汽油/柴油混合燃料對壓燃式發(fā)動機預(yù)混燃燒及排放的影響?

王 喬，孫萬臣，郭 亮，程 鵬，范魯艷，李國良，孫 毅，杜家坤

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

前言

傳統(tǒng)柴油機本身由擴散火焰控制的燃燒方式?jīng)Q定了其燃燒過程同時穿過了NOx和微粒的生成區(qū)域。大量研究表明在傳統(tǒng)的柴油機燃燒技術(shù)條件下，不可避免地存在著 NOx和 PM的 trade-off關(guān)系[1]。

近年來，為在柴油機NOx和PM排放折衷關(guān)系的限值方面取得突破，世界研究機構(gòu)開始集中于以優(yōu)化燃燒放熱規(guī)律為基礎(chǔ)的新型燃燒理論的研究。柴油機預(yù)混充量壓縮著火(PCCI)燃燒技術(shù)通過協(xié)同控制燃燒過程中混合與化學(xué)反應(yīng)參數(shù)，使燃燒路徑避開NOx和碳煙的生成區(qū)域，可在保證較高熱效率的同時實現(xiàn)超低的NOx和碳煙排放[2-3]。早期研究人員主要采用大噴油提前角或引入大比率EGR等手段來實現(xiàn)預(yù)混合低溫燃燒(LTC)，但是早噴時缸內(nèi)低壓低溫環(huán)境引起的燃油“濕壁”現(xiàn)象以及碳煙排放對EGR的敏感性問題一直未得到很好的解決，這使得柴油機的負(fù)荷拓展受到很大限制。因此，僅從燃燒邊界條件的調(diào)整和優(yōu)化的角度已無法實現(xiàn)全工況范圍內(nèi)的預(yù)混合壓縮燃燒，而通過調(diào)整燃料理化特性并協(xié)同配合燃燒邊界條件實現(xiàn)高效清潔燃燒日益為內(nèi)燃機工作者所重視[4-7]。一些研究者利用汽油和柴油燃料各自的優(yōu)點，通過將汽油與柴油按一定比例混合制成寬餾程燃料，由于兼顧汽油的高揮發(fā)性與柴油的低自燃溫度，汽油/柴油混合燃料在拓展預(yù)混燃燒界限方面表現(xiàn)出了巨大的潛力[8-10]。

英國伯明翰大學(xué)將汽油/柴油混合燃料命名為dieseline，結(jié)果表明，與純柴油相比，dieseline具有滯燃期長和揮發(fā)性好的特點，更有利于實現(xiàn)部分預(yù)混壓燃模式[11-12]。Benajes等[13]人的研究表明:隨著汽油添加比例的增加滯燃期逐漸延長，可有效抑制微粒排放和燃燒噪聲，但會導(dǎo)致NOx排放略有升高。近年來，國內(nèi)研究者也針對汽油/柴油混合燃料開展了相關(guān)研究，取得了一系列具有指導(dǎo)意義的成果[14-18]。

對于汽油/柴油混合燃料，由于其在燃料理化特性上不同于傳統(tǒng)汽油和柴油，因此，實現(xiàn)預(yù)混合壓燃所要求的燃燒邊界條件及活化熱氛圍與傳統(tǒng)燃料必然有所差異。現(xiàn)有研究多基于燃燒模式展開，對于核心邊界條件對汽油/柴油混合燃料預(yù)混合燃燒特性的影響程度及其協(xié)同控制策略仍缺乏定論。因此，有必要開展進(jìn)一步的研究工作。本文中在前期研究的基礎(chǔ)上，試驗研究了汽油摻混比例、EGR以及噴油參數(shù)對汽油/柴油混合燃料預(yù)混壓燃燃燒和排放的影響規(guī)律，探索了內(nèi)燃機在更寬的負(fù)荷范圍內(nèi)實現(xiàn)高效清潔燃燒的協(xié)同控制方法。

1 試驗裝置和試驗條件

1.1 試驗用發(fā)動機和試驗燃料

試驗中使用一臺匹配高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的增壓中冷四缸柴油機。采用開放式電控燃油噴射系統(tǒng)對噴油時刻、噴油壓力等參數(shù)進(jìn)行實時在線控制。采用高壓冷卻EGR系統(tǒng)并配備電控EGR閥，可以實現(xiàn)對EGR溫度和EGR率的精確控制。表1給出了發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

