噴射比對汽-柴油雙燃料壓燃發(fā)動機(jī)燃燒及微粒排放特性的影響研究

段加全,梁鎮(zhèn)東,韓令海,宮艷峰,解方喜,李小平

(1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院,吉林 長春 130000;2.吉林大學(xué)汽車底盤集成與仿生全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130025;3.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,吉林 長春 130025)

隨著排放法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)苛,車用發(fā)動機(jī)的“高效清潔”技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要,采用新型的燃燒模式來改善內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程以減少NOx和微粒等污染物的排放是一種有效手段。這些模式,例如均質(zhì)充量壓燃(HCCI)、低溫燃燒(LTC),具有熱效率高的優(yōu)點(diǎn),且可同時(shí)降低NOx和微粒排放,因而成為研究熱點(diǎn),但其燃燒過程主要受化學(xué)動力學(xué)控制,存在著火時(shí)刻及燃燒速率不可控、運(yùn)行工況狹窄等缺點(diǎn)[1-5]。2009年,美國威斯康辛大學(xué)Kokjohn等[6]提出活性控制壓燃(RCCI)的燃燒模式,但其在大負(fù)荷以及較高的汽油比例時(shí)由于燃燒粗暴而受到限制。清華大學(xué)王建昕等[7]提出均質(zhì)混合氣引燃(HCII)燃燒模式,此模式建立在著火和蒸發(fā)特性差別較大的兩種燃料(汽油與柴油)的基礎(chǔ)上,通過進(jìn)氣道噴射汽油形成均質(zhì)混合氣,缸內(nèi)直噴柴油進(jìn)行引燃,可以很好地控制著火始點(diǎn),在一定范圍內(nèi)提高熱效率并實(shí)現(xiàn)基本無煙燃燒。

國內(nèi)外學(xué)者針對HCII模式展開了大量研究。于超等[8]在一臺高壓共軌柴油機(jī)上研究了丁醇比例以及EGR對HCII燃燒模式的影響,試驗(yàn)得到的指示熱效率高于原機(jī),丁醇燃料的能量利用率得到了提高。張海燕等[9]在某6缸柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)均質(zhì)引燃模式的多缸運(yùn)行,確立了汽油比例和EGR率優(yōu)化的基本原則,全面達(dá)到國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。任爍今等[10]在重型多缸柴油機(jī)上研究了噴油壓力等發(fā)動機(jī)主要控制參數(shù)對HCII燃燒和排放的影響,研究表明,負(fù)荷影響工況范圍內(nèi)的燃燒控制策略,而通過降低壓縮比的方式可以拓展最高汽油比例。

總體看來,目前對于均質(zhì)混合氣引燃(HCII)模式下的研究主要集中于發(fā)動機(jī)燃燒和常規(guī)氣體排放物,對于微粒排放包括微粒形態(tài)及粒徑的研究甚少。因此,本研究基于均質(zhì)混合氣引燃(HCII)燃燒模式,利用一臺車用2.8 L高壓共軌增壓柴油機(jī),在最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速1 600 r/min下,針對低中高負(fù)荷工況,提出了一種汽-柴油部分預(yù)混的燃燒策略,研究了不同負(fù)荷下噴射比對汽油-柴油燃燒和排放過程的影響,旨在為實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷工況下汽-柴油雙燃料壓燃發(fā)動機(jī)最優(yōu)燃燒和排放尤其是微粒排放提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用汽油-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)是以一臺皮卡車用2.8 L高壓共軌增壓柴油機(jī)為基礎(chǔ)改造而成,其基本參數(shù)如表1所示。對燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行改造,增加了一套燃料供給系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高活性燃料(柴油)缸內(nèi)直噴、低活性燃料(汽油)進(jìn)氣道噴射的功能。其中,為了使缸內(nèi)混合氣混合更均勻并避免壓升率過高,柴油使用二次噴射的方式,噴射壓力固定為85 MPa,主噴時(shí)刻固定于-6°,預(yù)噴時(shí)刻固定于-16°,預(yù)噴柴油量占總柴油噴射量的10%;汽油的噴射壓力固定為0.35 MPa,噴射時(shí)刻固定于-340°。兩種燃料的理化性質(zhì)如表2所示。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

表2 汽油和柴油的燃料特性

圖1示出了試驗(yàn)發(fā)動機(jī)臺架。試驗(yàn)所需的儀器設(shè)備如表3所示。

圖1 發(fā)動機(jī)測試平臺示意

表3 測試設(shè)備

試驗(yàn)以發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行為原則,即最大壓升率不能超過1.5 MPa/(°),最大缸內(nèi)壓力pmax不能超過19 MPa,同時(shí)要求循環(huán)變動COV不能超過4%。在此基礎(chǔ)上,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選定發(fā)動機(jī)最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速1 600 r/min,控制進(jìn)氣溫度為45 ℃,選取工況點(diǎn)為25%、50%、75%負(fù)荷。保持汽柴油比例及噴射時(shí)刻相同,僅通過改變汽柴油噴射量來調(diào)節(jié)負(fù)荷變化。保持每循環(huán)燃油總熱值相同,因此負(fù)荷可能會略微有波動,3種負(fù)荷下的單缸每循環(huán)熱值分別為6.8 kJ/cyc,10.2 kJ/cyc,14.45 kJ/cyc。

(1)

(2)

