高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能試驗(yàn)研究

常進(jìn)才李旭聰康志強(qiáng)史曉剛王超魯志遠(yuǎn)張昊高定偉（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能試驗(yàn)研究

常進(jìn)才1，2李旭聰1，2康志強(qiáng)1，2史曉剛1，2王超1，2魯志遠(yuǎn)1，2張昊1，2高定偉1，2（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

以一臺(tái)柴油機(jī)為原型機(jī)，增加一套進(jìn)氣道噴射的汽油供油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高預(yù)混模式在改裝發(fā)動(dòng)機(jī)上高效應(yīng)用，并且進(jìn)行了高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)性能深入研究。研究表明：在1 700 r/min，60 N·m工況點(diǎn)下，高預(yù)混技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性并沒有優(yōu)勢；但是其有效解決了NOx排放和PM排放難以解決的trade-off關(guān)系，壓縮比15的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)較之原機(jī)NOx和PM分別下降了76.89%和98.41%。

高預(yù)混壓縮比排放性能經(jīng)濟(jì)性能

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，全世界能源消費(fèi)量逐年遞增，石油、天然氣、煤炭、核能、水電以及用于發(fā)電的可再生能源增速均高于歷年平均值，這其中，內(nèi)燃機(jī)消耗占用很大比例。另一方面，內(nèi)燃機(jī)也引起噪聲、大氣污染及危害人類身體健康等一系列尖銳的問題。內(nèi)燃機(jī)排氣中有害成分諸如碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）、醛類化合物、顆粒物（PM）、氮氧化物（NOx）以及硫化物等，這些有害排放物不僅會(huì)影響大氣環(huán)境，如形成光化學(xué)煙霧、酸雨和臭氧濃度過高等，同時(shí)還會(huì)對(duì)人類身體健康造成直接危害。在我國，汽車保有量的急劇增加，使環(huán)境污染問題更加嚴(yán)峻。

為了有效緩解發(fā)動(dòng)機(jī)給環(huán)境帶來的污染問題，國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)專家和學(xué)者進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)新燃燒模式的研究。低溫燃燒（Low Temperature Combustion，LTC）模式因其較高的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)較低的NOx和PM排放而得到廣泛的研究?？v觀國內(nèi)外的研究可以發(fā)現(xiàn)，廣義的LTC燃燒模式范疇按照發(fā)展有三個(gè)里程碑：

1）均質(zhì)充量燃燒（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）概念發(fā)展［1-2］；

2）尋找方法降低壓力升高率和拓展負(fù)荷范圍，例如部分預(yù)混燃燒模式（Partial Premix Charge，PCCI）［3-6］；

3）利用具有汽油類似性質(zhì)的燃燒與柴油混合來進(jìn)一步提高燃燒的穩(wěn)定性燃燒方式，例如汽柴油雙燃料RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）［7］。

威斯康星大學(xué)Retiz教授等對(duì)RCCI燃燒進(jìn)行了深入的研究。研究表明：發(fā)動(dòng)機(jī)在1 300 r/min，0.93 MPa平均指示壓力工況點(diǎn)下，其最高的指示熱效率能夠達(dá)到56%。美國西南研究院采用柴油作為點(diǎn)火能量引燃汽油進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)汽油機(jī)的高能火花塞點(diǎn)火方式做出了對(duì)比。其研究結(jié)果顯示，柴油引燃汽油預(yù)混模式大幅度提高了EGR的容忍度（EGR率可高達(dá)50%），并且大大降低了指示油耗到185 g/（kW·h），與柴油機(jī)的油耗水平十分接近。日本的豐田研究中心、荷蘭的愛因霍芬科技大學(xué)、清華大學(xué)等對(duì)這種燃燒方式的研究均取得了較好的效果。但是，目前的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)針對(duì)噴油、EGR 和VGT等策略研究較多，而從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)構(gòu)和壓縮比角度出發(fā)的研究較少。

本文主要是針對(duì)不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行對(duì)比研究，以1 700 r/min，60 N·m為基準(zhǔn)工況點(diǎn)，對(duì)兩種壓縮比的雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)和原柴油機(jī)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性、缸內(nèi)燃燒特性和排放性進(jìn)行了深入的研究，為開發(fā)汽/柴油雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)研究提供技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

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

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖

如圖1所示，在原柴油機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套進(jìn)氣道噴射的汽油供油系統(tǒng)，來形成進(jìn)氣道噴射汽油燃料，缸內(nèi)噴射柴油燃料的雙燃料高預(yù)混燃燒模式。雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)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，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)的測取；采用AVL燃燒分析儀對(duì)測取的燃燒數(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；采用AVL 415S煙度計(jì)對(duì)尾氣中的PM進(jìn)行檢測；PM數(shù)據(jù)的單位為FSN，mg/m3和g/（kW·h）。FSN單位可以通過以下公式1轉(zhuǎn)換成干碳煙，單位g/（kW·h）。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性