研究中選取國Ⅴ(-10#)柴油與97#汽油作為基礎(chǔ)燃料，按不同體積比進(jìn)行配比，獲取了不同餾程范圍和著火性的試驗燃料。前期研究表明，當(dāng)汽油摻入比例大于60%時，由于燃料的揮發(fā)性過強，中小負(fù)荷工況下燃燒溫度較低，燃燒不完全度增加，熱效率較低，在高效燃燒工況適應(yīng)性方面存在一定局限性。因此，重點針對汽油摻入比例小于50%的汽油/柴油混合燃料進(jìn)行試驗研究，定義純柴油與汽油摻入比例為20%，30%，40%和50%的混合燃料分別為G0，G20，G30，G40和G50。試驗基礎(chǔ)燃料理化特性參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗測試系統(tǒng)

試驗中采用的發(fā)動機測控系統(tǒng)包括洛陽南峰機電設(shè)備公司生產(chǎn)的CW260程控式電渦流測功機、HORIBA 7100DEGR汽車排氣分析儀、AVL439消光式煙度計、日本小野數(shù)字油耗儀和日本小野DS-9100燃燒分析儀等。缸壓測量采用Kistler 6052C型缸壓傳感器，轉(zhuǎn)角信號由Kistler 6124B型編碼器輸出，采樣分辨率為0.25°CA，每個工況點示功圖均采集100個循環(huán)進(jìn)行平均以消除測量誤差。圖1為試驗臺架示意。

表2 試驗燃料理化特性

圖1 試驗臺架示意圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法與研究方案

為保證試驗結(jié)果重復(fù)性，研究中機油溫度和冷卻水溫度均穩(wěn)定在85℃，燃油溫度控制在25℃。定義累積放熱量的10%(CA10)和90%(CA90)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒始點和燃燒終點，滯燃期定義為燃燒始點與噴油始點之差，燃燒持續(xù)期定義為燃燒終點與燃燒始點之差，主預(yù)噴間隔角定義為預(yù)噴射開始時刻到主噴射開始時刻對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。為避免不同燃料的密度和低熱值對試驗結(jié)果的影響，試驗中不同燃料的燃油消耗量按照燃料燃燒所放出的熱量統(tǒng)一折合成純柴油的當(dāng)量燃油消耗量。

研究中選取典型的發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1800r/min，5種平均指示壓力(IMEP)分別為 0.32，0.50，0.70，0.90和1.10MPa，分別對應(yīng)發(fā)動機該轉(zhuǎn)速下的15%，30%，45%，60%和75%負(fù)荷。根據(jù)前期研究結(jié)論[6]，為保證發(fā)動機在不同負(fù)荷下都有較高的熱效率，試驗中通過調(diào)整燃油噴射時刻(Tinj)保證不同負(fù)荷下的放熱質(zhì)心CA50都處于最優(yōu)位置，且燃用不同燃料時的CA50相同。汽油/柴油混合燃料在不同負(fù)荷工況下的噴油時刻以及對應(yīng)的CA50如圖2所示。

圖2 不同燃料燃油噴射時刻及CA50選取位置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 汽油/柴油混合燃料對燃燒及排放的影響

圖3為燃用不同摻混比例汽油/柴油混合燃料時的放熱率和缸壓對比。研究表明，當(dāng)放熱率曲線近似為單峰對稱結(jié)構(gòu)時可將燃燒過程視為預(yù)混合燃燒[19]。由圖可見:小負(fù)荷工況下，噴油持續(xù)期較短，缸內(nèi)燃燒溫度低，燃燒過程以預(yù)混合燃燒為主，此時汽油摻入比例對燃燒過程的影響不大；隨著負(fù)荷的增加，燃燒持續(xù)期延長，燃燒過程向擴散燃燒轉(zhuǎn)變。與柴油相比，隨著燃料中汽油摻入比例的增加，燃燒過程預(yù)混合階段的放熱率峰值逐漸增加，可見汽油/柴油混合燃料在中高負(fù)荷仍然具有較大比例的預(yù)混合燃燒。其主要原因是隨汽油摻入比例增加，燃料揮發(fā)性改善，有助于加速油氣混合過程，同時混合燃料中汽油成分的增加使燃料十六烷值降低、滯燃期延長，為油氣進(jìn)一步混合預(yù)留了充足時間，這兩方面原因?qū)е聹计趦?nèi)形成的可燃混合氣增多，燃燒放熱率增大，有利于增加預(yù)混合燃燒比例。

