進(jìn)氣壓力、預(yù)混比和噴油定時(shí)對(duì)低負(fù)荷活性控制壓燃燃燒與排放特性的影響

韓偉強(qiáng)，唐國(guó)強(qiáng)，汪 欣，羅 強(qiáng)，陸遠(yuǎn)國(guó)

(1.汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西華大學(xué))，四川 成都 610039；2.四川省南充市生態(tài)環(huán)境局，四川 南充 637000；3.四川啟涅科技有限公司，四川 廣元 628000)

NOx會(huì)導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧等污染，顆粒物是導(dǎo)致霧霾天氣的主要原因，二者對(duì)大氣環(huán)境造成的污染已不容忽視.柴油機(jī)的大量使用是產(chǎn)生NOx和顆粒物最主要的來源之一，通過改善柴油機(jī)的排放來減少環(huán)境污染是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域一個(gè)極為重要的議題.而內(nèi)燃機(jī)的排放主要取決于缸內(nèi)燃料的燃燒過程等.近年來，廢氣再循環(huán)(exhaust gas recalculation，EGR)、噴油策略、燃料優(yōu)化和新型燃燒模式等技術(shù)的提出和發(fā)展使得內(nèi)燃機(jī)減排方式趨向多元化[1-5].其中，新型燃燒模式在高效燃燒和清潔排放上潛力巨大，如均質(zhì)充量壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)已被證明能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)NOx和顆粒物的近零排放[6-9].然而，HCCI主要受化學(xué)動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)，存在著火時(shí)刻和燃燒速率難以控制等問題，并且不能擴(kuò)展到高負(fù)荷工況.隨著研究的不斷深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)HCCI在不同負(fù)荷下工作時(shí)，所需的最佳總?cè)剂戏磻?yīng)性是不同的[10-12].當(dāng)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷(如平均有效壓力<200 kPa)下工作時(shí)，可使用具有良好自燃性的柴油(十六烷值約45)來改善燃燒；當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，可以通過降低總?cè)剂戏磻?yīng)性(十六烷值約27)來減緩化學(xué)反應(yīng)速度，從而將HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力擴(kuò)展到1.6 MPa[13-14].基于此，Kokjohn等[15]提出了一種新的燃燒模式——活性控制壓燃(reactivity controlled compression ignition，RCCI).這種燃燒模式通過進(jìn)氣道噴射低活性燃料和缸內(nèi)直噴高活性燃料的方式能夠?qū)崿F(xiàn)混合氣溫度、當(dāng)量比和活性的分層，從而實(shí)現(xiàn)著火時(shí)刻和燃燒速率的控制，在拓展負(fù)荷工況的范圍上更具潛力[16-19].此外，由于其獨(dú)特的燃燒組織形式，RCCI模式下的缸內(nèi)混合氣溫度、當(dāng)量比及活性的分布和分層是影響和改變?nèi)紵^程和尾氣排放的根本原因[20-22].

大量研究表明，缸內(nèi)混合氣的分布和分層受噴油定時(shí)(start of injection，SOI)、進(jìn)氣壓力(inlet pressure，IP)和預(yù)混比(premixing ratio，PR)的影響很大.Benajes等[23]在柴油機(jī)上對(duì)汽油/柴油RCCI的試驗(yàn)和仿真研究發(fā)現(xiàn)，增加PR會(huì)降低整體反應(yīng)活性，導(dǎo)致滯燃期減小，混合氣分層得到改善，從而降低顆粒物排放.Ma等[24]在一臺(tái)改進(jìn)過的單缸柴油機(jī)上研究了噴油策略對(duì)燃燒和排放的影響，結(jié)果表明，在RCCI燃燒模式中，采用較高的PR可以實(shí)現(xiàn)NOx和顆粒物的超低排放，且噴油策略和SOI共同影響混合氣的活性分層和當(dāng)量比分層.金超等[25]對(duì)柴油機(jī)的仿真研究發(fā)現(xiàn)，IP有助于混合氣的分層，通過對(duì)縮口直噴燃燒室內(nèi)氣流特性、軌壓和IP的優(yōu)化匹配，可以有效地控制滯燃期、預(yù)混合燃燒比例和擴(kuò)散燃燒過程，有效地降低NOx和顆粒物的排放.在RCCI燃燒模式中，陳楨皓等[26]在一臺(tái)單缸柴油機(jī)上研究了IP對(duì)柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，結(jié)果表明：隨著IP的增加，柴油噴入氣缸內(nèi)的溫度和壓力增大，柴油燃燒更充分，導(dǎo)致滯燃期減小，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)；此外，NOx排放降低，但碳?xì)浠衔?hydrocarbon,HC)與CO排放有所增加.韓偉強(qiáng)等[20]在一臺(tái)改裝過的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)下研究了SOI對(duì)乙醇/柴油RCCI燃燒和排放的影響，結(jié)果表明：隨著SOI的提前，燃料混合時(shí)間變長(zhǎng)，缸內(nèi)混合氣活性和當(dāng)量比梯度減小，滯燃期增大；隨著SOI進(jìn)一步提前，缸內(nèi)局部高活性區(qū)域減少，燃燒速度緩慢，局部高溫區(qū)域減少，導(dǎo)致NOx排放降低.Kokjohn等[27]在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上結(jié)合缸內(nèi)平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)混合氣進(jìn)行研究，結(jié)果表明在RCCI模式中，點(diǎn)火延遲和放熱率主要由活性和當(dāng)量比的分層共同決定：過早的SOI將導(dǎo)致分層不足，而太晚的SOI可能導(dǎo)致分層過度，不充分或過量的分層將會(huì)導(dǎo)致過高的放熱率和壓力升高率.

