摻混比例對(duì)雙燃料燃燒影響的可視化研究

李騰騰，任爍今，馬 躍，王建昕，景曉軍

摻混比例對(duì)雙燃料燃燒影響的可視化研究

李騰騰1，任爍今1，馬 躍2，王建昕3，景曉軍1

（1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300；2.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108； 3.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

汽柴油雙燃料燃燒模式可以降低柴油機(jī)中小負(fù)荷的氮氧化物和碳煙排放并提高有效效率。文章在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用高速攝影的方法對(duì)汽柴油均質(zhì)混合氣引燃（HCII）燃燒進(jìn)行了解析，針對(duì)汽油比例對(duì)HCII燃燒的影響開展了可視化研究。研究結(jié)果表明，HCII燃燒的過(guò)程是火焰首先隨著柴油噴束從汽缸中央向四周延展，同時(shí)點(diǎn)燃周圍的汽油混合氣產(chǎn)生藍(lán)色火焰，藍(lán)色火焰逐漸發(fā)展至整個(gè)燃燒室范圍。汽油火焰在多點(diǎn)被同時(shí)點(diǎn)燃，火焰面積在極短時(shí)間內(nèi)迅速增加，覆蓋幾乎所有缸內(nèi)范圍，相對(duì)于傳統(tǒng)汽油機(jī)，HCII燃燒速度明顯增加。隨著汽油比例的增加，缸內(nèi)藍(lán)色火焰比例明顯增加，火焰亮度降低，從而實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。

雙燃料燃燒；高速攝影；摻混比例；可視化研究

均質(zhì)混合氣引燃（Homogeneous Charge Induced Ignition, HCII）燃燒同時(shí)使用高辛烷值燃料（如汽油）和高十六烷值燃料（如柴油），高辛烷值燃料向進(jìn)氣道噴射，在進(jìn)氣和壓縮過(guò)程中形成均質(zhì)混合氣，高十六烷值燃料缸內(nèi)直接噴射引燃[1]。該燃燒方式能夠獲得接近柴油機(jī)的熱效率，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放。針對(duì)未來(lái)能源多元化的趨勢(shì)，該技術(shù)可以使用不同來(lái)源的燃料，適應(yīng)不同燃料的特點(diǎn)。因此，HCII燃燒一直是研究的熱點(diǎn)，在某些研究工作中，HCII燃燒也被稱為雙燃料燃燒。汽油和柴油仍然是目前使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的燃料，因此，提高汽油和柴油的能量利用率具有很大的節(jié)能減排社會(huì)效益[2]。

2014年清華大學(xué)YU等[3]對(duì)比了HCII燃燒與汽柴混合燃料燃燒模式。研究結(jié)果表明，兩種燃燒模式都能體現(xiàn)汽油和柴油的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高熱效率和低排放。同時(shí)，兩種燃燒模式中汽油比例的增加能夠加強(qiáng)油氣混合，縮短滯燃期從而降低碳煙排放。使用大量廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recir- culation, EGR）在兩種模式下都能實(shí)現(xiàn)超低碳煙和氮氧化物（NOX）排放。他們還對(duì)HCII燃燒的三種不同順序放熱模式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別是緩慢單階段放熱、兩階段放熱和快速單階段放熱。清華大學(xué)任爍今的研究結(jié)果表明，汽油比例是汽柴油雙燃料燃燒最為敏感的參數(shù)之一，當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，汽油比例可在0～90 %范圍內(nèi)變化，升高汽油比例能夠提高缸內(nèi)預(yù)混燃燒比例，有利于獲得超低的NOX和碳煙排放以及更高的熱效率[4]。

光學(xué)診斷技術(shù)作為一種非接觸式的測(cè)試技術(shù)，可以在不影響燃燒的情況下對(duì)火焰中多種組分的濃度和分布進(jìn)行二維測(cè)量，且具有直觀、響應(yīng)快、分辨率高等優(yōu)勢(shì)，是臺(tái)架試驗(yàn)和模擬計(jì)算的重要補(bǔ)充。高速攝影操作方便，結(jié)果直觀，是進(jìn)行定性對(duì)比的常用方法。為了進(jìn)一步研究基本控制參數(shù)對(duì)HCII燃燒的影響，本文研究了在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用高速攝影方法對(duì)HCII的燃燒過(guò)程進(jìn)行解析，針對(duì)汽油比例對(duì)汽柴油雙燃料燃燒的影響開展了可視化研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

