乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放特性

趙樂文，裴毅強(qiáng)，李翔

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乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放特性

趙樂文，裴毅強(qiáng)，李翔

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072)

在1臺(tái)汽油缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)上添加進(jìn)氣道乙醇噴射(EPI)系統(tǒng)，將其改裝為燃料混合比例實(shí)時(shí)可調(diào)的雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。將改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于典型城市工況，重點(diǎn)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性、微粒數(shù)量和質(zhì)量排放特性進(jìn)行研究，同時(shí)分析燃燒特性和氣態(tài)常規(guī)排放物。研究結(jié)果表明：隨著進(jìn)氣道乙醇噴射比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))ethanol增加，當(dāng)量比油耗ESFC降低，摩爾乘數(shù)效應(yīng)增強(qiáng)，更多燃燒產(chǎn)物在膨脹行程做功，從而提高有效熱效率。碳?xì)浠衔?HC)排放隨著ethanol增加而逐漸降低，不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化。各負(fù)荷下微粒數(shù)量和質(zhì)量排放均隨ethanol增加而降低。乙醇良好的蒸發(fā)特性和較高的含氧量能夠抑制碳煙前驅(qū)物的生成，增強(qiáng)微粒氧化特性。乙醇與汽油混合形成的共沸點(diǎn)混合物能夠增強(qiáng)汽油的揮發(fā)性，改善混合氣質(zhì)量，進(jìn)而降低微粒排放。

雙噴射系統(tǒng)；乙醇汽油雙燃料；燃油經(jīng)濟(jì)性；微粒排放；氣態(tài)常規(guī)排放

日益嚴(yán)峻的能源安全危機(jī)促使世界各國(guó)出臺(tái)了更加嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)。歐盟和中國(guó)均要求乘用車CO2排放量在2020年之后降低到95 g/km。相比于傳統(tǒng)的進(jìn)氣道燃料噴射(PFI)汽油機(jī)，GDI汽油機(jī)具有動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、變工況響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但由于其將燃油直接噴到缸內(nèi)，導(dǎo)致油氣混合不均和嚴(yán)重的燃油濕壁現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生大量微粒排放。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的微粒具有較強(qiáng)的吸附和沉積作用，能夠穿透人體肺泡進(jìn)入血液，會(huì)引起呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等病變，因此，國(guó)內(nèi)外法規(guī)[1?2]對(duì)GDI汽油機(jī)的微粒質(zhì)量(限值為0.004 5 g/km)和數(shù)量(限值為6.00×1011個(gè)/km)都進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。乙醇作為一種常用的含氧燃料和替代燃料已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。與汽油相比，乙醇具有較高的含氧量，能夠促進(jìn)燃料完全燃燒，有利于降低微粒排放。乙醇的辛烷值約為汽油的1.1倍，可以提高壓縮比改善燃油經(jīng)濟(jì)性；層流火焰速度約為汽油的1.3倍，有利于提高燃燒速率；汽化潛熱約為汽油的2.3倍，可降低缸內(nèi)溫度，抑制爆震。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇或乙醇汽油混合燃料進(jìn)行了研究。PARK等[3?4]指出由于乙醇具有較高的層流火焰速度，將其添加到汽油中可以縮短燃燒初始期，提高熱效率。白代彤等[5?6]發(fā)現(xiàn)與汽油相比，乙醇較高的氧含量能夠促進(jìn)氧化，減少微粒排放。同時(shí)，PAPK[3?4, 6]等的研究表明乙醇分子中的氧對(duì)降低HC和CO排放也有積極作用。燃用混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)不能根據(jù)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)改變?nèi)剂匣旌媳壤?，而乙醇較高的汽化潛熱和沸點(diǎn)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)性能較 差[7]。為更好發(fā)揮乙醇等含氧燃料的優(yōu)勢(shì)，需要一種能夠?qū)崟r(shí)改變乙醇汽油混合比例的新型燃油噴射系統(tǒng)。雙噴射系統(tǒng)就是把PFI和GDI這2種噴射方式結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)2種燃料任意比例的混合，有利于充分發(fā)揮2種燃料的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化燃燒過(guò)程并降低微粒排放。STIEN等[8]研究了雙噴射系統(tǒng)中GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上缸內(nèi)直噴乙醇、進(jìn)氣道噴射汽油對(duì)抑制爆震的影響，其結(jié)果表明高辛烷值的乙醇有效抑制了爆震傾向。ZHUANG等[9]研究了缸內(nèi)直噴正時(shí)對(duì)抑制爆震效果的影響，其結(jié)果表明進(jìn)氣門關(guān)閉后噴射乙醇可以有效抑制爆震，而進(jìn)氣門關(guān)閉之前噴射乙醇可以提高熱效率。CATAPANO等[10]對(duì)比分析了乙醇汽油雙噴射系統(tǒng)與同比例的混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。與混合燃料相比，雙噴射系統(tǒng)中的熱效率更高，HC和CO排放更低。綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)于乙醇汽油雙燃料雙噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的研究較少，多集中于抑制爆震方向，對(duì)乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、燃燒和排放特性缺乏系統(tǒng)而深入的研究。為此，本文作者將EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于典型城市工況中，重點(diǎn)研究該燃燒模式下的微粒數(shù)量和質(zhì)量排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并分析燃燒特性和氣態(tài)常規(guī)排放物。本文充分利用EPI+GDI的雙燃料雙噴射系統(tǒng)并進(jìn)一步發(fā)揮汽油機(jī)在節(jié)能減排方面的潛力，為解決GDI發(fā)動(dòng)機(jī)微粒排放的難題提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與流程

