高低辛烷值燃料對雙噴發(fā)動機燃燒和排放的影響*

夏 淳 趙廷鈺 方俊華 朱 磊 黃 震

（上海交通大學(xué)動力機械與工程教育部重點實驗室 上海 200240）

引言

近些年來，因為新型驅(qū)動技術(shù)的進步以及排放法規(guī)的日益嚴格，對點燃式發(fā)動機的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響[1-3]。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，將不同辛烷值汽油引入到缸內(nèi)直噴汽油機中配合燃燒以期在不同轉(zhuǎn)速和負荷下獲得更低排放和更高經(jīng)濟性的燃燒模式逐漸被廣泛研究[4-7]。

在一臺發(fā)動機中使用缸內(nèi)直噴和進氣道噴射兩種不同的噴射模式分別噴射不同辛烷值燃料，可以利用不同燃料之間著火特性和燃燒特性的不同靈活地控制不同工況下的燃燒進程進而優(yōu)化燃燒效率和排放[8]。不同噴射模式的組合可以加強缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量，因此可以進一步加強不同辛烷值燃料對燃燒的作用效果[9]。將醇類燃料作為高辛烷值燃料而汽油作為低辛烷值燃料，是一種典型的高低辛烷值配合燃燒的組合。不同比例、不同種類的醇類燃料經(jīng)由進氣道進入氣缸，以研究在WOT 工況下對缸內(nèi)直噴汽油機燃燒熱效率的影響。實驗結(jié)果表明，進氣道噴射甲醇和乙醇時，隨著進氣道噴射比例的增加，油耗率逐漸降低。進氣道噴射汽油或者乙醇汽油時，油耗率隨進氣道噴射比例的增加變化幅度較小?？梢娕c更高辛烷值燃料的配合使用可以提高爆燃極限并改善油耗[10-12]。石腦油組成的低靈敏度燃料可以在低負荷下抑制爆燃，乙醇組成的高靈敏度燃料因為乙醇良好的蒸發(fā)特性可以在高負荷下拓展爆燃極限[13]。與乙醇和汽油的組合類似甲醇和汽油的組合同樣也能夠改善油耗，同時因為甲醇燃料的特殊性，通過加大甲醇燃料的占比可以改善顆粒物排放[14]。優(yōu)化后的噴射策略可以使發(fā)動機在高負荷下CO2降低25%，而WLTC 測試循環(huán)下優(yōu)化后的噴射策略最高只能降低4%的CO2[15]。其他控制策略不變只改變不同噴射系統(tǒng)所噴燃料時，進氣道噴射低辛烷值燃料、直噴高辛烷值燃料時能夠獲得更高的燃燒熱效率，將兩者對換后因為燃料特性的不同可以獲得更低的BSFC、NOx和CO 排放[16]。在NEDC 和WLTC 測試循環(huán)下低辛烷值燃料可以有更少的CO2排放，而燃料特性不同的高辛烷值燃料可以降低BSFC[17]。發(fā)動機運行的大部分中低負荷均不需要RON 高于90 的汽油，因為低辛烷值燃料的加入可以在大部分負荷范圍內(nèi)減少燃料的消耗[18-19]。發(fā)動機在加速或高負荷等工況下處于濃燃狀態(tài)，汽油雙噴可以使發(fā)動機更加容易獲得較大的動力輸出，但是ISFC 會大幅度上升。而將進氣道所使用的燃料換成甲醇后，過量空氣系數(shù)減小后轉(zhuǎn)矩的增幅相比于汽油雙噴有所下降[20]。在大負荷工況下，進氣道噴射的乙醇能極大程度地改善發(fā)動機的抗爆性能，結(jié)合對發(fā)動機控制參數(shù)的優(yōu)化能夠提高燃燒熱效率同時能夠在一定程度上降低發(fā)動機的氣體排放[21-22]。從以上分析可以看出，高辛烷值燃料配合汽油作為低辛烷值燃料的燃燒組合可以對汽油機的熱效率和排放有所提升，但是燃料的能量密度和熱效率最大化之間存在trade-off 關(guān)系。兩種不同的醇類燃料對比，甲醇相比乙醇作為高辛烷值燃料可以獲得更高的熱效率[23]。為了克服兩種燃料實時組合在實際使用中需要攜帶兩套供油系統(tǒng)的不便，通過在線分離系統(tǒng)對乙醇汽油進行物理分離得到兩種不同辛烷值的燃料，進而通過雙噴射系統(tǒng)實時調(diào)控兩種燃料的噴射比例達到對進入氣缸內(nèi)燃料辛烷值的調(diào)控[24]。