目前，學(xué)者們針對(duì)SOI、IP或PR等單一因素對(duì)RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響展開了研究，但多因素對(duì)RCCI燃燒和排放的共同影響卻少有涉及.事實(shí)上，多因素共同研究是提出最優(yōu)燃燒控制策略的基礎(chǔ).而目前針對(duì)低溫燃燒(low temperature combustion，LTC)、HCCI和預(yù)混充量壓然(premixed charge compressed ignition,PCCI)等燃燒方式的多因素共同作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的綜合影響研究較多.但值得注意的是，RCCI燃燒模式從本質(zhì)上不同于上述燃燒模式，其高效清潔燃燒的本質(zhì)是燃燒從單純的多點(diǎn)自燃轉(zhuǎn)變?yōu)榛鹧鎮(zhèn)鞑ヅc自燃共存[28].傳統(tǒng)燃燒模式和LTC模式只存在溫度和當(dāng)量比2種分層；而RCCI燃燒模式存在溫度、當(dāng)量比和活性3種分層，其中活性分層是影響RCCI燃燒的最主要因素.這就可能使得SOI、IP和PR的共同作用對(duì)RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響與其他燃燒方式有所不同.因此，本文基于一臺(tái)改裝的六缸重型柴油機(jī)，研究了不同SOI、IP和PR對(duì)低負(fù)荷汽油/柴油RCCI燃燒和排放特性的共同影響，旨在豐富SOI、IP和PR的共同作用對(duì)低負(fù)荷RCCI燃燒和排放的認(rèn)識(shí)，為探索RCCI低負(fù)荷區(qū)域的最優(yōu)燃燒控制策略提供數(shù)據(jù)支撐.

1 設(shè)備及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)一臺(tái)六缸四沖程渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)行改造以滿足RCCI燃燒模式的實(shí)驗(yàn)要求，該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為17.5，排量為8.484 L.RCCI的燃料系統(tǒng)提供兩種活性不同的燃料，高活性(高十六烷值)燃料柴油通過缸內(nèi)直噴提供，而低活性(高辛烷值)燃料汽油則經(jīng)進(jìn)氣道噴射提供.兩種燃料的理化特性如表1所示.因此，為了實(shí)現(xiàn)RCCI燃燒，在原發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管上增加了一套燃料供給系統(tǒng)，使得汽油可以通過進(jìn)氣道噴射進(jìn)入氣缸參與燃燒，其噴射壓力和噴射時(shí)刻分別為500 kPa和-360° CA ATDC(上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角)，噴射脈寬由電子控制單元(electronic control unit，ECU)控制.

表1 燃料性質(zhì)Tab.1 Fuel properties

圖1為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的示意圖.使用電渦流測(cè)功機(jī)DW630對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行控制；缸壓數(shù)據(jù)通過壓電式壓力傳感器Kistler 6125C進(jìn)行測(cè)量，并經(jīng)電荷放大器Kistler 5011B放大后由采集卡NI-USB 6353實(shí)時(shí)采集，最后經(jīng)由LabVIEW編寫的離線燃燒分析系統(tǒng)計(jì)算出放熱率和缸壓等燃燒參數(shù).