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)備

試驗(yàn)采用2.0 L增壓GDI汽油機(jī)，噴油方式采用缸內(nèi)直噴+進(jìn)氣道噴射，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。在原機(jī)基礎(chǔ)上加裝進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射系統(tǒng)，采用開放式ECU控制進(jìn)氣道噴油器的噴油脈寬、噴油時(shí)刻等參數(shù)。采用ETAS公司的INCA軟件與原機(jī)開放式ECU實(shí)時(shí)通訊并控制缸內(nèi)噴油器。噴油比例可以通過(guò)2個(gè)ECU實(shí)現(xiàn)在線精確調(diào)節(jié)。試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)如圖1 所示。

采用Kistler 2614CK1角標(biāo)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角度；采用AVL 641燃燒分析儀采集分析缸內(nèi)燃燒壓力曲線；采用ETAS LA4型λ分析儀測(cè)量過(guò)量空氣系數(shù)；通過(guò)2臺(tái)AVL 731油耗儀分別測(cè)量進(jìn)氣道和缸內(nèi)直噴的燃油流量；采用Horiba MEXA?7100DEGR測(cè)量氣態(tài)常規(guī)排放。采用Cambustion公司的DMS500快速顆粒取樣分析儀測(cè)量微粒的粒徑分布，其響應(yīng)頻率為 100 ms，測(cè)量粒徑范圍為5~1 000 nm，一級(jí)稀釋比為1:4，二級(jí)稀釋比為1:100，采樣管溫度為100 ℃。試驗(yàn)所用汽油和乙醇的物理化學(xué)屬性如表2所示。

1.2 試驗(yàn)流程

在典型的城市工況下進(jìn)行試驗(yàn)，其中汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，平均有效壓力BMEP分別為0.2，0.6和1.0 MPa。進(jìn)氣道乙醇噴射比ethanol的變化范圍為0~100%(間隔20%)，ethanol計(jì)算公式如下：

1—進(jìn)氣；2—空氣流量計(jì)；3—中冷器；4—節(jié)氣門；5—進(jìn)氣道噴射油軌；6—缸內(nèi)直噴油軌；7—渦輪增壓器；8—排氣；9—缸壓傳感器；10—角標(biāo)；11—電荷放大器；12—燃燒分析儀；13—電腦1；14—油門踏板；15—原機(jī)開放式ECU；16—INCA軟件；17—電腦2；18—進(jìn)氣道油耗儀；19—進(jìn)氣道油箱；20—缸內(nèi)直噴油耗儀；21—缸內(nèi)直噴油箱；22—進(jìn)氣道控制ECU；23—電腦3；24—測(cè)功機(jī)；25—氧傳感器；26—λ分析儀；27—Horiba排放儀；28—DMS500。