圖2為壓縮比16.7、15雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)的排氣溫度對(duì)比結(jié)果。

圖2　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)排氣溫度

圖3為壓縮比16.7、15雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)的NOx排放。從圖中可以看出，在此工況點(diǎn)下無論是壓縮比15還是壓縮比16.7的雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)相比，NOx排放均有大幅下降，分別降低了76.9%和71.9%。

圖3　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)NOx排放

發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放中主要為NO，其主要來源是參與燃燒的空氣中的氮。NO的生成機(jī)理為擴(kuò)展的澤耳多維奇機(jī)理，主要受燃燒溫度影響。NO的生成隨溫度的升高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加。從圖2排放溫度中可以看出，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度與原柴油機(jī)相比降低許多。排氣溫度趨勢在一定程度上反映缸內(nèi)燃燒溫度趨勢。故，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放低于原柴油機(jī)，CR15雙燃料高預(yù)混的NOx排放低于CR16雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖4為兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)和原柴油機(jī)的HC排放柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機(jī)HC排放上升幅度分別高達(dá)3982.2%和3362.3%。

圖4　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)HC排放

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的HC排放主要是在燃燒過程中未來得及燃燒或未完全燃燒的燃料或潤滑油。雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)是在進(jìn)氣道噴射汽油，形成均質(zhì)混合氣，當(dāng)其到達(dá)燃燒室邊緣和狹縫中時(shí)，在這些溫度較低區(qū)域，產(chǎn)生強(qiáng)烈的淬熄效應(yīng)和狹縫效應(yīng)，導(dǎo)致部分汽油未燃，產(chǎn)生大量未燃HC排放，所以雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7的HC排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原柴油機(jī)。關(guān)于兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15比CR16.7的缸內(nèi)溫度低，缸內(nèi)溫度對(duì)HC排放具有較大的影響，高溫利于HC的氧化。故，CR15雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放高于CR16.7雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖5為壓縮比16.7和15雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)的PM排放柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機(jī)PM排放下降幅度分別高達(dá)98.4%和73.2%。雙燃料高預(yù)混技術(shù)能夠高效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的PM排放。

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的PM排放主要由柴油中含有的碳產(chǎn)生，高溫和缺氧是其生成的主要條件。即使發(fā)動(dòng)機(jī)在富氧條件下燃燒，但是由于燃料與空氣混合不均勻，燃燒室內(nèi)局部缺氧的混合氣燃燒同樣會(huì)生成大量的PM排放。故，原柴油機(jī)尾氣中的PM排放較高。汽/柴油雙燃料供油方式采用進(jìn)氣道噴射汽油形成預(yù)混汽油混合氣，缸內(nèi)直噴柴油引燃混合氣。燃燒方式兼顧汽油預(yù)混燃燒和柴油擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)。此工況點(diǎn)下的汽柴油比例為75%，混合氣中的預(yù)混汽油混合氣占據(jù)大比例。因此，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的混合氣比較均勻，進(jìn)而其生成的PM排放較低。關(guān)于兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放，缸內(nèi)溫度具有較大的影響。故，CR16.7雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的PM排放高于CR15雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖6為兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)和原柴油機(jī)的CO排放柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機(jī)CO排放上升幅度分別高達(dá)786.2% 和430.5%。

圖5　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)PM排放

圖6　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)CO排放

圖7　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力

圖8　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)缸內(nèi)放熱率

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的CO排放主要是過量空氣系數(shù)小于1，造成燃料在燃燒過程中產(chǎn)生CO。如果反應(yīng)氣的氧濃度、溫度足夠高，化學(xué)反應(yīng)所占有的時(shí)間足夠長，CO會(huì)氧化成CO2。燃燒時(shí)，缸內(nèi)溫度分布不均勻，柴油燃燒區(qū)域溫度較高，而汽油均質(zhì)混合氣燃燒區(qū)域溫度則較低，產(chǎn)生大量CO。另外，末端較稀的汽油混合氣不完全燃燒，也會(huì)導(dǎo)致CO排放升高，所以原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)。

關(guān)于兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15比CR16.7的缸內(nèi)溫度低，缸內(nèi)溫度對(duì)CO排放具有較大的影響，高溫利于CO的氧化。故，CR15雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放高于CR16.7雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2缸內(nèi)燃燒特性