實(shí)驗(yàn)所得的排放數(shù)據(jù)主要通過兩臺(tái)設(shè)備測(cè)量與分析，其中Horiba-MEXA7100DEGR主要測(cè)量分析常規(guī)氣體排放，包括HC、CO、NOx等，設(shè)備的精度范圍為±1.0%；Cambustion DMS 500 Mk Ⅱ主要測(cè)量分析顆粒物的粒徑分布，設(shè)備的精度范圍為±3.0%.兩臺(tái)設(shè)備都安裝在排氣口附近的尾氣取樣處，如圖1所示.

1.溫度壓力信號(hào)；2.采集卡；3.電腦；4.電動(dòng)機(jī)；5.壓縮機(jī)； 6.空氣流量計(jì)；7.空氣濾清器；8.高壓共軌；9.增壓器；10.顆粒 物分析儀；11.渦輪機(jī)；12.氣體分析儀；13.柴油油箱；14.油耗儀； 15.柴油濾清器；16.缸壓傳感器；17.汽油濾清器；18.汽油油箱； 19.背壓控制閥；20.空氣中冷器；21.汽油油軌；22.進(jìn)氣道 噴油器；23.電渦流測(cè)功機(jī)；24.ECU；25.電荷放大器.圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic of test platform

Horiba-MEXA7100DEGR檢測(cè)結(jié)果為氣體排放的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，HC、NOx、CO的質(zhì)量排放量分別由式(1)～(3)求得[29]：

Me(HC)=4.79×10-4×φwet(HC)×

GEXHW/P，

(1)

Me(NOx)=1.587×10-3×φwet(NOx)×

GEXHW/P，

(2)

Me(CO)=9.66×10-4×φwet(CO)×GEXHW/P.

(3)

式中：Me(HC)、Me(NOx)、Me(CO)分別表示HC、NOx、CO的校正排放濃度，g/(kW·h)；φwet(HC)、φwet(NOx)、φwet(CO)分別表示HC、NOx、CO的濕基排放濃度，10-6；GEXHW表示發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的平均分子質(zhì)量流量，g/h；P表示發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，kW.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)如表2所示，本研究的實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min下運(yùn)行，每次循環(huán)輸入氣缸的總能量為1 700 J.實(shí)驗(yàn)過程中，冷卻水溫與機(jī)油溫度分別保持在(80±1) ℃和(85±1) ℃.為研究不同SOI、IP和RP對(duì)RCCI柴油機(jī)燃燒和排放特性的共同影響，設(shè)置SOI為-8°～-20° CA ATDC，其中，選取兩種IP和PR進(jìn)行對(duì)比和分析，IP分別為125和135 kPa，而PR分別為40%和65%.PR定義為進(jìn)氣道噴射的低活性燃料即汽油所含的能量占每循環(huán)總輸入能量的比例，如式(4)所示：

(4)

式中：m1為進(jìn)氣道噴射燃料汽油的質(zhì)量流量，kg/h；Q1為汽油的低熱值，MJ/kg；m2為缸內(nèi)直噴燃料柴油的質(zhì)量流量，kg/h；Q2為缸內(nèi)直噴柴油的低熱值，MJ/kg.

表2 實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)Tab.2 Control parameters of test

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)燃燒特性的影響

在RCCI燃燒過程中，當(dāng)缸內(nèi)未達(dá)到汽油開始自燃的條件時(shí)，SOI會(huì)影響柴油噴入氣缸時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力，從而影響達(dá)到符合著火條件(當(dāng)量比、溫度和壓力)所需的時(shí)間.而IP和PR同樣會(huì)對(duì)缸內(nèi)的整體當(dāng)量比、溫度和壓力造成影響，從而改變?nèi)紵^程.

圖2為RCCI燃燒過程，可以看出，由于特殊的燃料供給方式，汽油/柴油RCCI的高溫放熱主要由兩個(gè)階段組成：第一階段主要是包括大部分柴油的預(yù)混燃燒和少量汽油的燃燒，這一階段釋放了大量的熱量，是RCCI燃燒的主要放熱階段；第二階段主要是由少量柴油的擴(kuò)散燃燒和大部分汽油的預(yù)混燃燒組成.滯燃期是累積放熱率為10%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，其對(duì)放熱率和缸壓等有重要影響.缸壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性和噪聲等有直接影響，研究缸壓峰值可以在一定程度上反映缸內(nèi)燃燒情況.因此，下文將分別分析SOI、IP和PR對(duì)RCCI放熱過程、燃燒滯燃期及缸壓峰值的影響規(guī)律.