表2 試驗(yàn)所用燃料屬性

式中g(shù)asoline和ethanol分別為油耗儀測(cè)的汽油和乙醇的燃油流量，kg/h；gasoline和ethanol分別為汽油和乙醇的低熱值，kJ/g；ethanol為進(jìn)氣道噴射乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

EPI噴油壓力穩(wěn)定在0.36 MPa，3種負(fù)荷下的GDI噴油壓力分別為5.00，5.50和8.00 MPa。為保證油氣有充足時(shí)間混合且穩(wěn)定燃燒，EPI和GDI的噴油時(shí)刻分別設(shè)置為305.00ATDC(ATDC為壓縮上止點(diǎn)后的曲軸轉(zhuǎn)角)和300.00BTDC(BTDC為壓縮上止點(diǎn)前的曲軸 轉(zhuǎn)角)。

本試驗(yàn)所有工況均在化學(xué)計(jì)量空燃比條件下運(yùn)行，點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)到最大扭矩對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)火提前角(minimal advance of best torque，MBT)。為最大限度地發(fā)揮EPI+GDI的優(yōu)勢(shì)，MBT定義為調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角至輕微爆震，判斷標(biāo)準(zhǔn)為爆震值≤1.5；若未發(fā)生爆震，則按照文獻(xiàn)[11]中的方式調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角使CA50(即已燃燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)保持在(8~10)ATDC范圍內(nèi)。

首先，發(fā)動(dòng)機(jī)以汽油缸內(nèi)直噴的方式熱機(jī)，待冷卻液溫度和中冷后進(jìn)氣溫度分別穩(wěn)定在(88±2) ℃和(25±2) ℃之后開始試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)測(cè)量精度，所有工況的數(shù)據(jù)采集均在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行5 min之后進(jìn)行，連續(xù)采集3次油耗、燃燒(200個(gè)循環(huán))、氣態(tài)常規(guī)排放和微粒排放(每次數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為1 min)數(shù)據(jù)，并計(jì)算平均值。

由于乙醇和汽油具有不同的低熱值，為更全面地評(píng)價(jià)乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性，引入比油耗BSFC(即有效燃油消耗率)、當(dāng)量比油耗ESFC。ESFC是基于燃油能量來(lái)評(píng)價(jià)燃油經(jīng)濟(jì)性的，即將不同ethanol時(shí)乙醇的熱量轉(zhuǎn)化為等熱量的汽油換算而來(lái)的有效燃油消耗率。ESFC表達(dá)式如下：

式中：gasoline和ethanol分別為油耗儀測(cè)得的汽油和乙醇的燃油流量，kg/h；e為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，kW；gasoline和ethanol分別為汽油和乙醇燃料的低熱值，kJ/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃油經(jīng)濟(jì)性

圖2所示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，平均有效壓力BEMP分別為0.2，0.6和1.0 MPa時(shí)，BSFC和ESFC隨ethanol的變化。

從圖2可以看出：BSFC和ESFC變化趨勢(shì)相反，且二者基本呈線性變化。BSFC隨著ethanol的增加而增加。乙醇的低熱值比汽油的小，需要噴入更多乙醇來(lái)獲得相同的功率。ESFC隨著ethanol的增加而減少，實(shí)現(xiàn)相同發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出所需要的能量逐漸降低。當(dāng)ethanol=100%時(shí)，平均有效壓力BMEP為0.2，0.6和1.0 MPa工況下，ESFC均最低，分別為376.52，249.85和229.19 g/(kW?h)；與燃用純汽油相比，燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高8.91%，5.04%和7.58%。