汽柴油雙燃料高預(yù)混在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒同時(shí)具有汽油預(yù)混燃燒和柴油擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)，為此本研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒放熱率做了深入的研究與對(duì)比。根據(jù)缸內(nèi)燃燒特性來分析汽/柴油雙燃料高預(yù)混不同壓縮比性能。

圖7和圖8分別為缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒放熱率。從兩圖可以看出，原柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒壓力曲線呈現(xiàn)明顯的兩個(gè)峰值壓力，其對(duì)應(yīng)于燃燒放熱率曲線也出現(xiàn)兩個(gè)明顯的放熱峰值，并且兩個(gè)峰值具有明顯的距離；而對(duì)于雙燃料高預(yù)混混合氣燃燒特性，缸壓曲線僅為單個(gè)峰值壓力。雙燃料高預(yù)混放熱率曲線則表現(xiàn)出兩個(gè)不太明顯的峰值，并且放熱率峰值相對(duì)于柴油較低，則說明雙燃料高預(yù)混放熱較為平和。平和的放熱能夠有效降低缸內(nèi)爆燃傾向，并且抑制燃燒噪聲，降低燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體造成的破壞。

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性

圖9為兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)和原柴油機(jī)的燃油消耗率柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機(jī)燃油消耗率上升幅度分別是1.44%和4.03%。

圖9　雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)燃油消耗率對(duì)比

燃燒效率是指燃燒實(shí)際釋放出的總熱量與燃料所能釋放的總熱量之比。通過未燃CO、THC的總質(zhì)量來計(jì)算燃油的燃燒效率，計(jì)算公式如下所示。

其中：mCO為排氣中CO的質(zhì)量，HuCO為CO的低熱值；mTHC為排氣中未燃THC質(zhì)量，HuTHC為THC低熱值；mG為燃油消耗質(zhì)量，Hu為燃油低熱值。

按照上述公式計(jì)算，得出原柴油機(jī)燃燒效率為99.86%，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15燃燒效率為94.56%，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR16.7燃燒效率為95.42%。雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7與原柴油機(jī)相比，HC排放上升3 982.2%和3 362.3%，CO排放上升786.2%和430.5%。故，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率會(huì)增加。但是從排氣溫度可以看出，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒溫度低于原柴油機(jī)的燃燒溫度，進(jìn)而雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失會(huì)降低。

綜合考慮雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和傳熱損失，可得雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7與原柴油機(jī)油耗基本持平。

3　結(jié)論

1）從缸內(nèi)燃燒特性來看，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)平和的放熱能夠有效降低缸內(nèi)爆燃傾向，并且抑制燃燒噪聲，降低燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體造成的破壞。從缸壓、放熱率來看，雙燃料高預(yù)混有優(yōu)勢。

2）從發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性來看，此工況點(diǎn)下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7與原柴油機(jī)相比，NOx排放分別降低了76.9%和71.9%，PM排放下降98.4%和73.2%。雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7與原柴油機(jī)相比，HC排放上升3 982.2%和3 362.3%。，CO排放上升786.2%和430.5%。

可見雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)有效解決了NOx排放和PM排放難以解決的trade-off關(guān)系，但是HC、CO排放較高。

3）從發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)特性來看，雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7與原柴油機(jī)相比，燃油消耗率上升幅度分別是1.44%和4.03%。綜合傳熱損失，可基本認(rèn)為原柴油機(jī)與雙燃料高預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)CR15和CR16.7的燃油消耗率持平，經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。

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2Onishi S，Jo S，Shoda K，et al.Active thermo-atmosphere combustion（ATAC）-A new combustion process for internal combustion engines［C］.SAE Paper 790501

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An Experimental Study on the Performances of HPCC Engine

Chang Jincai1，2，Li Xucong1，2，kang Zhiqiang1，2，Shi Xiaogang1，2，Wang Chao1，2，Lu Zhiyuan1，2，Zhang Hao1，2，Gao Dingwei1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Taking a diesel engine as prototype engine，the performance of a dual-fuel engine on which a gasoline injection system was added was studied deeply.HPCC runs efficiently on the refitted engine.The research indicated：at the operation of 1700rpm，60N·m，the economy of dual-fuel engine has no advantage；however，the dual-fuel technology can solve the problem of trade-off relationship of PM and NOx，NOxand PM emissions of the dual-fuel engine with CR15 have reduced by 76.89%and 98.41% respectively，compared to the prototype engine.

HPCC，Compress ratio，Emission performance，Economic performance

TK421+.5

A

2095-8234（2015）06-0013-05

常進(jìn)才（1981-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)。

（2015-04-17）