圖2 RCCI燃燒過程 Fig.2 RCCI combustion process

圖3顯示了SOI、IP和PR對(duì)放熱過程和滯燃期的影響，其中，SOI、IP和PR對(duì)第一階段放熱率峰值的影響如圖3(a)所示，可以看出：隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值逐漸增加，這是因?yàn)殡S著SOI的提前，缸內(nèi)滯燃期增大(圖3(e))，導(dǎo)致缸內(nèi)燃料與空氣混合時(shí)間變長(zhǎng)，活性梯度下降，柴油局部當(dāng)量比降低，著火所需環(huán)境溫度增加，從而使混合氣燃燒更加劇烈.IP的增大會(huì)使第一階段放熱率峰值小幅下降，對(duì)其影響程度在較小PR條件下更大，并且還會(huì)導(dǎo)致滯燃期減小.增大PR不會(huì)改變IP對(duì)滯燃期的影響規(guī)律，但會(huì)改變IP對(duì)滯燃期的影響程度，特別是在SOI靠近上止點(diǎn)時(shí)，如：在PR=40%時(shí)，IP對(duì)滯燃期的影響程度隨SOI的推遲而減弱；而在PR=65%時(shí)，IP對(duì)滯燃期的影響程度隨SOI的推遲而增強(qiáng).PR增大后，第一階段放熱率峰值減小，這主要是因?yàn)镻R的增大降低了柴油擴(kuò)散燃燒比例，缸內(nèi)燃燒變得緩和.而PR對(duì)滯燃期的影響稍顯復(fù)雜：在SOI=-20°～-12° CA ATDC時(shí)，PR對(duì)滯燃期幾乎沒有影響.在SOI=-12°～-8° CA ATDC、IP=125 kPa時(shí)，增大PR后滯燃期增大；而在IP=135 kPa時(shí)，PR的增大反而使滯燃期減小.

SOI、IP和PR對(duì)第一階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位的影響如圖3(b)所示，可以看出：第一階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位主要受SOI的影響，隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位不斷提前，這是因?yàn)闇计谠龃螅紵油耆?，在較早的曲軸轉(zhuǎn)角下完成燃燒放熱，使得燃燒重心提前；PR和IP的改變不影響第一階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位隨SOI的變化規(guī)律.

SOI、IP和PR對(duì)第二階段放熱率峰值的影響如圖3(c)所示，可以看出：在PR=40%時(shí)，隨著SOI的提前第二階段放熱率峰值逐漸降低，而IP的增加對(duì)第二階段放熱率峰值影響較?。欢赑R=65%時(shí)，隨著SOI的提前第二階段放熱率峰值先增加后小幅降低，而IP的增加明顯使放熱率峰值大幅降低.PR增大后，第二階段放熱率峰值增加，且對(duì)第二階段放熱率峰值的影響程度隨SOI的提前逐漸增強(qiáng)，這主要是因?yàn)镻R的增大提高了預(yù)混燃燒的比例，而第二階段的放熱率又主要是由大部分汽油燃燒所致.而隨著SOI的進(jìn)一步提前，PR對(duì)第二階段放熱率峰值的影響程度不斷增強(qiáng)，這可能是SOI與PR共同作用的結(jié)果.

SOI、IP和PR對(duì)第二階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位的影響如圖3(d)所示，可以看出：與第一階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位相似，第二階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位也主要受SOI的影響，隨著SOI的提前第二階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位逐漸提前，原因與第一階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位的一致.同樣地，PR和IP的改變也不影響第二階段放熱率峰值所對(duì)應(yīng)相位隨SOI的變化規(guī)律.

(a)和(b)分別為第一階段放熱率峰值及其對(duì)應(yīng)相位；(c)和(d)分別為第二階段放熱率峰值及其對(duì)應(yīng)相位；(e)為滯燃期.圖3 SOI、IP和PR對(duì)放熱過程和滯燃期的影響Fig.3 Effects of SOI,IP and PR on heat release process and ignition delay

SOI、IP和PR對(duì)缸壓峰值的影響如圖4(a)所示，可以看出：隨著SOI的提前缸壓峰值逐漸增加，這是因?yàn)殡S著SOI的提前，第一階段放熱率峰值不斷增加(圖3(a))，這一階段釋放了大量熱量，缸壓峰值隨之增大.IP的增大使缸壓峰值增加，且在較小PR條件下，IP對(duì)缸壓峰值的影響程度更大.例如，在SOI=-20° CA ATDC、PR=65%時(shí)，IP的增加使缸壓峰值從8.77 MPa增加到9.00 MPa，增加了0.23 MPa；而在PR=40%時(shí)，增大IP后，缸壓峰值從8.92 MPa增加到9.52 MPa，增加了0.60 MPa.PR增大使缸壓峰值降低，這是因?yàn)镻R的增加降低了柴油燃燒比例，第一階段放熱率峰值減小(圖3(a))，缸壓峰值隨之降低.

