二級(jí)充量分層策略對(duì)低溫燃燒過(guò)程的調(diào)控規(guī)律

龍騰淵，楊 燦，徐浩成，王紀(jì)方，成曉北

(1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074；2.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司，重慶 402160)

低溫燃燒(LTC)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種很有前途的燃燒技術(shù)，該燃燒模式在實(shí)現(xiàn)高燃燒效率、超低排放方面具有巨大的潛力[1].針對(duì)未來(lái)超低排放，人們提出了不同的內(nèi)燃機(jī)新型燃燒模式，如均質(zhì)壓燃(HCCI)、預(yù)混合充量壓燃(PCCI)、LTC、預(yù)混合分層壓燃(PSCCI)等，綜合來(lái)說(shuō)，就是結(jié)合了汽油機(jī)和柴油機(jī)燃燒模式的特點(diǎn)，采用預(yù)混、壓燃的燃燒方式，降低火焰溫度，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的高效清潔燃燒[2].低溫燃燒模式的火焰溫度較低，一般在2 200 K 以下，可以有效降低氮氧化物的形成.并且，較低的火焰溫度也會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱損失，因此使得發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率得到了一定程度的提高[3].雖然低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)分別獲得了汽油機(jī)和柴油機(jī)的低排放和高效率的優(yōu)點(diǎn)，卻失去了控制上的便利性.為了使得低溫燃燒模式的適應(yīng)工況得到拓展，并實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程的控制，低溫燃燒的研究方向逐漸由強(qiáng)調(diào)混合氣的完全均質(zhì)向混合氣分層發(fā)展.

HCCI 燃燒模式主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，對(duì)于缸內(nèi)燃燒的條件變化較為敏感，因此著火時(shí)刻和反應(yīng)速率的控制較為困難[4].并且，這一燃燒模式的適應(yīng)工況范圍較窄，在低負(fù)荷工況容易失火，而在高負(fù)荷工況容易產(chǎn)生爆震[5].同時(shí)，除了HCCI 燃燒模式的敏感性，HCCI 燃燒并不是完全均勻的，完全均質(zhì)的充量是難以獲得的.缸壁的傳熱會(huì)導(dǎo)致充量的溫度分層，而燃料的不完全均勻混合和殘余廢氣會(huì)導(dǎo)致混合氣在成分上的分層[6-7].合適的分層狀態(tài)，反而能促進(jìn)低溫燃燒的進(jìn)行[8].

Dec 等[9]發(fā)現(xiàn)，混合氣的當(dāng)量比分層對(duì)燃燒過(guò)程的壓力升高率以及燃燒持續(xù)期有著較為顯著的影響，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比的分層有效地向更高負(fù)荷拓寬了HCCI 運(yùn)行范圍.Lawler 等[10]采用電加熱的方式對(duì)缸內(nèi)充量進(jìn)行了直接加熱，用以控制缸內(nèi)充量的溫度分層，結(jié)果表明，缸內(nèi)充量的溫度分層可以影響燃燒過(guò)程的放熱率.Aroonsrisopon 等[11]采用進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種方式，研究了燃料分層對(duì)燃燒過(guò)程的影響，結(jié)果表明，燃料的分層能拓寬HCCI 的燃燒極限，并使得燃燒過(guò)程更加穩(wěn)定.Kokjohn 等[12]提出的RCCI 燃燒模式，通過(guò)進(jìn)氣道噴射低活性燃料，缸內(nèi)直噴高活性燃料，成功構(gòu)筑了燃料的活性分層，使得分層燃燒的適應(yīng)工況得到了進(jìn)一步的拓寬.Valladolid等[13]的研究表明，燃料的活性分層對(duì)燃燒過(guò)程的相位和反應(yīng)速率都有著很大的影響.