作者前期基于雙噴射在直噴式汽油機上的應(yīng)用做了大量的實驗并積累大量的經(jīng)驗。在前期的實驗中發(fā)現(xiàn)，雙噴射技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和負荷的冷啟動工況下獲得遠優(yōu)于單純直噴或者進氣道噴射的顆粒物排放[25]。同時因為冷啟動中對點火時刻的特殊性要求，低水溫條件下不同點火時刻對顆粒物的影響也同樣被研究[26]。在穩(wěn)態(tài)工況下，不同控制參數(shù)對于顆粒物排放的影響也進行了詳細的研究[27-28]。本文便是基于以上的研究基礎(chǔ)，使用基于國六標(biāo)準(zhǔn)的不同辛烷值燃料，研究不同燃料組合對發(fā)動機燃燒和排放的影響。

1 臺架設(shè)備及試驗流程

1.1 臺架設(shè)備

實驗所用的是一臺2.0L 直噴增壓汽油機，發(fā)動機參數(shù)如表1 所示。在原機進氣管的基礎(chǔ)上，為了滿足進氣道噴射而設(shè)計相應(yīng)的進氣歧管和低壓噴射系統(tǒng)。進氣道噴油嘴安裝方向滿足油束與進氣閥的匹配，低壓油軌帶有隔膜調(diào)壓閥以保證噴油嘴前后端的壓力差穩(wěn)定。為保證燃料噴射比例的準(zhǔn)確性，實驗進行前進氣道噴嘴和直噴噴嘴均進行流量特性標(biāo)定?；赑i Innovo 快速原型ECU 根據(jù)雙噴射發(fā)動機的實際需求編寫相應(yīng)的控制程序。雙噴射發(fā)動機試驗臺架原理示意圖如圖1 所示。

圖1 發(fā)動機臺架組成示意圖

表1 發(fā)動機參數(shù)

1.2 試驗流程

實驗中所使用的兩種不同辛烷值燃料的物理化學(xué)參數(shù)如表2 所示，所選取工況如表3 所示。為保證試驗規(guī)律的有效性，分別選取三個負荷進行研究。試驗過程中水溫均維持在90 ℃。直噴時刻選取290°CA BTDC，進氣道噴射時刻選取350°CA BTDC，基于前期研究得到的規(guī)律噴射正時選取最佳點，點火正時的選取基于原機數(shù)據(jù)。低辛烷值燃料比例（R_60）表示每循環(huán)低辛烷值燃料通過直噴進入氣缸內(nèi)燃料占總噴射燃料的質(zhì)量比，低辛烷值燃料比例從0%開始以20%為間隔增加至100%，以研究不同辛烷值燃料比例下發(fā)動機燃燒及排放的變化。

表2 燃料物化特性

表3 測試工況

實驗過程中使用兩臺瞬態(tài)油耗儀分別測量進氣道噴射系統(tǒng)和直噴系統(tǒng)的燃料流量，并根據(jù)燃料的低熱值換算成92 號汽油以對比其油耗。使用Horiba MEXA-7500DEGR 測量三元催化前的氣體排放。使用DMS500 快速顆粒物測量儀測量發(fā)動機的顆粒物粒徑分布及其它顆粒物排放數(shù)據(jù)。缸壓傳感器為奇石樂6125C，燃燒分析儀為奇石樂KiBox。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 低辛烷值燃料比例對燃燒的影響