圖4 SOI、IP、PR對(duì)缸壓峰值(a)、最大累積放熱量(b)、缸內(nèi)平均溫度峰值(c)、壓力升高率峰值(d)和有效熱效率(e)的影響Fig.4 Effects of SOI、IP、PR on peak cylinder pressure (a),maximum cumulative heat release (b),average temperature peak in cylinder (c),peak pressure rise rate (d) and effective thermal efficiency (e)

SOI、IP和PR對(duì)最大累積放熱量的影響如圖4(b)所示.最大累計(jì)放熱量為放熱率與曲軸轉(zhuǎn)角的積分，能在一定程度上反映缸內(nèi)燃燒基本情況.可以看出：隨著SOI的提前，最大累積放熱量逐漸增加，這是因?yàn)殡S著SOI的提前，第一階段放熱率峰值不斷增加(圖3(a))，這一階段釋放了大量熱量.在不同PR條件下，IP對(duì)最大累積放熱量的影響規(guī)律不同：在PR=40%時(shí)，IP增大使最大累積放熱量增加；而PR=65%時(shí)，IP增大反而使最大累積放熱量減少，且減少幅度隨SOI的提前逐漸增大.PR增大使最大累積放熱量減少，IP和PR的變化不改變最大累積放熱量隨SOI的變化規(guī)律，但I(xiàn)P的增大會(huì)使PR對(duì)最大累積放熱量的影響程度增強(qiáng).例如：在SOI=-12° CA ATDC、IP=125 kPa時(shí)，PR的增大使最大累積放熱量從1 290.50 J減少到1 251.31 J，減少了39.19 J；而在IP=135 kPa時(shí)，PR增加使最大累積放熱量從1 353.09 J減少到1 248.69 J，減少量高達(dá)104.40 J.

SOI、IP和PR對(duì)缸內(nèi)平均溫度峰值的影響如圖4(c)所示.缸內(nèi)平均溫度峰值可以在一定程度上反映缸內(nèi)溫度的高低，其對(duì)NOx與顆粒物的生成有直接關(guān)系.可以看出：缸內(nèi)平均溫度峰值隨著SOI的提前而增加，這是因?yàn)殡S著SOI的提前，著火延遲增加，缸內(nèi)混合氣更加均勻，柴油與空氣的充分混合提高了預(yù)混燃燒比例，從而提高了燃燒速率，最終導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度增加.IP的增大使缸內(nèi)平均溫度峰值減小，增大PR不會(huì)改變缸內(nèi)平均溫度峰值隨IP的變化規(guī)律，但會(huì)使IP對(duì)缸內(nèi)平均溫度峰值的影響程度增強(qiáng).以SOI=-20° CA ATDC為例，在PR=40%時(shí)，IP增大使缸內(nèi)平均溫度峰值從1 535.73 K減小到1 460.20 K，減小了75.53 K；而在PR=65%時(shí)，缸內(nèi)平均溫度峰值從1 547.95 K減小到1 426.62 K，減小了121.33 K.在不同IP和SOI條件下，PR對(duì)缸內(nèi)平均溫度峰值的影響表現(xiàn)出不同的規(guī)律：在IP=125 kPa時(shí)，PR增大使缸內(nèi)平均溫度峰值增大；而在IP=135 kPa時(shí)，PR增大反而使缸內(nèi)平均溫度峰值減小.