1—0.2 MPa，bBSFC；2—0.2 MPa，bESFC；3—0.6 MPa，bESFC；4—1.0 MPa，bESFC。

ESFC的降低還與摩爾乘數(shù)效應(yīng)[12]有關(guān)。摩爾乘數(shù)效應(yīng)表達(dá)式如下：

式中：為燃燒物質(zhì)的摩爾數(shù)；為通用氣體常數(shù)；1為膨脹行程中初始溫度；為比定壓熱容與比定容熱容的比值；1和2分別為膨脹行程中初始和最終的體積，即發(fā)動(dòng)機(jī)的余隙容積和排量；為發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)燃油混合物在膨脹行程做的功。越高，摩爾乘數(shù)效應(yīng)越強(qiáng)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹行程中，假定1，1和2均保持不變，ethanol增加會(huì)增強(qiáng)摩爾乘數(shù)效應(yīng)。一方面，ethanol增加需要噴入更多的乙醇來(lái)維持相同的功率輸出和化學(xué)計(jì)量空燃比，乙醇燃燒產(chǎn)生的氣體摩爾數(shù)增加量比汽油燃燒產(chǎn)生的氣體摩爾數(shù)增加量多[13]，即燃燒物質(zhì)的摩爾數(shù)隨ethanol增加而增加，更多燃燒產(chǎn)物在膨脹行程中轉(zhuǎn)化為更多能量用于做功，隨著ethanol增加而增加；另一方面，摩爾乘數(shù)效應(yīng)也與相關(guān)，越大，每循環(huán)燃油混合物在膨脹行程中的越大。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，乙醇的比汽油的大，ethanol增加可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率。因此，EPI+GDI的雙燃料雙噴射系統(tǒng)有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.2 燃燒特性

圖3所示為各燃燒相位隨ethanol的變化，壓縮上止點(diǎn)為0°，其中IMEP為平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)。所有試驗(yàn)工況的點(diǎn)火提前角均調(diào)節(jié)到MBT，CA50保持在(8.50~9.00)ATDC的范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較優(yōu)的燃燒相位(BMEP為1.0 MPa，ethanol=0的工況點(diǎn)除外)。在BMEP為1.0 MPa，ethanol=0工況下容易發(fā)生爆震，故推遲點(diǎn)火提前角抑制爆震，CA50限制在14.92ATDC，但隨著ethanol從0增加至40%，乙醇較高的辛烷值和汽化潛熱可以降低進(jìn)氣充量溫度，進(jìn)而降低壓縮上止點(diǎn)附近的缸內(nèi)溫度，有效抑制爆震，故可以提前點(diǎn)火提前角。

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

由圖3可知：當(dāng)BMEP為1.0 MPa，ethanol≥40%時(shí)，點(diǎn)火提前角均隨ethanol增加而逐漸推遲。與汽油相比，乙醇較高的層流火焰速度和較低的點(diǎn)火能量使其更容易點(diǎn)燃，加速缸內(nèi)燃燒過(guò)程，這與圖3中火焰發(fā)展期(定義為火花塞點(diǎn)火到已燃燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度)隨ethanol增加而減小的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。隨著ethanol增加，平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)IMEP逐漸減小最后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明EPI+GDI的燃燒模式有助于提高燃燒的穩(wěn)定性。

2.3 氣態(tài)常規(guī)排放

圖4~6所示分別為EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)的HC，CO和NO等氣態(tài)常規(guī)排放隨ethanol的變化。

由圖4可知：各工況的HC排放量均隨ethanol增加而降低，不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化。乙醇較高的層流火焰速度能夠加速缸內(nèi)燃燒過(guò)程，較高的含氧量能夠增加燃油局部濃區(qū)的氧含量，而且其良好的蒸發(fā)特性有利于均質(zhì)混合氣的形成，使燃燒更加充分，從而減少HC排放量。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

由圖5可知：在BMEP分別為0.2，0.6和1.0 MPa時(shí)CO排放量均隨ethanol增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，相應(yīng)的ethanol轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為80%，40%和60%。CO是不完全燃燒的產(chǎn)物，CO排放量隨ethanol增加先降低，是由于乙醇較高的層流火焰速度和含氧量以及較低的碳含量能夠加速燃燒過(guò)程，使燃燒更加充分。隨著ethanol進(jìn)一步增加，雖然混合氣中的氧含量隨之增加，但也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣門附近的池火現(xiàn)象，大量燃油聚集在進(jìn)氣門附近形成了燃油局部濃區(qū)，不利于充分燃燒，從而導(dǎo)致CO排放量增加。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