圖2 為不同低辛烷值燃料比例在不同負荷下對缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率的影響，圖3 為相應(yīng)的燃燒相位和燃燒持續(xù)期。圖中所示急燃期為CA50-CA10，而后燃期為CA90-CA50。從試驗結(jié)果可以看出，缸內(nèi)燃料整體辛烷值對燃燒的影響會隨著負荷的增加逐漸變大。BMEP=200 kPa 時，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率均非常接近，當(dāng)?shù)托镣橹等剂媳壤^50%后缸壓和放熱率才有較大的變化。該負荷下，整體的噴油量相對較小，燃料特性對燃燒相位和燃燒持續(xù)期的影響較弱。隨著負荷變大，噴油量逐漸增加，低辛烷值燃料的燃料特性對燃燒的影響也更加明顯。

圖3 不同低辛烷值燃料比例在不同負荷下對燃燒相位和燃燒持續(xù)期的影響

對比92 號汽油和60 號汽油兩種燃料的理化性質(zhì)可知，低辛烷值燃料擁有更好的著火特性會顯著減少滯燃期，使得缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值相位向上止點靠近，導(dǎo)致峰值缸壓和放熱率隨直噴比例的增加而增加。從燃燒相位可以看出，BMEP=400 kPa 時，隨著低辛烷值燃料比例的減少，CA10 逐漸延遲同時燃燒持續(xù)期逐漸增加。在低辛烷值燃料比例達到100%時，放熱率曲線出現(xiàn)了兩個峰值。該工況下，低辛烷值燃料通過直噴噴射系統(tǒng)直接進入氣缸內(nèi)燃燒，燃燒后期同時出現(xiàn)多點燃燒，出現(xiàn)了類似于壓燃的雙峰放熱波形，因此低辛烷值燃料的加入能夠有效地改善發(fā)動機燃燒模式。

不同直噴比例下缸內(nèi)混合氣的不同狀態(tài)對發(fā)動機燃燒產(chǎn)生了顯著影響，對比不同負荷下的燃燒和放熱率曲線可以看出，兩種燃料比例接近時，缸壓和放熱率曲線極為接近（例如低辛烷值燃料比例為40%和60%）。當(dāng)?shù)托镣橹等剂媳壤^小時，高辛烷值燃料在進氣道內(nèi)已經(jīng)與空氣形成均勻混合氣，進入氣缸后能快速將小比例的低辛烷值燃料充分融合進混合氣中。小比例的低辛烷值燃料對缸內(nèi)混合氣整體狀態(tài)影響不大，因此小比例低辛烷值燃料的燃燒較為接近。同理，低辛烷值燃料比例較為接近時，混合氣狀態(tài)也較為接近導(dǎo)致燃燒狀況也較為接近。而低辛烷值燃料比例增加后，由于低辛烷值燃料蒸發(fā)較慢的特性使混合氣內(nèi)形成不同濃度的兩種混合氣。在低辛烷燃料比例高于高辛烷值燃料時，燃燒火焰從主要在高辛烷值燃料里傳播過渡到主要在低辛烷值燃料燃燒，導(dǎo)致了燃料比例對燃燒的影響更加靈敏[29-31]?？傮w上來看，低辛烷值燃料比例的增加會使缸內(nèi)峰值壓力及峰值放熱率提高，峰值對應(yīng)燃燒相位相應(yīng)提前，且這種變化并不是隨著低辛烷值燃料比例線性變化的。

2.2 低辛烷值燃料比例對油耗和氣體排放的影響

圖4 為不同低辛烷值燃料比例在不同負荷下對油耗和氣體排放的影響。從實驗結(jié)果可以看出，在實驗負荷范圍內(nèi)，92 號汽油在進氣道噴射模式下的油耗與原機92 號汽油缸內(nèi)直噴時保持一致，實驗所對應(yīng)的負荷較小，噴射脈寬均較短，因此直噴與進氣道噴射在油耗上區(qū)別不大。而從60 號汽油缸內(nèi)直噴與原機92 號汽油缸內(nèi)直噴油耗的比較可以看出，因為低辛烷值燃料良好的著火特性使其擁有更低的油耗率。兩種燃料的配合可以獲得更好的燃油經(jīng)濟性，其中BMEP=200 kPa 時油耗最低點為R_60=60%，相比于原機92 號汽油缸內(nèi)直噴的油耗下降4.81%，其他負荷的最低油耗點均在R_60=80%，相比于原機分別下降4.88%和2.23%?？梢?，兩種燃料的配合使用能夠結(jié)合低辛烷值燃料熱值較低同時易于點燃和高辛烷值燃料燃燒速度較快的燃料特性，通過大比例低辛烷值燃料的應(yīng)用而達到降低油耗的作用。