分層特性的控制使得低溫燃燒模式變得更加可控.在PCI、PPCI 和RCCI 燃燒中，調(diào)整噴油正時(shí)以及噴油量可以有效地控制缸內(nèi)當(dāng)量比分層和活性分層，從而使得燃料有序燃燒，拓寬了低溫燃燒模式的運(yùn)行工況[14].然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于較高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，較濃的混合氣難以形成梯度合適的當(dāng)量比和活性分層[15].基于低溫燃燒多級(jí)梯度分層的構(gòu)筑方式較為復(fù)雜，且大負(fù)荷工況下，合適的多級(jí)梯度分層難以形成的問(wèn)題，本文提出了充量狀態(tài)二級(jí)分層這個(gè)概念.通過(guò)合適的手段，構(gòu)筑狀態(tài)不同的二級(jí)充量，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)充量的二級(jí)梯度分層，達(dá)到高活性局部充量主要控制著火，而低活性均質(zhì)充量主要控制后續(xù)燃燒的目的，使得整個(gè)燃燒過(guò)程變得更加可控.

1 二級(jí)充量分層調(diào)控低溫燃燒的原理

低溫燃燒分層的概念，大多都是圍繞如何實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)混合氣的當(dāng)量比、活性和溫度分層的控制手段展開(kāi).然而，在低溫燃燒中，混合氣的當(dāng)量比、活性和溫度以及其他影響因素，其分層狀態(tài)的分布并不是完全一致的，因此描述低溫燃燒的混合氣分層狀態(tài)，是一個(gè)較為困難的問(wèn)題.而二級(jí)分層，則是要構(gòu)筑出僅有兩種狀態(tài)的充量.圖1 所示為缸內(nèi)的二級(jí)充量分布.紅色標(biāo)注的為高活性局部充量，是在活塞運(yùn)動(dòng)至接近上至點(diǎn)的相位時(shí)，向缸內(nèi)噴射的微量高活性燃料，該部分燃料占總?cè)剂系谋壤^小，活性較高，其作用是用來(lái)形成微火源，用以點(diǎn)燃缸內(nèi)剩余的混合氣.而缸內(nèi)剩余的混合氣，在圖中標(biāo)注的黃色這一部分充量，稱作低活性均質(zhì)充量，該部分燃料的活性相對(duì)較低，被控制在沒(méi)有微火源引燃就無(wú)法自行被壓燃的狀態(tài)，其主要作用是被高活性局部充量引燃后，在缸內(nèi)燃燒.該部分燃料為內(nèi)燃機(jī)放熱做功的主要燃料，通過(guò)對(duì)該部分燃料的活性、當(dāng)量比、溫度以及其他影響因素的控制，從而控制著火后的燃燒過(guò)程.

圖1 缸內(nèi)充量狀態(tài)分布Fig.1 In-cylinder charge state distribution

圖2 所示為理想的二級(jí)充量放熱曲線.如圖所示，該放熱率曲線呈現(xiàn)出一個(gè)二階段放熱的形態(tài).其中，第一階段的放熱主要由高活性局部充量在缸內(nèi)被壓燃導(dǎo)致，該部分燃料的噴油量較低，導(dǎo)致放熱峰值較低且持續(xù)期較短，其主要作用是在缸內(nèi)形成微火源，將缸內(nèi)的低活性均質(zhì)充量引燃，起到控制著火始點(diǎn)的作用.而第二階段放熱主要是由低活性均質(zhì)充量，被高活性局部充量引燃后，在缸內(nèi)繼續(xù)燃燒導(dǎo)致的.該部分燃料的活性較低，需要被微火源引燃后才能燃燒，其主要作用是用于控制著火后的燃燒過(guò)程.該部分燃料的放熱峰值較高且持續(xù)期較長(zhǎng)，為燃料放熱做功的主要階段.由于高活性局部充量主要控制著火，而低活性均質(zhì)充量主要控制后續(xù)燃燒過(guò)程，形成了一定的燃燒秩序，使得二級(jí)充量的放熱過(guò)程得到了有效的控制，達(dá)到了控制整個(gè)燃燒過(guò)程的目的.