圖6~7所示分別為各負(fù)荷條件下NO排放及缸內(nèi)最高溫度隨ethanol的變化。由圖6可知：當(dāng)BMEP為0.2 MPa時(shí)，NO排放量和缸內(nèi)最高溫度均隨ethanol的增加先升高后降低，且在ethanol=20%時(shí)達(dá)到最高。當(dāng)ethanol≤20%時(shí)，NO排放量升高主要是因?yàn)橐掖几纳屏税l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況，較高的缸內(nèi)溫度和乙醇較高的含氧量促進(jìn)NO的生成。隨著ethanol進(jìn)一步增加，NO逐漸降低，主要是缸內(nèi)溫度降低造成的。缸內(nèi)溫度降低，一方面，是由于乙醇燃燒產(chǎn)物中的三原子分子比汽油的多[14]，使燃燒氣體的比熱容增大，導(dǎo)致乙醇燃燒氣體的溫度比汽油的低；另一方面，是由于乙醇較高的汽化潛熱引起的充量冷卻作用超過(guò)了乙醇高氧含量的作用。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

由圖6~7還可知：在BMEP為0.6 MPa的條件下，當(dāng)ethanol≤40%時(shí)，較低的缸內(nèi)溫度能夠抑制NO排放；當(dāng)ethanol＞40%時(shí)，急劇升高的缸內(nèi)溫度和混合氣中較高的含氧量導(dǎo)致NO排放急劇增加；當(dāng)BMEP為1.0 MPa時(shí)，缸內(nèi)最高溫度隨ethanol的變化不大，NO排放量也基本不變。

2.4 微粒排放特性

圖8~10所示分別為EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)的微粒排放特性，其中圖8和圖10的橫坐標(biāo)用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示，P表示微粒的直徑(nm)。

由圖8可知：各負(fù)荷條件下的微粒粒徑分布曲線均呈單峰分布，且微粒數(shù)量隨ethanol增加而逐漸減小。乙醇良好的蒸發(fā)特性有助于形成均質(zhì)混合氣，進(jìn)氣道噴射乙醇比缸內(nèi)直噴汽油有更充足的油氣混合時(shí)間，同時(shí)可減少因缸內(nèi)直噴汽油撞擊活塞和缸壁造成燃油濕壁現(xiàn)象的發(fā)生，而且乙醇較高的氧含量可提高局部濃區(qū)的含氧量，燃燒更加充分。乙醇作為一種含氧分子和含氧化合物已被證明可以通過(guò)抑制芳香烴前驅(qū)體形成碳煙來(lái)降低微粒的生成[15]，而且乙醇燃燒生成的微粒比汽油燃燒生成的微粒更容易被氧化[16]。乙醇的這些優(yōu)良特性能夠抑制碳煙前驅(qū)物的生成，并增強(qiáng)微粒氧化特性。

在EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)中，汽油中非極性烴類分子與極性乙醇分子的氫鍵進(jìn)行分子間的相互作用使各自的分子更容易擺脫液體成為蒸氣[17]，形成由乙醇和汽油成分組成的共沸點(diǎn)混合物[18]。蒸氣壓升高，沸點(diǎn)降低，液態(tài)更容易揮發(fā)成為蒸氣。與汽油(汽油重質(zhì)餾分沸點(diǎn)為225 ℃，見表2)相比，乙醇具有較高的蒸氣壓和較低的沸點(diǎn)(78 ℃)，與汽油混合后形成共沸點(diǎn)混合物，能夠增強(qiáng)汽油的揮發(fā)性，改善混合氣質(zhì)量，進(jìn)而降低微粒排放。

圖9所示為微粒數(shù)量(核態(tài)、積聚態(tài)微粒)和幾何平均直徑GMD隨ethanol的變化趨勢(shì)，其中，GMD是通過(guò)圖中氣泡的直徑來(lái)表征的。由圖9可知：3種負(fù)荷下的微粒總數(shù)量均隨ethanol增加而急劇減少。與ethanol=0時(shí)相比，ethanol=100%時(shí)的微粒數(shù)量分別降低99.8%，99.7%和96.8%，且當(dāng)ethanol達(dá)到60%~80%時(shí)，微粒數(shù)量逐漸接近DMS500微粒數(shù)量的最小測(cè)量極限。核態(tài)微粒數(shù)量比積聚態(tài)微粒的多，且二者均隨ethanol增加而急劇降低。GMD隨ethanol的增加呈非線性變化，說(shuō)明EPI+GDI的雙燃料雙噴射系統(tǒng)對(duì)微粒GMD的影響不明顯。