圖4 不同低辛烷值燃料比例在不同負荷下對油耗和氣體排放的影響

對于當(dāng)量比燃燒而言，三元催化對于氣體排放有非常高的轉(zhuǎn)換效率，因此為避免三元催化對氣體排放的影響所討論的氣體排放均為三元催化前。THC 排放隨著低辛烷值燃料比例的增加先減少后增加。CO 排放在低辛烷值燃料比例較小時基本不隨低辛烷值燃料比例的變化而變化，在低辛烷值燃料超過50%后會隨著低辛烷值燃料比例的增加而增加。NOx排放會隨低辛烷值燃料比例的增加而緩慢上升，這是因為隨著低辛烷值燃料的比例逐漸增大，燃料整體活性上升燃燒速度較快，缸內(nèi)溫度隨之上升，進而導(dǎo)致NOx排放的上升。

2.3 低辛烷值燃料比例對顆粒物排放的影響

汽油機顆粒物按照粒徑可以分為核膜態(tài)和積聚態(tài)兩種主要模態(tài)，一般認為核膜態(tài)顆粒物主要是燃燒中間產(chǎn)物成核后所形成的顆粒物，粒徑分布在5～30 nm；而積聚態(tài)顆粒物是燃燒中間產(chǎn)物吸附硫酸鹽等產(chǎn)物后積聚而成，粒徑分布在30～1 000 nm[32-34]。顆粒物在生成過程中受到燃燒過程和燃料蒸發(fā)過程的極大影響，同時燃料的物理化學(xué)特性也會顯著影響到顆粒物的排放。實驗經(jīng)驗表明，當(dāng)顆粒物數(shù)量降低到105 以下后，PN 和PM 僅具有參考意義而GMD和模態(tài)比例則無法反映真實情況，而BMEP=200 kPa 和300kPa 中R_60=20%和0%所測量到的顆粒物均小于此限制，因此在討論模態(tài)比例和GMD 時僅討論其他比例（即紅色虛線框內(nèi)）下對應(yīng)的規(guī)律。

圖5 為不同負荷下，不同燃料辛烷值比例對顆粒物排放粒徑分布的影響，圖6 為相應(yīng)顆粒物數(shù)量和模態(tài)占比的變化，圖7 為相應(yīng)的顆粒物質(zhì)量與平均直徑的變化。從實驗結(jié)果中能夠看出，在不同負荷下低辛烷值燃料比例降低至50%以下后，顆粒物排放會有非常大幅度的降低。不同負荷下顆粒物數(shù)量降低的最大幅度分別為99.96%、99.65%和98.87%。對顆粒物生成產(chǎn)生影響的主要有兩個因素，一是不同燃料屬性對燃燒產(chǎn)生影響進而影響顆粒物的生成過程，另外是燃料在活塞頂部以及氣缸壁內(nèi)所形成油膜的蒸發(fā)速度。進氣歧管內(nèi)，燃油被噴射到進氣閥座上，高溫的進氣閥加速燃油的蒸發(fā)過程使其與空氣均勻混合，因此歧管噴射對顆粒物排放的影響較弱。不同負荷下隨著低辛烷值燃料比例的降低，顆粒物總數(shù)大幅度降低，同時核膜態(tài)顆粒物在顆粒物中所占比例逐漸提高。低辛烷值燃料比例的下降會使氣缸內(nèi)部油膜的厚度降低，油氣混合更加均勻，燃燒更加充分，燃燒中間產(chǎn)物大幅減少，因此顆粒物數(shù)量隨著油膜蒸發(fā)質(zhì)量的變好而大幅度降低。

