)造成排氣背壓升高而提升缸內(nèi)廢氣殘余量。缸內(nèi)廢氣殘余量的存在導(dǎo)致缸內(nèi)燃料缺氧而生成較多的Soot。

圖6和7分別為汽柴油比例對(duì)THC排放和CO排放的影響。由圖可知，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放和CO排放均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柴油機(jī)。同時(shí)，THC排放和CO排放均隨著汽柴油比例的升高而呈現(xiàn)單調(diào)升高的趨勢(shì)。

圖6　汽柴油比例對(duì)THC排放的影響

圖7　汽柴油比例對(duì)CO排放的影響

正如上文所示，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射汽油預(yù)混缸內(nèi)直噴柴油引燃新型燃燒模式。進(jìn)氣道噴入的汽油有足夠時(shí)間在缸內(nèi)與空氣形成均質(zhì)混合氣，并且進(jìn)入缸內(nèi)各種縫隙中。故汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放和CO排放遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柴油機(jī)，并且隨著汽柴油比例的升高而呈現(xiàn)單調(diào)升高的趨勢(shì)。

3　結(jié)論

在本文研究條件下，在1800 r/min@50 N·m工況點(diǎn)通過(guò)研究汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率峰值呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，并且CA50依次推后。

2）隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在汽柴油比例65%時(shí)取得最低值265 g/（kW·h）。

3）隨著汽柴油比例的升高，NOx排放和Soot排放均呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)，并且在汽柴油比例為85%時(shí)接近零排放。THC排放和CO排放遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柴油機(jī)。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TK421+.28

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）02-0001-06

收稿日期：（2015-01-18）

作者簡(jiǎn)介：史曉剛（1986-），男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放凈化技術(shù)。

通訊作者：李旭聰（1984-），男，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放凈化技術(shù)。

A Study on the EffectofGasoline/DieselRateon Perform ance of Gasoline/DieselDual-Fuel Engine

ShiXiaogang1，2，LiXucong1，2，Kang Zhiqiang1，2，ZhaoWeiping1，2，W ang Chao1，2，
Zhao Zhongqin1，2，Gao Dingwei1，2
1-TechnicalCenter,GreatWallMotorCo.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：A prototype diesel engine wasmodified into dual-fuel engine to which was added gasoline injection system for realizing the premixed combustionmodel.The performance ofgasoline/dieseldual-fuel engine was studied deeply,depending on gasoline injected into intake manifold and ignited by diesel directly injected into cylinders.The results indicated:the peak values of combustion pressure in-cylinder and rate of heat release of gasoline/diesel dual-fuel engine gradually decrease and CA50 also retards as gasoline diesel rate rises.Meanwhile，BSFC of dual-fuel engine shows trends of rising firstly and decreasing then，and the minimal value is got at 65%of gasoline diesel rate；NOxemission and Soot emission decreaseasgasoline diesel rate rises，and reach zeroemission at85%ofgasoline diesel rate.

Keywords：Gasoline/dieseldual-fuelengine，Gasoline/diesel rate，Injection timing，Engine performance