圖2 理想的二階充量放熱過(guò)程Fig.2 Ideal two-stage charge heat release process

2 一種實(shí)現(xiàn)二級(jí)充量分層的噴油策略

采用大比例EGR 率，高增壓壓力及噴油策略控制等手段，可以有效實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的低溫燃燒[16-18].而采用多脈沖噴射柴油，可以實(shí)現(xiàn)柴油的預(yù)混燃燒[19].本文為了實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的二級(jí)充量分層低溫燃燒，采用雙燃料噴射、多次噴射高活性燃料、正時(shí)調(diào)控等噴油策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)二級(jí)分層低溫燃燒.本文采用的噴油策略共有4 次噴油，前3 次噴油包括一次低活性燃料進(jìn)氣道噴射和兩次高活性燃料缸內(nèi)預(yù)噴，用來(lái)構(gòu)筑低活性均質(zhì)充量，而最后一次微量高活性燃料缸內(nèi)直噴，用來(lái)構(gòu)筑高活性局部充量.具體的噴油策略是在接近排氣上止點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)角為-360°CA ATDC 時(shí)，向進(jìn)氣道噴射低活性燃料，使得低活性燃料隨活塞的運(yùn)動(dòng)，與空氣得到充分的預(yù)混.然后在合適的相位，向缸內(nèi)噴射兩次高活性燃料，用以調(diào)控預(yù)混燃料的活性，這一部分噴入的高活性燃料，與之前的低活性燃料形成的混合氣，形成了低活性均質(zhì)充量.在本文中，分別選?。?0°CA ATDC 和－38°CA ATDC 作為兩次高活性燃料預(yù)噴的噴油提前角.所選取的兩次高活性燃料的噴油提前角如圖3 所示，采用多次噴射可以使得高活性燃料得到更好的混合.選?。?0°CA ATDC作為第1 次高活性燃料預(yù)噴的噴油提前角，是因?yàn)槿绻麌娚涓鼮樘崆埃褪鴷?huì)撞擊缸壁造成濕壁，使得燃燒惡化；而選?。?8°CA ATDC 為第2 次高活性燃料預(yù)噴的噴油提前角，主要目的是使得燃料噴入活塞凹坑的擠流區(qū)，面容比較大，使燃料充分混合.二階充量的活性是可控的，通過(guò)改變高活性燃料和低活性燃料的噴射比例控制.而最后一次噴油，是在活塞運(yùn)動(dòng)至接近上止點(diǎn)處，向缸內(nèi)直噴微量高活性燃料，該部分燃料的活性較高，且缸內(nèi)溫度壓力較高，使得燃料直接被引燃，形成微火源，從而引燃之前充分預(yù)混的低活性均質(zhì)充量.

圖3 用以形成低活性均質(zhì)充量的高活性燃料兩次噴油提前角示意Fig.3 Schematic diagram of injection advance angles of high-active fuel for low-active homogeneous charge

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)單缸機(jī)上進(jìn)行.發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示.本實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架系統(tǒng)布置示意如圖4 所示.其中，通過(guò)采用增壓器機(jī)械增壓的方式，向發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的進(jìn)氣壓力，而進(jìn)氣流量，則通過(guò)精密流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量.在流量計(jì)之后連接一個(gè)300 L 的大容量穩(wěn)壓罐，用以減弱發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖進(jìn)氣帶來(lái)的流量波動(dòng).而發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU 采用開(kāi)放式ECU，可以靈活調(diào)節(jié)高活性燃料和低活性燃料的噴油量、噴油提前角、噴射次數(shù)等參數(shù).發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角以及上止點(diǎn)信號(hào)，通過(guò)一個(gè)角標(biāo)傳感器獲得.缸壓通過(guò)Kisler 傳感器獲得，并通過(guò)Kisler 的電荷放大器，放大缸壓信號(hào)，再輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩通過(guò)湘儀FC2000 測(cè)功機(jī)進(jìn)行測(cè)量.而尾氣排放包括UHC、CO、NOx等參數(shù)，通過(guò)一臺(tái)便攜式的ECOM-J2 KN 煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of engine structure

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫保持在(76±2)℃的范圍內(nèi).為保證實(shí)驗(yàn)獲得缸壓的準(zhǔn)確性，發(fā)動(dòng)機(jī)在相同的工況內(nèi)，獲取1 000 個(gè)循環(huán)的缸壓，進(jìn)行平均后，得到該工況下的實(shí)驗(yàn)缸壓.