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

為將微粒數(shù)量轉(zhuǎn)化為微粒質(zhì)量濃度，引入各粒徑下的微粒質(zhì)量計(jì)算公式[19]：

圖10所示為各負(fù)荷下微粒質(zhì)量及粒徑隨ethanol的變化。由圖10可知：EPI+GDI的微粒質(zhì)量分布主要集中于積聚態(tài)微粒，與微粒數(shù)量分布不同。盡管核態(tài)微粒的數(shù)量比積聚態(tài)微粒的數(shù)量多，但是大粒徑的積聚態(tài)微粒質(zhì)量占主導(dǎo)地位。微粒質(zhì)量與數(shù)量排放均隨ethanol增加逐漸減少。

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

3 結(jié)論

1) 比油耗BSFC隨ethanol增加而增加，當(dāng)量比油耗ESFC隨著ethanol增加而減少；當(dāng)平均指示壓力分別為0.2，0.6和1.0 MPa時(shí)，ESFC均在ethanol=100%時(shí)達(dá)到最低。與燃用純汽油相比，燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高8.91%，5.04%和7.58%。進(jìn)氣道噴射乙醇能夠增強(qiáng)摩爾乘數(shù)效應(yīng)，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率。

2) 隨著ethanol增加，火焰發(fā)展期縮短，加速缸內(nèi)燃燒過(guò)程。IMEP隨ethanol增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定，燃燒穩(wěn)定性提高。

3) 各工況下的HC排放均隨ethanol增加而降低，不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化。CO排放量隨ethanol增加先增加后降低。

4) 各負(fù)荷條件下的微粒數(shù)量和質(zhì)量排放均隨ethanol增加而降低；乙醇良好的蒸發(fā)特性和較高的含氧量能夠抑制碳煙前驅(qū)物的生成，增強(qiáng)微粒氧化特性。乙醇與汽油混合后形成的共沸點(diǎn)混合物能夠增加汽油的揮發(fā)性，改善混合氣質(zhì)量，降低微粒排放。

5) EPI+GDI的雙噴射系統(tǒng)能夠有效提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并大幅度降低微粒數(shù)量和質(zhì)量排放。

[1] Regulation (EC) No 715/2007, On type approval of motor vehicles with respect to emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro 5 and Euro 6) and on access to vehicle repair and maintenance information[S].

[2] GB183525, 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法 (中國(guó)第五階段)[S]. GB183525, Emission limits and measurement methods for light duty vehicles (Phase V of China)[S].

[3] PARK C, CHOI Y, KIM C, et al. Performance and exhaust emission characteristics of a spark ignition engine using ethanol and ethanol-reformed gas[J]. Fuel, 2010, 89(8): 2118?2125.

[4] TURNER D, XU H, CRACKNELL R F, et al. Combustion performance of bio-ethanol at various blend ratios in a gasoline direct injection engine[J]. Fuel, 2011, 90(5): 1999?2006.

[5] 白代彤, 王錫斌, 蔡建, 等. 乙醇汽油混合燃料顆粒物排放的特性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2012, 30(6): 511?518. BAI Daitong, WANG Xibin, CAI Jian, et al. PM emission characteristics of spark-ignition engine fueled with ethanol/gasoline blends[J].Transactions of CSICE, 2012, 30(6): 511?518.

[6] 劉少華, 申立中, 葉年業(yè), 等. E10含水乙醇汽油對(duì)汽油機(jī)性能及排放的影響研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2012, 33(5): 46?51. LIU Shaohua, SHEN Lizhong, YE Nianye, et al. Research on effects of E10 hydrous ethanol gasoline blend on performance and emissions of gasoline engine[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2012, 33(5): 46?51.