進(jìn)行可視化試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置主要包括可視化發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、缸壓采集系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和高速相機(jī)6個(gè)部分，圖1給出了高速攝影系統(tǒng)示意圖，圖2為光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)物圖。發(fā)動(dòng)機(jī)的圖像采集和燃油噴射系統(tǒng)，由易控公司的電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）進(jìn)行控制。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃油噴射時(shí)刻、噴射脈寬、圖像采集周期的精確控制。

圖1 燃燒室計(jì)算網(wǎng)格

圖2 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)物圖

本光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)使用一款2.0 L四缸柴油機(jī)的缸蓋來(lái)進(jìn)行進(jìn)排氣系統(tǒng)，噴油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及正時(shí)系統(tǒng)的改造。光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)采用下置式活塞視窗，使用45°反射鏡，將光學(xué)信號(hào)反射呈水平方向進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)缸壁的全透明測(cè)量。調(diào)試完成后，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在1 200 r/min以下各轉(zhuǎn)速中穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

項(xiàng)目參數(shù)值 缸徑/mm83 活塞行程/mm105 連桿長(zhǎng)度/mm215 壓縮比17 活塞凹坑形式平頂 活塞頂視窗直徑/mm58 冷卻方式水冷

試驗(yàn)用油為北京市場(chǎng)95#汽油和0#柴油，汽油采用進(jìn)氣道噴射，柴油采用缸內(nèi)直噴。試驗(yàn)所用的高速相機(jī)為日本Photron公司FASTCAM SA-X2型高速攝像機(jī)，最高拍攝速度可達(dá)100萬(wàn)幀/秒。發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的燃燒分析儀為Kistler公司的KiBox To Go 2893A，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)缸壓和放熱率的采集。試驗(yàn)采用設(shè)備的型號(hào)如表2所示。每個(gè)工況采10個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)光學(xué)圖像，結(jié)束后對(duì)光學(xué)視窗進(jìn)行清潔。

表2 試驗(yàn)設(shè)備及型號(hào)

試驗(yàn)設(shè)備型號(hào) 柴油噴油器Delphi 1 100 100-ED01七孔 高速相機(jī)Photron FASTCAM SA-X2 燃燒分析儀KiBox To Go 2 893 A

1.2 試驗(yàn)方法

本次研究采用普通攝影法進(jìn)行試驗(yàn)。普通攝影法所需的光學(xué)設(shè)備僅包含光源和高速相機(jī)，由光源將被攝物照亮，高速相機(jī)記錄下被攝物的變化。在拍攝火焰時(shí)，依靠火焰的自發(fā)光，不需要配置光源。普通攝影法有時(shí)間分辨率和空間分辨率兩項(xiàng)指標(biāo)，時(shí)間分辨率由相機(jī)的連拍速度和快門速度決定，空間分辨率則由相機(jī)感光元件的像素、采用鏡頭的焦距以及與被攝物的距離決定。由于燃燒過(guò)程迅速，因此，對(duì)于高速相機(jī)的拍攝速度有較高的要求，目前實(shí)驗(yàn)室的高速相機(jī)的最高拍攝速度為100萬(wàn)幀/秒。

1.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)工況如表3所示。固定柴油噴射壓力、噴射時(shí)刻和脈寬，通過(guò)增加汽油噴射量來(lái)增加汽油比例。光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，沒(méi)有EGR。高速相機(jī)光圈選擇F5.6，拍攝幀率選擇14 400。

表3 試驗(yàn)工況參數(shù)

工況燃油噴射壓力/bar噴射時(shí)刻/(°)噴油脈寬/ms噴油量/mg汽油比例/% 1汽油4.540000 柴油1 00045503.8 2汽油4.5402 50011.876 柴油1 00045503.8 3汽油4.5404 5002587 柴油1 00045503.8

2 結(jié)果及分析

2.1 缸壓和放熱率

3種工況的缸壓和放熱率曲線如圖3所示。汽油比例為0時(shí)，由于柴油噴射的時(shí)刻較晚（上止點(diǎn)前4°CA），燃燒主要發(fā)生在上止點(diǎn)后，缸壓在上止點(diǎn)后約5°CA才開始脫離純壓縮線。汽油比例為76 %和87 %時(shí)，由于在進(jìn)氣道噴入了汽油，因此，缸壓曲線和放熱率曲線相比于工況1更高，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷更大。