圖5 SOI、IP和PR對(duì)氣體排放特性的影響Fig.5 Effects of SOI,IP and PR on gas emission characteristics

SOI、IP和PR對(duì)壓力升高率峰值的影響如圖4(d)所示.壓力升高率峰值反映了缸內(nèi)壓力的變化速率，對(duì)缸內(nèi)燃燒性能、噪聲和油耗等有較大影響.可以看出：壓力升高率峰值隨著SOI的提前而增大，這是因?yàn)殡S著SOI的提前，缸內(nèi)混合氣混合更加均勻，燃燒相位提前，導(dǎo)致更多熱量集中在上止點(diǎn)前釋放，壓力升高率峰值陡增.IP的增大使壓力升高率峰值降低，PR增大不改變IP對(duì)壓力升高率峰值的影響規(guī)律，但在較小PR條件下，IP對(duì)壓力升高率峰值的影響程度更強(qiáng).例如：在SOI=-15° CA ATDC、PR=40%時(shí)，增大IP后，壓力升高率峰值從0.89 MPa/(° CA)減小到0.86 MPa/(° CA)，減小了0.03 MPa/(° CA)；而在PR=65%時(shí)，IP的增大使壓力升高率峰值從0.70 MPa/(° CA)減小到0.69 MPa/(° CA)，僅減小0.01 MPa/(° CA).PR增大使壓力升高率峰值降低，這主要是因?yàn)镻R的增大降低了柴油預(yù)混燃燒部分，第一階段放熱率大幅減少(圖3(a))，燃燒變得緩和，從而降低了壓力升高率峰值.

SOI、IP和PR對(duì)有效熱效率的影響如圖4(e)所示，可以看出：隨著SOI的提前有效熱效率先緩慢增加后減小.例如：在IP=125 kPa、PR=40%、SOI=-12°～-8° CA ATDC時(shí)，有效熱效率從23.81%增加到24.28%；而在SOI=-20°～-12° CA ATDC時(shí)，有效熱效率從24.28%減小到22.77%.IP的增加對(duì)有效熱效率基本無影響；而PR增大使有效熱效率顯著降低.這是因?yàn)樵谛∝?fù)荷RCCI下，混合氣的著火模式為柴油引燃汽油，PR增大后，一方面混合氣中汽油增加，柴油減少，汽油搶奪由柴油產(chǎn)生的自由基能力增強(qiáng)，導(dǎo)致滯燃期增大(圖3(e))；另一方面，較少的柴油導(dǎo)致混合氣著火點(diǎn)減少，進(jìn)而引起第一放熱率峰值下降(圖3(a))，而第二放熱率峰值增加(圖3(c))，導(dǎo)致集中放熱程度下降，有效熱效率降低[30-31].

2.2 對(duì)排放特性的影響

SOI、IP和PR對(duì)HC排放的影響如圖5(a)所示，可以看出：HC排放整體上隨SOI的提前而降低，這是因?yàn)殡S著SOI的提前，燃料和空氣的混合時(shí)間延長(zhǎng)，柴油被壓燃后大幅度地促進(jìn)了低活性汽油的燃燒，提高了燃燒質(zhì)量，缸內(nèi)燃燒溫度不斷增加(圖4(c))，從而促進(jìn)了HC的氧化.IP的增加整體上使HC排放增加，僅在SOI為-10°～-8° CA ATDC和PR=40%時(shí)，IP的增加使HC排放降低.在不同IP和SOI條件下，PR增大使HC排放大幅度增加，特別是在較晚的SOI條件下，如SOI為-8° CA ATDC時(shí)，PR由40%增加到65%，在兩種IP下HC排放平均增加了12.3 g/(kW·h).雖然隨著SOI的提前，PR的增加使HC的排放增幅減小，但是在兩種IP下PR的增加也導(dǎo)致HC排放平均增加了5.1 g/(kW·h).

SOI、IP和PR對(duì)CO排放的影響如圖5(b)所示，可以看出：隨著SOI的提前，CO排放不斷降低，原因與HC排放一致，PR的增加會(huì)加強(qiáng)SOI對(duì)CO的影響程度，在PR=65%時(shí)，隨著SOI的提前，CO排放平均降低了34.62 g/(kW·h)；而在PR=40%時(shí)，CO排放平均只降低了9.50 g/(kW·h).CO排放隨SOI的變化規(guī)律不隨IP和PR的改變而變化.IP的增大使CO排放增加，這是因?yàn)樵黾覫P后，缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒變得惡劣，不利于后期CO的氧化.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，PR的增加不改變IP對(duì)CO排放的影響規(guī)律，但會(huì)導(dǎo)致IP對(duì)CO排放的影響程度增強(qiáng)，如：在PR=65%時(shí)，IP增加使得CO排放平均增加18.32 g/(kW·h)；而在PR=40%時(shí)，IP增加僅使得CO排放平均增加4.43 g/(kW·h)，約為PR=65%時(shí)的1/4.在不同IP和SOI條件下，PR的增加在整體上使CO排放增加，較大的IP會(huì)加強(qiáng)PR對(duì)CO排放的影響程度，且PR對(duì)CO排放的影響程度會(huì)隨SOI的提前而減弱.