圖3 汽油摻入比例對缸壓及放熱率的影響

為進(jìn)一步探討汽油摻入比例對壓燃式發(fā)動機預(yù)混合燃燒過程的影響程度，研究中定義預(yù)混合燃燒量比為預(yù)混合燃燒放熱量占燃燒累積放熱量的比率。圖4為汽油摻入比例對預(yù)混合燃燒量比的影響。由圖可知，隨著負(fù)荷的增加，不同燃料的預(yù)混合燃燒量比均逐漸減小。對于汽油摻入比例小于20%的混合燃料，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)混合燃燒過程所對應(yīng)的負(fù)荷工況較窄，提高汽油摻入比例，相同負(fù)荷下的預(yù)混合燃燒量比逐漸提高，有效拓展了發(fā)動機預(yù)混壓燃的負(fù)荷范圍。當(dāng)汽油摻入比例大于30%時，預(yù)混壓燃的負(fù)荷范圍可拓展至IMEP為0.50MPa，相當(dāng)于30%發(fā)動機負(fù)荷率。

圖5為不同負(fù)荷條件下燃用汽油/柴油混合燃料燃燒特征參數(shù)對比。從圖中可更為明顯地看出，在不同負(fù)荷工況下隨著汽油摻入比例的增加，滯燃期呈增加趨勢，且在低負(fù)荷時增加更為明顯。當(dāng)IMEP為0.32MPa時，G0燃料的滯燃期為11.7°CA，而G50燃料的滯燃期達(dá)到了15.1°CA，比純柴油延長了3.4°CA，增加了將近30%。滯燃期的延長使得滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混合氣量增加，該部分混合氣的快速燃燒放熱提高了整體的化學(xué)反應(yīng)速率，這導(dǎo)致燃燒持續(xù)期隨著汽油摻入比例的增加略有降低，燃燒過程的定容性有所改善。

圖4 汽油摻入比例對預(yù)混合燃燒量比的影響

圖5 不同摻入比例汽油/柴油混合燃料主要燃燒特征參數(shù)對比

對比不同負(fù)荷條件下汽油/柴油混合燃料對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響可以發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化的燃燒相位CA50情況下，汽油摻入比例對熱效率的影響減弱，但整體隨汽油摻入比例的增加指示熱效率下降，且小負(fù)荷工況更為明顯。原因在于小負(fù)荷工況下缸內(nèi)燃燒溫度相對較低，燃用汽油/柴油燃料導(dǎo)致滯燃期明顯延長，此時油氣發(fā)生過度混合現(xiàn)象，導(dǎo)致缸內(nèi)局部過稀區(qū)增多，燃燒效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致指示熱效率下降。

圖6為不同負(fù)荷條件下燃用汽油/柴油混合燃料對排放特性影響對比。由圖可見:混合燃料中汽油摻入比例的增加對NOx排放影響不大，但卻能顯著降低排氣煙度，在大負(fù)荷條件下尤為明顯；當(dāng)IMEP為 1.10MPa時，G0燃料的消光煙度為5.06%，而 G50的消光煙度為 1.51%，降幅達(dá)到70%。這是因為大負(fù)荷工況下燃燒溫度較高，油氣混合時間縮短，此時缸內(nèi)的局部過濃區(qū)的碳煙生成傾向增加，燃用汽油/柴油混合燃料，使油氣混合過程得到改善，預(yù)混合燃燒量比增加，有利于抑制碳煙生成。從圖中還可看出，隨著混合燃料中汽油摻入比例的增加，缸內(nèi)不完全燃燒產(chǎn)物CO和HC排放增加，小負(fù)荷工況下增加更多。

圖6 不同摻入比例汽油/柴油混合燃料排放特性對比

2.2 EGR與噴油壓力對汽油/柴油混合燃料燃燒和排放的影響

為在保證熱效率的同時進(jìn)一步降低排放，試驗研究了EGR與噴油壓力對汽油/柴油混合燃料預(yù)混壓燃燃燒和排放的影響。試驗中選取G40燃料與純柴油進(jìn)行對比，通過調(diào)整噴油時刻控制CA50的位置不變。

圖7所示為不同噴油壓力下EGR對不同燃料滯燃期的影響。由圖可見:EGR和汽油/柴油混合燃料對滯燃期均產(chǎn)生較大的影響，且隨噴油壓力的不同影響程度亦存在差異；隨EGR率的提高，滯燃期延長，且在大EGR率下更為明顯。對比不同燃料的影響結(jié)果顯示，混合燃料中由于汽油的加入，降低了燃料的十六烷值，抑制燃料的反應(yīng)活性，使得其滯燃期顯著高于純柴油。同時汽油/柴油混合燃料的滯燃期對EGR的敏感程度較純柴油有所增加，當(dāng)噴油壓力為 80MPa時，相同 EGR增量(從 0增至20%)下，G0燃料滯燃期增長了1.6°CA，G40燃燒的滯燃期增長了2.2°CA。隨噴油壓力的提高，滯燃期略有減小。圖8所示為EGR對不同燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。由圖可見，在固定燃燒相位CA50不變的條件下，EGR對不同燃料指示燃油消耗率的影響不大，但當(dāng)EGR率超過20%時，指示燃油消耗率明顯升高，隨噴油壓力增加，燃油消耗率有所降低。適當(dāng)提高噴油壓力有利于降低汽油/柴油混合燃料的燃油消耗率。