實(shí)驗(yàn)工況如表2 所示.其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在1 200 r/min.為探究一階充量對(duì)燃燒始點(diǎn)的調(diào)控作用，將微量高活性燃料的噴油正時(shí)范圍設(shè)置在－20～0°CA ATDC 之間，具體的噴油正時(shí)范圍要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)獲得的燃燒和排放參數(shù)確定.本實(shí)驗(yàn)中，高活性燃料采用柴油，低活性燃料采用乙醇，其燃料特性如表3 所示[20-21].低活性均質(zhì)充量的活性采用馬達(dá)法辛烷值定義，其活性的計(jì)算公式如下：

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)布置示意Fig.4 Layout drawing of test bench system

表2 試驗(yàn)研究工況設(shè)置Tab.2 Experimental condition setting

式中：me和md分別為低活性均質(zhì)充量中乙醇和柴油質(zhì)量；RON,e和RON,d分別為乙醇和柴油的馬達(dá)法辛烷值，其中RON,e＝107，RON,d＝0.預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)中的低活性均質(zhì)充量活性定在80～95 之間，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的活性要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況選擇.為保證IMEP 在0.8～0.9 MPa 之間，需要保證燃料理論完全燃燒的總熱值接近，因此在改變活性的同時(shí)，需要兼顧燃料的噴油量，表4 為本實(shí)驗(yàn)中，不同活性對(duì)應(yīng)的噴油量，用以確保燃料完全燃燒時(shí)的總?cè)紵崾墙咏?而高活性局部充量的柴油噴油量，設(shè)置在3～5 mg，由于燃油量較低，僅起到點(diǎn)火的效果.

表3 燃料特性參數(shù)Tab.3 Fuel characteristic parameters

表4 不同活性對(duì)應(yīng)噴油量Tab.4 Corresponding injection mass of different activities

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 典型的二級(jí)分層燃燒分析

圖5 為實(shí)際的二級(jí)充量的放熱率曲線，噴油提前角為10°CA BTDC，辛烷值為85，該工況的高活性局部充量噴油量為5 mg.如圖所示，該曲線呈現(xiàn)出了兩階段放熱的特點(diǎn)，而與之前設(shè)想的二級(jí)充量放熱有所不同的是，在一階段放熱基本結(jié)束后，曲線沒(méi)有呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而是保持了一段放熱率接近的過(guò)程后，繼續(xù)上升.實(shí)際的二級(jí)充量放熱過(guò)程，并不是單純的第1 階段燃燒結(jié)束后，第2 階段燃燒才開(kāi)始.高活性局部充量放熱的同時(shí)，會(huì)使得部分低活性均質(zhì)充量一起燃燒，因此出現(xiàn)了圖5 中的放熱現(xiàn)象.通過(guò)計(jì)算得知，當(dāng)5 mg 微量柴油完全放熱，產(chǎn)生的放熱量應(yīng)達(dá)到燃料總放熱量的5.6%，而實(shí)際上，高活性局部充量基本燃燒完全時(shí)，接近CA 10，說(shuō)明除了高活性局部充量外，部分低活性均質(zhì)充量也參與燃燒過(guò)程.因此，二級(jí)充量放熱并不一定嚴(yán)格遵循高活性局部充量完全結(jié)束后，低活性均質(zhì)充量燃燒才開(kāi)始燃燒的順序，在高活性局部充量燃燒的同時(shí)，低活性均質(zhì)充量也可能已經(jīng)開(kāi)始燃燒.如果低活性均質(zhì)充量的當(dāng)量比、活性、溫度控制不當(dāng)，甚至有可能出現(xiàn)低活性均質(zhì)充量先于高活性局部充量燃燒的情況.

圖5 實(shí)際的二級(jí)充量放熱率曲線Fig.5 Actual two-stage charge heat release rate curve

當(dāng)UHC 和CO 排放下降的時(shí)候，NOx的排放會(huì)上升.這是因?yàn)楣r的改變會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度的改變，當(dāng)燃燒溫度提升時(shí)，NOx排放增加，并且由于溫度上升，燃料燃燒更加完全，因此CO 的排放下降.在二級(jí)分層燃燒中，NOx(1.48～3.89 g/(kW·h))排放和CO(5.12～12.07 g/(kW·h))、UHC(4.93～6.5g/(kW·h))排放呈現(xiàn)出明顯的trade-off 關(guān)系，指示熱效率范圍為0.437～0.469.