圖6 SOI、IP和PR對(duì)核態(tài)(a)和聚集態(tài)(b)顆粒物的數(shù)量濃度及顆粒物總質(zhì)量濃度(c)的影響Fig.6 Effects of SOI,IP and PR on number concentration of nuclear (a) and aggregate particles (b) and total mass concentration (c)

SOI、IP和PR對(duì)NOx排放的影響如圖5(c)所示，可以看出：NOx排放隨著SOI的提前而增加，這主要是因?yàn)殡S著SOI的提前，缸內(nèi)平均溫度峰值不斷增大(圖4(c))，有利于NOx的生成.其他兩個(gè)因素的變化不改變SOI對(duì)NOx排放的影響規(guī)律.IP對(duì)NOx排放的影響無明顯規(guī)律.在PR=65%和SOI=-20°～-12° CA ATDC時(shí)，IP的增加使NOx排放減少，而在SOI=-8° CA ATDC時(shí)，IP的增加反而使NOx排放增加；在PR=40%時(shí)，IP對(duì)NOx排放幾乎沒有影響.由此可知，PR的增大會(huì)導(dǎo)致IP對(duì)NOx排放的影響程度增強(qiáng).增加PR使NOx排放減少，這主要是因?yàn)镻R的增加降低了柴油含量，減少了擴(kuò)散燃燒比例，抑制了缸內(nèi)局部高溫區(qū)的形成，使得NOx的排放減少.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，PR對(duì)NOx排放的影響程度會(huì)隨SOI的提前先減弱再增強(qiáng)，并且在較小IP時(shí)，這種趨勢(shì)更加明顯.

SOI、IP和PR對(duì)核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的影響如圖6(a)所示，可以看出：核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨SOI提前的變化規(guī)律受到IP和PR的共同影響.在PR=65%時(shí)，隨著SOI的提前，核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度均先減小后略微增大；在PR=40%時(shí)，不同IP條件下SOI對(duì)核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的影響表現(xiàn)出相反的規(guī)律，在IP=125 kPa時(shí)核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨SOI的提前逐漸增大，而在IP=135 kPa時(shí)核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度則隨SOI的提前而減小.在不同PR條件下，IP對(duì)核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的影響隨SOI的提前表現(xiàn)出不同的規(guī)律.在PR=65%時(shí)，隨著SOI的提前，IP的增加對(duì)核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的影響程度不大；而在PR=40%時(shí)，IP增大使核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度增加，且對(duì)其影響程度會(huì)隨SOI的提前逐漸減弱.PR的增加使核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少，這是因?yàn)镻R的增加降低了柴油擴(kuò)散燃燒比例，進(jìn)一步減少了核態(tài)顆粒物的生成.

SOI、IP和PR對(duì)聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的影響如圖6(b)所示，可以看出：聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨SOI提前的變化規(guī)律受到IP和PR的共同影響.在PR=65%、IP=125 kPa時(shí)，隨著SOI的提前，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度逐漸減小；而在IP=135 kPa時(shí)聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度先增加后減小.在PR=40%時(shí)，對(duì)所有的IP，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度均隨SOI的提前先減小后略微增大.IP的增加使聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少，這是因?yàn)樵黾覫P后，缸內(nèi)溫度降低，抑制了聚集態(tài)顆粒物的生成，從而減少了聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度.同時(shí)，PR的增加還會(huì)使IP對(duì)聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的影響程度增強(qiáng)，SOI越靠近上止點(diǎn)附近，這種影響越明顯.在SOI=-12°～-20° CA ATDC時(shí)，對(duì)所有的IP，PR的增加均使聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度增加；僅在SOI=-8° CA ATDC時(shí)，PR增加反而出現(xiàn)聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少的趨勢(shì).