圖7 不同噴油壓力下EGR對不同燃料滯燃期影響對比

圖8 不同噴油壓力下EGR對不同燃料燃油經(jīng)濟(jì)性影響對比

圖9 為不同噴油壓力條件下EGR對不同燃料排放特性的影響對比。由圖可見:EGR的引入對不同燃料的排放特性產(chǎn)生顯著影響，尤其對于消光煙度和NOx排放；隨著EGR的增加，不同燃料的NOx排放均呈線性下降趨勢，當(dāng)EGR率達(dá)到20%時，NOx下降近75%。對比不同燃料消光煙度發(fā)現(xiàn)，不同噴油壓力下，煙度隨EGR率增加均存在一個“突變點”，此時煙度值開始明顯升高。燃用汽油/柴油混合燃料或增大噴油壓力，均可使該“突變點”在一定程度上向大EGR率方向偏移。以上現(xiàn)象可歸因于燃燒過程對低氧濃度的耐受性存在差異，低噴油壓力下，燃料霧化質(zhì)量較差，此時燃料分子氧化過程對其周圍氧濃度水平提出了更高的要求。通過提高噴油壓力或燃用汽油/柴油混合燃料后，強化了油氣混合過程，有助于抑制高溫貧氧區(qū)大分子碳鏈轉(zhuǎn)化為碳質(zhì)顆粒的反應(yīng)傾向。因此，從控制顆粒物生成的角度上講，燃用汽油/柴油混合燃料可以提高對更高比例EGR的耐受性，一方面可降低對于更高噴射壓力的需求，另一方面有助于通過大比例的EGR來改善NOx和碳煙的折衷關(guān)系。但當(dāng)EGR率超過12%，進(jìn)氣氧濃度降低，導(dǎo)致不完全燃燒產(chǎn)物CO的生成增加。EGR對于HC排放影響較小。

圖9 不同噴油壓力下EGR對不同燃料排放特性影響對比

2.3 預(yù)噴參數(shù)對汽油/柴油混合燃料燃燒和排放的影響

大負(fù)荷工況下缸內(nèi)燃燒溫度升高，滯燃期縮短，不同燃料的預(yù)混合燃燒量比降低，為保證熱效率的情況下進(jìn)一步改善排放，取得NOx和PM的良好折衷關(guān)系，本文中采用了EGR與兩段噴射模式協(xié)同控制策略，試驗研究預(yù)噴參數(shù)對汽油/柴油混合燃料燃燒和排放的影響。根據(jù)前文研究結(jié)論，隨負(fù)荷的增大，采用高汽油摻入比例的汽油/柴油混合燃料能夠進(jìn)一步降低排氣煙度，且不會導(dǎo)致NOx顯著增加。因此，本文在IMEP為1.10MPa的負(fù)荷下選取汽油摻混比分別為30%和50%的混合燃料與純柴油進(jìn)行對比研究。燃燒相位CA50控制在12.5°CA ATDC，噴油壓力為120MPa，EGR率控制在12%。

2.3.1 預(yù)噴時刻對汽油/柴油混合燃料燃燒及排放的影響

試驗中設(shè)定每循環(huán)預(yù)噴油量為4mg(占總循環(huán)供油量的10%)，調(diào)整兩段噴射的間隔角度分別為10，20，30，40 和 50°CA，試驗研究了預(yù)噴時刻對汽油/柴油混合燃料燃燒及排放的影響。

圖10為燃用不同汽油摻入比例混合燃料時預(yù)噴時刻對滯燃期的影響。由圖可見:預(yù)噴時刻提前，預(yù)噴燃油的引燃作用減弱，導(dǎo)致不同燃料的滯燃期均有所延長；隨著汽油摻入比例增加，預(yù)噴時刻對滯燃期的影響進(jìn)一步放大，在相同的預(yù)噴時刻變化下(10-50°CA)純柴油的滯燃期延長了 2.1°CA，而G50燃料的滯燃期延長了3.8°CA。滯燃期的延長使得油氣混合的時間延長，有利于在滯燃期內(nèi)形成更多的預(yù)混合氣，提高預(yù)混合燃燒量比。