4.2 高活性局部充量正時(shí)對(duì)燃燒過(guò)程的影響

其他條件相同時(shí)，噴油時(shí)刻不同的兩組工況的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線如圖6 所示.該工況的活性為RON＝85，高活性局部充量的噴油量為5 mg.兩個(gè)工況的唯一區(qū)別為最后一次微量燃油的噴油正時(shí)不同，分別為－8°CA ATDC 和－10°CA ATDC.可以看出，隨著高活性局部充量噴油正時(shí)的提前，燃燒過(guò)程是整體提前的，壓力升高率和最大爆發(fā)壓力升高，且燃燒持續(xù)期縮短.說(shuō)明，高活性局部充量的噴油正時(shí)變化，會(huì)對(duì)燃燒過(guò)程造成一定影響.除了改變?nèi)紵键c(diǎn)以外，由于燃燒始點(diǎn)的提前，導(dǎo)致整體燃燒過(guò)程提前，整體放熱過(guò)程更加接近于上止點(diǎn)，造成最大壓力升高率，最大爆發(fā)壓力的升高和燃燒持續(xù)期的縮短.

圖7 為著火始點(diǎn)在不同活性下隨著高活性局部充量噴油正時(shí)變化的曲線.選取CA 5 做為燃燒過(guò)程的著火始點(diǎn).高活性局部充量的噴油量為3 mg.隨著噴油正時(shí)的推遲，著火始點(diǎn)也隨之相應(yīng)推遲.并且，在不同活性下，著火始點(diǎn)和噴油正時(shí)呈現(xiàn)出近似于線性變化的關(guān)系.雖然本實(shí)驗(yàn)中存在一定的進(jìn)氣流量與水溫波動(dòng)，然而，在這些波動(dòng)存在的情況下，高活性局部充量的噴油正時(shí)對(duì)著火始點(diǎn)依然有著很強(qiáng)的調(diào)控作用.

圖7 著火始點(diǎn)在不同活性下隨噴油正時(shí)的變化Fig.7 Changes in ignition starting point with fuel injection timing under different activities

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，選擇的高活性局部充量的噴油提前角為0～-20°CA ATDC.實(shí)際上，由于最大壓力升高率過(guò)大以及燃燒惡化等原因，并不能實(shí)現(xiàn)在每個(gè)活性下，高活性局部充量的噴油提前角都在 0～-20°CA ATDC.并且，如圖7 所示，不同活性對(duì)應(yīng)的噴油正時(shí)合適的工況不同.當(dāng)活性增大，高活性局部充量的噴油正時(shí)就需要推遲，以防止壓力升高率過(guò)高，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震.如圖8 所示，在活性為RON＝80，RON＝85 的工況，隨著噴油正時(shí)的提前，最大壓力升高率越來(lái)越大，而CO 的排放呈現(xiàn)出下降趨勢(shì).當(dāng)活性為RON＝90 時(shí)，隨著噴油正時(shí)的推遲，最大壓力升高率以及CO 排放，并不一定隨著噴油正時(shí)的變化而產(chǎn)生明顯變化.研究者認(rèn)為高活性燃料直噴噴油提前角較為提前時(shí)，燃燒接近于預(yù)混燃燒，此時(shí)最后噴入缸內(nèi)的高活性局部充量，也與之前形成的低活性均質(zhì)充量混合，而不是直接被壓燃，不能夠起到點(diǎn)火的作用.同時(shí)，由于高活性局部充量與低活性均質(zhì)充量混合更加充分，不能形成充量狀態(tài)二級(jí)分層，不再形成之前的高活性局部充量燃燒后低活性均質(zhì)充量燃燒的燃燒秩序，從而不能使得著火始點(diǎn)以及整體燃燒過(guò)程隨著噴油正時(shí)的提前而提前，因此壓升和排放的變化都不是很明顯.