圖5 不同低辛烷值燃料比例在不同負荷下對顆粒物排放粒徑分布的影響

圖6 不同低辛烷值燃料比例在不同負荷下對顆粒物總數(shù)和模態(tài)占比的影響

圖7 不同低辛烷值燃料比例在不同負荷下對顆粒物平均直徑和顆粒物質(zhì)量的影響

從模態(tài)占比的變化規(guī)律可以看出，在不同負荷下隨著低辛烷值燃料比例的減少，積聚態(tài)顆粒物在顆粒物總數(shù)中的比例逐漸減少。同時燃燒持續(xù)期的縮短抑制了積聚態(tài)顆粒物的生成過程，積聚態(tài)顆粒物比例下降。積聚態(tài)顆粒物比例隨低辛烷值燃料比例的變化趨勢與CO 排放的變化趨勢基本保持一致。CO 排放和積聚態(tài)顆粒物均來源于燃燒的中間產(chǎn)物，所以兩者的變化規(guī)律有很大的相關(guān)性。顆粒物的GMD 受到積聚態(tài)顆粒物的影響較大，因此在不同負荷下顆粒物GMD 的變化規(guī)律與積聚態(tài)比例的變化規(guī)律保持一致。而顆粒物質(zhì)量是核膜態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物在宏觀上的表現(xiàn)，因此PM 的變化規(guī)律與PN 保持一致。

3 結(jié)論

1）隨著負荷的增加，燃料辛烷值的變化對燃燒的影響逐漸變大。低負荷下，整體的噴油量相對較小，因此燃料特性對燃燒影響較低，而隨著低辛烷值燃料逐漸增加，低辛烷值燃料特性對燃燒的影響也更加明顯?？傮w上來看，低辛烷值燃料比例的增加會使缸內(nèi)峰值壓力及峰值放熱率提高且峰值對應(yīng)燃燒相位相應(yīng)提前。從缸壓和放熱率曲線來看，這種變化并不是隨著低辛烷值燃料比例而線性變化的，當(dāng)?shù)托镣橹等剂媳壤咏鼤r，燃燒的缸壓和放熱率曲線較為接近。

2）兩種燃料的配合可以獲得更好的燃油經(jīng)濟性，其中BMEP=200 kPa 時油耗最低點相比原機油耗下降4.81%，其它負荷下相比于原機油耗分別下降4.88%和2.23%?？梢?，兩種燃料的配合使用能夠結(jié)合低辛烷值燃料易于點燃和高辛烷值燃料燃燒速度較快的燃料特性，通過大比例低辛烷值燃料的應(yīng)用而達到降低油耗的作用。

3）THC 排放是隨著低辛烷值燃料比例的增加先減少后增加，CO 排放在低辛烷值燃料比例較小時基本保持不變，低辛烷值燃料比例增加至50%以上后隨著低辛烷值燃料比例增加而增加，NOx排放均會隨低辛烷值燃料比例的增加而緩慢上升。

4）在不同負荷下直噴比例達到50%以下后，顆粒物排放均會有非常大幅度的降低，顆粒物數(shù)量的最大降低幅度分別為99.96%、99.65%和98.87%。積聚態(tài)顆粒物比例隨低辛烷值燃料比例的變化趨勢與CO 排放的變化趨勢基本保持一致。顆粒物的GMD受到積聚態(tài)顆粒物的影響較大，因此在不同負荷下顆粒物GMD 的變化規(guī)律與積聚態(tài)比例的變化規(guī)律保持一致。而顆粒物質(zhì)量是核膜態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物在宏觀上的表現(xiàn)，因此PM 的變化規(guī)律與PN保持一致。

5）缸內(nèi)燃燒因燃料的辛烷值不同而有差異進而影響到油耗和氣體排放，而顆粒物排放受油氣蒸發(fā)過程的影響更大，因此在基于不同辛烷值燃料實時配比而改善油耗的同時需要進一步優(yōu)化缸內(nèi)油氣蒸發(fā)質(zhì)量。