[7] CHEN R H, CHIANG L B, CHEN C N, et al. Cold-start emissions of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuel[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(8/9): 1463?1467.

[8] STEIN R A, HOUSE C J, LEONE T G. Optimal use of E85 in a turbocharged direct injection engine[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2009, 2(1): 670?682.

[9] ZHUANG Yuan, HONG Guang. Effects of direct injection timing of ethanol fuel on engine knock and lean burn in a port injection gasoline engine[J]. Fuel, 2014, 135: 27?37.

[10] CATAPANO F, DI IORIO S, SEMENTA P, et al. Effects of ethanol and gasoline blending and dual fueling on engine performance and emissions[R]. SAE Technical Paper, 2015.

[11] COOPER J. Comparison between mapping MBT versus 50% mass fraction burn MBT[R]. Ford Motor Company Report, 1997.

[12] ZHUANG Yuan, HONG Guang. Primary investigation to leveraging effect of using ethanol fuel on reducing gasoline fuel consumption[J]. Fuel, 2013, 105: 425?431.

[13] TANIGUCHI S, YOSHIDA K, TSUKASAKI Y. Feasibility study of ethanol applications to a direct injection gasoline engine[R]. SAE Technical Paper, 2007.

[14] NAKATA K, UTSUMI S, OTA A, et al. The effect of ethanol fuel on a spark ignition engine[R]. SAE Technical Paper, 2006.

[15] WU Juntao, SONG K H, LITZINGER T, et al. Reduction of PAH and soot in premixed ethylene-air flames by addition of ethanol[J]. Combustion and Flame, 2006, 144(4): 675?687.

[16] WANG Chongming, XU Hongning, HERREROS J M, et al. Fuel effect on particulate matter composition and soot oxidation in a direct-injection spark ignition (DISI) engine[J]. Energy & Fuels, 2014, 28(3): 2003?2012.

[17] JIAO Qi, RA Y, REITZ R D. Modeling the influence of molecular interactions on the vaporization of multi-component fuel sprays[R]. SAE Technical Paper, 2011.

[18] KAR K, LAST T, HAYWOOD C, et al. Measurement of vapor pressures and enthalpies of vaporization of gasoline and ethanol blends and their effects on mixture preparation in an SI engine[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2009, 1(1): 132?144.

[19] SYMONDS J P R. Calibration of fast response differential mobility spectrometers[C]. London: National Physical Lab, Metrology of Airborne Nanoparticles, Standardisation and Applications, 2010.

(編輯 伍錦花)

Investigation on dual-fuel dual-injection system engine fuelled with ethanol and gasoline for fuel economy and emissions

ZHAO Lewen, PEI Yiqiang, LI Xiang

(State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

An ethanol port injection (EPI) system was installed on a gasoline direct injection (GDI) engine and a dual-fuel dual-injection system was assembled so that the blended ratio of fuel could be timely adjusted. By employing the innovative EPI and GDI dual-fuel dual-injection system at typical urban operating conditions, the fuel economy, particle number and mass emissions were studied, and the combustion characteristics and gaseous regulated emissions were also analyzed. The results show thatESFC(equivalent specific fuel consumption) decreases with the increase ofethanol(ethanol port injection ratio), and mole multiplier effect is enhanced by adding ethanol. More combustion products are available to do more work during the expansion process, and thereby improves the brake thermal efficiency. Hydrocarbon (HC) emission decreases with the increase ofethanoland is independent of engine loads. Particles number and mass under various conditions decrease with the increase ofethanol. Favorable evaporation characteristics as well as higher oxygen content of ethanol leads to less soot precursors formation and enhanced particle oxidation. Ethanol forms an azeotropes with gasoline, which enhances the volatility of gasoline and improves the mixture quality, and further reduces particle emission.

dual-injection system; dual-fuel of ethanol gasoline; fuel economy; particle emission; gaseous regulated emission

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.030

TK46+4

A

1672?7207(2018)02?0485?08

2017?03?27；

2017?05?27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAG10B01)(Project(2014BAG10B01) supported by the National Key Technologies R&D Program)

裴毅強(qiáng)，博士，副教授，從事GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制研究；E-mail：peiyq@tju.edu.cn