2.2 缸內(nèi)燃燒圖像

3種工況得到的火焰直拍圖像如圖4所示。汽油比例為0時(shí)，從上止點(diǎn)后4°CA開始，可以觀察到柴油燃燒產(chǎn)生的火焰，由于柴油的噴射量較少，局部空燃比較大，柴油燃燒的火焰主要呈藍(lán)色。在上止點(diǎn)后約10°CA處，汽缸外側(cè)的火焰基本消失，噴油器尖端處由于后滴，還存在明顯的擴(kuò)散燃燒火焰，這一火焰的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。從圖3的放熱率曲線中可以觀察到雙峰放熱，兩個(gè)放熱峰分別對(duì)應(yīng)主噴燃燒和噴油器的后滴燃燒。由于該工況沒(méi)有噴入汽油，因此，燃燒主要發(fā)生在柴油噴霧的末端，汽缸外側(cè)的區(qū)域。

圖4 缸內(nèi)燃燒圖像

汽油比例為76 %時(shí)，由于進(jìn)氣道汽油揮發(fā)吸熱，進(jìn)氣溫度下降，柴油的滯燃期增長(zhǎng)，因此，從上止點(diǎn)后5°CA開始，才可以觀察到柴油燃燒產(chǎn)生的火焰。在上止點(diǎn)后約13.5°CA處，在汽缸內(nèi)的火焰才基本消失，這是由于汽油的加入使得燃燒持續(xù)期增長(zhǎng)所致。本工況下，噴油器尖端處由于后滴，亦存在明顯的擴(kuò)散燃燒火焰，這一火焰持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)。從圖3的放熱率曲線中可以仍可以觀察到雙峰放熱，兩個(gè)放熱峰分別對(duì)應(yīng)主噴的柴油以及被引燃的汽油的燃燒和噴油器的后滴燃燒。由于該工況噴入了汽油，因此，不僅能觀察到柴油火焰（噴霧末端，汽缸外側(cè)區(qū)域），同時(shí)在汽缸的中心也能夠觀察到汽油的燃燒。

汽油比例為87 %時(shí)，由于進(jìn)氣溫度下降，柴油的滯燃期增長(zhǎng)，從上止點(diǎn)后6°CA開始，才可以觀察到柴油燃燒產(chǎn)生的火焰。本工況下，由于噴入的汽油量更多，因此，在燃燒開始后，火焰占據(jù)的范圍相比于前兩個(gè)工況更大，可以明顯地觀察到汽缸中心的汽油火焰。相比與前兩個(gè)工況，本工況后滴產(chǎn)生的擴(kuò)散燃燒火焰較少。

2.3 火焰面積

根據(jù)火焰直拍圖像，計(jì)算得到的火焰面積曲線如圖5所示。由曲線可以看到，汽油比例為0時(shí)，從上止點(diǎn)后4°CA附近，火焰面積從0開始急劇擴(kuò)大，在約上止點(diǎn)后7°CA處達(dá)到峰值，之后主噴火焰消失，火焰面積迅速下降至0.6×10-4m2后，下降速度放緩，這是噴油器后滴燃燒所引起的。

圖5 火焰面積

汽油比例為76 %時(shí)，相比與工況1，從上止點(diǎn)后6°CA附近，火焰面積才開始急劇擴(kuò)大，在約上止點(diǎn)后9°CA處才達(dá)到峰值，燃燒的相位有所推遲，這是由于進(jìn)氣道噴射汽油，進(jìn)氣溫度下降所致。由于汽油參與了燃燒，火焰的峰值面積為1×10-3m2，相比與工況1增大了近1倍。上止點(diǎn)后15°CA后，火焰面積下降速度放緩，此時(shí)的火焰主要來(lái)源于噴油器的后滴燃燒。

汽油比例為87 %時(shí)，從上止點(diǎn)后6°CA附近，火焰面積才開始急劇擴(kuò)大，在約上止點(diǎn)后9°CA處才達(dá)到峰值，燃燒的相位有所推遲，這是由于進(jìn)氣道噴射汽油，進(jìn)氣溫度下降所致。由于汽油的噴射量進(jìn)一步增加，火焰的峰值面積為1.4×10-3m2。上止點(diǎn)后18°CA后，火焰面積下降速度放緩，此時(shí)的火焰主要來(lái)源于噴油器的后滴燃燒。

火焰的平均亮度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖6所示。汽油比例為0時(shí)，曲線呈雙峰形狀，在上止點(diǎn)后10°CA處為波谷。曲線的兩個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)主噴火焰貢獻(xiàn)的亮度和后滴火焰貢獻(xiàn)的亮度，由于后滴火焰中碳煙含量高，為明亮的黃色擴(kuò)散燃燒火焰，而主噴火焰碳煙濃度低，亮度較為暗淡，因此雙峰的亮度區(qū)別不大。