圖10 主預(yù)噴間隔角對汽油/柴油混合燃料滯燃期的影響

圖11 為燃用不同汽油摻入比例混合燃料時預(yù)噴時刻對指示熱效率的影響。由圖可見:兩段噴射間隔角小于30°CA時，預(yù)噴時刻對熱效率影響較??；隨著預(yù)噴時刻的進(jìn)一步提前，預(yù)噴燃油在較低的缸內(nèi)溫度和壓力下的“濕壁”問題開始顯現(xiàn)，導(dǎo)致指示熱效率下降。對比不同燃料發(fā)現(xiàn)，G50的指示熱效率最高，原因在于汽油成分的加入改善了燃料的揮發(fā)性，使得噴霧發(fā)展過程中快速揮發(fā)，減少燃料著壁量，從而獲得較好的熱效率。

圖11 主預(yù)噴間隔角對汽油/柴油混合燃料指示熱效率的影響

預(yù)噴時刻對汽油/柴油混合燃料排放特征的影響如圖12所示。由圖可見，隨著兩段噴射間隔角增大，NOx排放略有升高，排氣煙度顯著降低。這主要是由于預(yù)噴時刻提前，預(yù)噴燃油反應(yīng)量減少，更多燃料以預(yù)混合氣的形式參與主噴燃油的燃燒過程，相當(dāng)于預(yù)混合燃燒量的增加。而隨著汽油比例的增加，滯燃期延長(如圖10所示)，在著火前形成的均勻混合氣量進(jìn)一步增加，燃燒過程得到改善，排氣煙度顯著降低。

圖12 主預(yù)噴間隔角對汽油/柴油混合燃料排放特性的影響

2.3.2 預(yù)噴量對汽油/柴油混合燃料排放及經(jīng)濟(jì)性的影響

為揭示預(yù)噴量對汽油/柴油混合燃料排放及經(jīng)濟(jì)性的影響，研究中固定兩段噴射間隔角為30°CA，調(diào)整預(yù)噴油量使其分別占總噴油量的比例為5%，10%，15%，20%和25%。

圖13為預(yù)噴油量對汽油/柴油混合燃料燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。由圖可見:當(dāng)預(yù)噴油量占比小于20%時預(yù)噴油量對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響不大；隨著預(yù)噴油量的進(jìn)一步增大，其貫穿距增長，導(dǎo)致燃料著壁量增加，不同燃料的指示熱效率下降，指標(biāo)燃油消耗率升高。對比不同燃料發(fā)現(xiàn)，由于汽油的加入，混合燃料的揮發(fā)性得到改善，有效抑制了油束撞壁現(xiàn)象的發(fā)生，使得其熱效率高于純柴油。

圖13 預(yù)噴量對汽油/柴油混合燃料經(jīng)濟(jì)性的影響

圖14 為燃用汽油/柴油混合燃料時預(yù)噴油量對排放特性的影響。由圖可見，對于不同燃料，隨預(yù)噴油量增加，NOx排放變化不大，排氣煙度明顯降低。

圖14 預(yù)噴量對汽油/柴油混合燃料排放特性的影響

綜上所述，大負(fù)荷工況下采用高汽油摻入比例的混合燃料，協(xié)同控制EGR和兩段噴射策略，將主預(yù)噴間隔角保持在30°CA，預(yù)噴油量占比保持在20%可以取得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性。

3 結(jié)論

(1)壓燃式發(fā)動機燃用汽油/柴油混合燃料能夠延長滯燃期，縮短燃燒持續(xù)期，增大預(yù)混合燃燒比例，顯著降低煙度排放。

(2)汽油/柴油混合燃料可以提高燃燒系統(tǒng)對于大比例EGR的耐受性，有效抑制低氧濃度氛圍下的碳煙生成，降低對燃油噴射壓力的要求，有助于采用較高比例EGR來同時降低NOx和碳煙排放。

(3)混合燃料中汽油成分的加入，有利于改善燃料揮發(fā)性，緩解預(yù)噴條件下的燃料“濕壁”問題，有利于采用較早的預(yù)噴時刻或提高預(yù)噴油量占比來延長滯燃期，增加預(yù)混合燃燒量，進(jìn)一步改善煙度排放。

(4)大負(fù)荷工況下，采用高汽油摻入比例的汽油/柴油混合燃料，并協(xié)同控制EGR及兩段噴射策略可以在保證較高熱效率的條件下，進(jìn)一步改善NOx和排氣煙度。