圖8 最大壓力升高率及CO排放隨噴油正時(shí)的變化Fig.8 Curves of maximum pressure rise rate and CO emission with fuel injection timing

改變高活性局部充量的噴油時(shí)刻，使得著火始點(diǎn)也發(fā)生了改變.而著火始點(diǎn)的改變，不僅僅會(huì)影響著火，也會(huì)影響后續(xù)燃燒過(guò)程，因此，噴油正時(shí)的改變對(duì)后續(xù)燃燒過(guò)程的影響也需要討論.圖9 為在不同活性下，噴油正時(shí)改變后，分別對(duì)CA 50、燃燒持續(xù)期、最大壓力升高率、最大爆發(fā)壓力的影響.在活性為RON＝80 和RON＝85 的工況中，隨著噴油正時(shí)的提前，都呈現(xiàn)出CA 50 提前、燃燒持續(xù)期縮短、最大壓力升高率和最大爆發(fā)壓力升高的情況.這是因?yàn)殡S著噴油正時(shí)的提前，高活性局部充量的燃燒也更加提前，導(dǎo)致著火提前，整個(gè)燃燒過(guò)程更加集中于上止點(diǎn)附近，使得放熱更加集中，燃燒持續(xù)期縮短且壓升和爆壓升高.而在RON＝90 的工況中，隨著正時(shí)的推遲，CA 50、燃燒持續(xù)期、壓升和爆發(fā)壓力并不呈現(xiàn)出單調(diào)變化關(guān)系，而是呈現(xiàn)出一個(gè)平臺(tái)期.這是因?yàn)镽ON＝90 工況的提前角本來(lái)就比RON＝80 和RON＝85 的提前角提前，隨著燃料噴射的進(jìn)一步提前，最后噴射的微量燃料被充分稀釋，無(wú)法被立即壓燃，而是和低活性均質(zhì)充量一起混合后被壓燃.可以看出，雖然高活性局部充量的噴油正時(shí)對(duì)著火始點(diǎn)有很明確的線性調(diào)控作用，但需要在合適的活性條件下.當(dāng)活性過(guò)低，為了保證燃燒不惡化，會(huì)將噴油提前角提前很大的角度，導(dǎo)致高活性局部充量被充分稀釋，與低活性均質(zhì)充量一起燃燒，無(wú)法很好地控制著火時(shí)刻，且活性較低會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，UHC，CO 排放較高；而活性過(guò)高，為了降低最大壓力升高率和最大爆發(fā)壓力，會(huì)將噴油正時(shí)推遲，即使將正時(shí)推遲到0°CA ATDC，依然會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)壓力過(guò)大的情況，且活性過(guò)大，低活性均質(zhì)充量會(huì)自行燃燒，使得高活性局部充量無(wú)法控制著火始點(diǎn).

圖9 CA 50，燃燒持續(xù)期，最大壓力升高率，最大爆發(fā)壓力隨高活性局部充量噴油正時(shí)的變化Fig.9 Changes in CA 50，combustion duration，maximum pressure rise rate，and maximum in-cylinder pressure with high-active local charge injection timing