圖6 火焰平均亮度

汽油比例為76 %時(shí)，由于汽油參與了燃燒，負(fù)荷增大，火焰的平均亮度相比與工況1有大幅的增加，同時(shí)噴油器的后滴相比與工況1顯得更為嚴(yán)重。

汽油比例為87 %時(shí)，由于汽油參與了燃燒，負(fù)荷增大，火焰的平均亮度相比與工況1有大幅的增加。工況3的噴油器后滴并不嚴(yán)重，產(chǎn)生的擴(kuò)散燃燒火焰較少。

3 結(jié)論

本研究在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用高速攝影方法對(duì)HCII的燃燒過(guò)程進(jìn)行解析，主要研究了汽油比例對(duì)HCII燃燒的影響，得到如下結(jié)論：

1）小負(fù)荷條件下的純柴油燃燒也有可能發(fā)生兩階段放熱現(xiàn)象，兩個(gè)放熱峰分別對(duì)應(yīng)主噴燃燒和噴油器的后滴燃燒。

2）從燃燒圖像中可以看出，HCII燃燒的過(guò)程是火焰首先隨著噴油束從汽缸中央向四周延展，同時(shí)點(diǎn)燃了周圍的汽油混合氣產(chǎn)生藍(lán)色火焰，藍(lán)色火焰逐漸發(fā)展至整個(gè)燃燒室。此時(shí)缸內(nèi)火焰變得十分明亮，柴油火焰（火焰集中，火焰較明亮）以及汽油火焰（遍布燃燒室，亮度降低），能夠較為明顯區(qū)分。

3）從火焰面積變化看出，汽油火焰在多點(diǎn)被同時(shí)點(diǎn)燃，火焰面積在極短時(shí)間內(nèi)迅速增加，覆蓋幾乎所有缸內(nèi)范圍。相對(duì)于純柴油燃燒，雙燃料模式火焰面積增加1倍左右。相對(duì)于傳統(tǒng)汽油機(jī)，燃燒速度明顯增加。

4）從火焰亮度可以看出，汽油火焰的亮度明顯小于柴油火焰，隨著汽油比例的增加，缸內(nèi)藍(lán)色預(yù)混火焰比例明顯增加，從而實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。

[1] JIANG H F,WANG J X,SHUAI S J.Visualization and Performance Analysis of Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition by Diesel[C]//SAE 2005 World Congress & Exhibition.Washington:American Society of Automotive Engineers,2005-01-0136.

[2] 張丹,任爍今,李騰騰,等.噴油時(shí)刻對(duì)汽柴油雙燃料燃燒影響的模擬研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2022, 28(3):21-26.

[3] YU C,WANG J X,WANG Z,et al.Comparative Study on Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition (HCII) by Diesel and Gasoline/Diesel Blend Fuels (GDBF) Combustion [J].Fuel,2013,106:470-477.

[4] 任爍今.重型發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)混合氣引燃燃燒的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[D].北京:清華大學(xué),2018.

Optical Investigation of the Effects of Blending Ratio on Dual fuel Combustion

LI Tengteng1, REN Shuojin1, MA Yue2, WANG Jianxin3, JING Xiaojun1

( 1.CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China; 2.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108, China; 3.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

The gasoline-diesel dual fuel combustion mode can reduce the nitrogen oxide and particulate matter emissions of diesel engine and improve the effective efficiency. The gasoline-diesel homogeneous charge induced ignition (HCII) combustion is studied using the high-speed photograph method on an optical engine and the effects of blending ratio on HCII combustion is investigated optically. The results of the study show that the combustion process of HCII started with the flame propagation from the center of the cylinder to the edge with the diesel fuel sprays, igniting the surrounding gasoline mixture. Blue flames are generated and then occupied the entire combustion chamber. The gasoline mixture is ignited at multi-points and the flame area increased rapidly covering almost all the combustion chamber. Compared with conventional gasoline engines, the flame speed of HCII increased obviously. With the increase of gasoline blending ratio, the blue flame ratio in the cylinder increased and the flame brightness decreased obviously resulting in low-temperature combustion.

Dual fuel combustion; High-speed photograph; Blending ratio; Optical investigation

TK429

A

1671-7988(2023)19-138-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.027

李騰騰（1985－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試評(píng)價(jià)，E-mail:litengteng@ catarc.ac.cn。