SOI、IP和PR對(duì)顆粒物總質(zhì)量濃度的影響如圖6(c)所示，可以看出：顆粒物總質(zhì)量濃度與聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度呈現(xiàn)相似的規(guī)律，這是因?yàn)轭w粒物質(zhì)量與粒徑呈正相關(guān)，而顆粒物總質(zhì)量濃度主要由粒徑較大的聚集態(tài)顆粒物組成.在PR=65%、IP=125 kPa 時(shí)，隨著SOI的提前，顆粒物總質(zhì)量濃度逐漸減少；而在IP=135 kPa時(shí)，顆粒物總質(zhì)量濃度先增加后減少.在PR=40%時(shí)，對(duì)所有的IP，顆粒物總質(zhì)量濃度均隨SOI的提前先減小后略微增加，IP的增加對(duì)顆粒物總質(zhì)量濃度無顯著影響；但在PR=65%時(shí)，IP增加使顆粒物總質(zhì)量濃度明顯減少，且對(duì)顆粒物總質(zhì)量濃度的影響程度隨SOI的延遲逐漸增強(qiáng).在不同IP和SOI條件下，PR的增加整體上使顆粒物總質(zhì)量濃度增加，僅在IP=135 kPa、SOI=-8° CA ATDC時(shí)，增大PR反而使顆粒物總質(zhì)量濃度減少.此外，PR對(duì)顆粒物總質(zhì)量濃度的影響程度還會(huì)隨SOI的提前先增強(qiáng)后減弱，并且在較大IP條件下，這種趨勢(shì)更明顯.

通過分析SOI、IP、PR 3個(gè)因素對(duì)RCCI燃燒和排放特性影響規(guī)律的定量分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)因素對(duì)不同燃燒和排放特性參數(shù)的影響程度存在明顯不同，這有助于尋找清潔高效燃燒的具體方案.通過圖5(c)可知，NOx對(duì)SOI的變化最敏感，降低NOx的最有效措施是推遲SOI.如圖4(e)所示，有效熱效率對(duì)SOI不敏感但對(duì)PR敏感，而PR的降低對(duì)NOx的影響較小，因此可以通過降低PR來提高有效熱效率而不增加NOx的排放.同時(shí)從圖5(a)、(b)和圖6 (c)可以看出HC、CO和顆粒物總質(zhì)量濃度均對(duì)PR敏感，通過降低PR可有效降低上述三者的排放，最終實(shí)現(xiàn)清潔高效燃燒.例如，將SOI由-12° CA ATDC推遲到-8° CA ATDC，PR由65%降低至40%，IP保持135 kPa不變時(shí)，有效熱效率從17.27%增加到23.81%，增加了6.54個(gè)百分點(diǎn)；同時(shí)，CO、HC和NOx的排放從54.53，13.29和18.73 g/(kW·h)降低到30.20，6.13 和12.51 g/(kW·h)，分別降低了44.62%，53.88% 和33.21%；顆粒物總質(zhì)量濃度從1.00 ng/mL降低到0.59 ng/mL，降低了41.00%.

3 結(jié) 論

1) 燃燒特性方面：隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值逐漸增加，其對(duì)應(yīng)相位隨之提前；PR的增加使第一階段放熱率峰值降低.缸內(nèi)平均溫度峰值、壓力升高率峰值、滯燃期和最大累積放熱量均隨SOI的提前而增加，而有效熱效率隨SOI的提前先增加后減??；IP的增加會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度峰值、壓力升高率峰值和滯燃期減小，在不同的PR下對(duì)最大累積放熱量表現(xiàn)出相反的影響.PR增加使得壓力升高率峰值和最大累積放熱量降低，而對(duì)滯燃期和缸內(nèi)平均溫度峰值的影響則略顯復(fù)雜，在不同的IP下表現(xiàn)出相反的影響規(guī)律.

2) 氣體排放方面：隨著SOI的提前，HC與CO排放降低，而IP和PR的增加均使HC和CO排放增加，且在較大PR條件下，IP的增加對(duì)CO排放影響程度更大.而NOx排放則主要受SOI的影響，隨SOI的提前逐漸增大，PR的增加使得NOx排放減少，且對(duì)其影響程度隨SOI的提前先減弱后增強(qiáng).

3) 顆粒物排放方面：PR的增加使核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度降低，而核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨SOI的變化規(guī)律會(huì)受IP和PR的影響；聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總質(zhì)量濃度隨3個(gè)因素的變化規(guī)律基本一致.在較小PR下，兩者均隨SOI的提前呈下降趨勢(shì)，且均隨IP的增加基本保持不變；而在較大PR下，兩者均隨SOI的提前呈先增后降的趨勢(shì)，且均隨IP的增加明顯降低，除SOI=-8° CA ATDC外，其他工況下兩者均隨PR的增加明顯增大.