4.3 低活性均質(zhì)充量活性對(duì)燃燒過(guò)程的影響

在前文中，討論了高活性局部充量對(duì)燃燒始點(diǎn)以及后續(xù)燃燒過(guò)程的影響，可知，低活性均質(zhì)充量的活性，對(duì)高活性局部充量控制著火始點(diǎn)的效果有著明顯的影響.而低活性均質(zhì)充量，不僅能影響著火始點(diǎn)，還能控制后續(xù)燃燒過(guò)程.由于活性不同會(huì)導(dǎo)致相同噴油正時(shí)的情況下燃燒始點(diǎn)不同，因此，討論低活性均質(zhì)充量的活性對(duì)后續(xù)燃燒過(guò)程的影響，需要保證燃燒始點(diǎn)一致，進(jìn)而討論低活性均質(zhì)充量活性對(duì)后續(xù)燃燒過(guò)程的影響.分別在活性RON為80、85、90 的三個(gè)工況中，選取了CA 5 和CA10 接近的3 個(gè)點(diǎn)來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論.其中，RON分別為80、85、90 工況時(shí)，CA 5 分別為0.3°CA ATDC，0.6°CA ATDC，0.1°CA ATDC，而CA 10 分別為1.7°CA ATDC，2.1°CA ATDC，2°CA ATDC.如圖10 所示，當(dāng)著火始點(diǎn)接近時(shí)，隨著活性的降低，CA 50 推遲，整體燃燒過(guò)程推遲，且燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，最大壓力升高率和最大爆發(fā)壓力同時(shí)降低.雖然著火正時(shí)接近，但是由于活性的降低，使得整個(gè)燃燒過(guò)程趨于平緩.可見(jiàn)，高活性可以促進(jìn)二級(jí)充量分層燃燒的燃燒過(guò)程，使得燃燒過(guò)程更加集中使得低活性均質(zhì)充量更加容易引燃；而低活性能使得燃燒過(guò)程變得更加緩和，持續(xù)期變長(zhǎng)且壓升和爆發(fā)壓力降低.這個(gè)結(jié)論可以用于探究低溫燃燒的負(fù)荷拓展.

對(duì)于負(fù)荷拓展來(lái)說(shuō)，當(dāng)處于小負(fù)荷工況時(shí)，由于混合氣過(guò)于稀薄，燃料難以燃燒，可以通過(guò)提升低活性均質(zhì)充量活性來(lái)促進(jìn)小負(fù)荷工況下的燃燒.并且由于低活性均質(zhì)充量的活性變大，高活性局部充量引燃低活性均質(zhì)充量也變得更加容易，因此可以進(jìn)一步促進(jìn)燃燒，從而向小負(fù)荷工況拓寬.而當(dāng)處于大負(fù)荷工況時(shí)，由于最大壓力升高率過(guò)高，可以降低活性，從而達(dá)到降低壓升和爆發(fā)壓力的效果，向大負(fù)荷工況拓寬.

圖10 CA 50、燃燒持續(xù)期、最大壓力升高率、最大爆發(fā)壓力隨活性變化Fig.10 Changes in CA 50，combustion duration，maximum pressure rise rate，and maximum in-cylinder pressure with different activities

在本實(shí)驗(yàn)中，在RON＝75 的工況下，即使噴油正時(shí)推遲到0°CA ATDC，最大壓力升高率也超過(guò)了1.2 MPa，最大壓力升高值超過(guò)了低溫燃燒的爆震極限.而當(dāng)活性RON為RON＝95 時(shí)，在噴油提前角為0到-20°CA ATDC 的所有工況范圍內(nèi)，CO、UHC 排放都嚴(yán)重超標(biāo)，缸內(nèi)壓力、壓力升高率過(guò)低，燃燒明顯惡化.因此，在不同負(fù)荷的工況下，需要選擇合適的活性范圍來(lái)保證二級(jí)充量分層燃燒.

5 結(jié)論

(1) 在上止點(diǎn)附近噴射的微量燃料，即高活性局部充量，在合適的活性條件下能夠?qū)θ紵键c(diǎn)有著較好的調(diào)控效果，在一定范圍內(nèi)使得著火始點(diǎn)與噴油正時(shí)呈現(xiàn)出近似于線性變化的關(guān)系.

(2) 二級(jí)充量分層的放熱曲線呈現(xiàn)出二階段放熱的特點(diǎn)，其中第1 階段的放熱為高活性局部充量以及部分低活性均質(zhì)充量的放熱，而第2 階段的放熱為剩余部分燃料的放熱，合適的分層以及充量狀態(tài)是保證二階段燃燒有序進(jìn)行的關(guān)鍵.

(3) 低活性均質(zhì)充量的活性對(duì)后續(xù)燃燒過(guò)程有著明顯的調(diào)控作用，活性較大時(shí)燃燒過(guò)程較為劇烈，較活性小的工況而言，整體燃燒相位相對(duì)提前，其持續(xù)期較短，壓力升高率以及最大爆發(fā)壓力較大.在不同的負(fù)荷工況下，選擇合適的活性，是拓展二級(jí)充量分層燃燒負(fù)荷范圍的重要因素.