微粒的數(shù)量濃度轉(zhuǎn)換成質(zhì)量濃度的公式如下:

(3)

式中:M為微粒質(zhì)量濃度;dp為對應(yīng)微粒的粒徑;ρ為該微粒的數(shù)量濃度。

噴射比的計(jì)算公式如下:

(4)

式中:m1和m2分別為每循環(huán)汽油質(zhì)量和柴油質(zhì)量;h1和h2分別為汽油低熱值和柴油低熱值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴射比對燃燒過程的影響

圖2示出不同負(fù)荷下噴射比對汽-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)缸壓及放熱率的影響。試驗(yàn)表明,當(dāng)負(fù)荷為25%時(shí),峰值缸壓隨著噴射比的增加逐漸降低,峰值放熱率則是先增加后減小,噴射比為40%時(shí)達(dá)到最大,不同噴射比下峰值缸壓及峰值放熱率的相位基本相同,整個(gè)燃燒持續(xù)期較為短暫。原因是小負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)壓力和溫度較低,整個(gè)缸內(nèi)環(huán)境氛圍不利于汽油的均質(zhì)燃燒,而隨著噴射比的增加,缸內(nèi)更少的柴油引燃更多的汽油,加劇此現(xiàn)象的發(fā)生,使得缸內(nèi)壓力降低。當(dāng)負(fù)荷為50%時(shí),峰值缸壓隨噴射比的增加變化不大,40%和60%噴射比時(shí),放熱率曲線呈近似雙峰形態(tài),均在5°附近達(dá)到峰值放熱率。當(dāng)負(fù)荷為75%時(shí),整個(gè)燃燒過程出現(xiàn)多段放熱現(xiàn)象,隨著噴射比的增加,屬于預(yù)混燃燒[11]階段的峰值缸壓隨之增加,且其出現(xiàn)的相位逐漸前移,峰值放熱率也逐漸增加?？梢娫诟哓?fù)荷下,預(yù)混燃燒仍在雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程中占有一定比例。不同負(fù)荷工況下噴射比對放熱率的影響不同,25%和50%負(fù)荷下會獲得更高的放熱率,因此,在中小負(fù)荷下,宜采用中等的噴射比以獲得更高的放熱率,而對于大負(fù)荷工況來說,更大的噴射比可以使得缸內(nèi)整個(gè)燃燒過程在更有效的區(qū)間充分放熱,因此,在高負(fù)荷下宜采用較大的噴射比。

圖2 不同負(fù)荷下噴射比對缸壓及放熱率的影響

圖3示出不同負(fù)荷下噴射比對燃燒相位的影響。由圖3可見,柴油主噴時(shí)刻均固定于-6°,在同一負(fù)荷下,隨著噴射比的增加,滯燃期逐漸略微增加,而燃燒持續(xù)期持續(xù)縮短。這是由于所噴入的汽油增加,柴油減少,一來更多的汽油汽化導(dǎo)致缸內(nèi)溫度減少,二來更少的柴油意味著缸內(nèi)燃料活性更低,從而導(dǎo)致更長的滯燃期。對于整個(gè)燃燒持續(xù)期的縮短,是因?yàn)殡S著噴射比的增加,整個(gè)燃燒過程從原來的擴(kuò)散燃燒為主逐漸變?yōu)轭A(yù)混燃燒為主,使得燃燒速率加快。在25%負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,CA10幾乎不變,而CA50略有滯后,這意味著在此負(fù)荷下,純柴油燃燒或者小噴射比模式更優(yōu),過大噴射比反而帶來更滯后的燃燒,這與圖2的放熱率曲線相對應(yīng);而在50%負(fù)荷時(shí),CA10變化不大,隨著噴射比的增加,CA50逐漸提前,整個(gè)燃燒持續(xù)期縮短,這說明在此負(fù)荷下,宜采用高噴射比的燃燒策略。

圖3 不同負(fù)荷下噴射比對燃燒相位的影響

圖4示出不同負(fù)荷下噴射比對缸內(nèi)平均溫度的影響。試驗(yàn)表明,25%負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,缸內(nèi)平均溫度略微下降,且峰值缸溫相位幾乎一致。50%負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,燃燒開始前溫度逐漸略微降低,這是由于噴入更多的汽油導(dǎo)致更早的汽化吸熱。而在燃燒開始后,缸溫均隨著噴射比的增大而呈現(xiàn)上升趨勢,在60%噴射比時(shí)達(dá)到最高缸溫,約為1 460 K。當(dāng)負(fù)荷為75%時(shí),即大負(fù)荷時(shí),不同噴射比條件下缸內(nèi)溫度急劇上升的時(shí)刻均提前到了上止點(diǎn)附近,且隨著噴射比的增加,峰值缸溫逐漸增加且相位不斷提前。40%噴射比下的峰值缸溫較純柴油峰值缸溫增加了約10%,再次印證了高負(fù)荷下更高的噴射比意味著更早更快的燃燒,因此,在高負(fù)荷工況下,宜采用大的噴射比。

對于以生長為主的幼樹，為擴(kuò)大樹冠、促進(jìn)新梢生長，可采取施肥或噴肥補(bǔ)充營養(yǎng)、噴生長促進(jìn)劑等措施；對于進(jìn)入結(jié)果期的樹，要在這些時(shí)期采取拉枝、摘心、捋枝、拿枝、噴生長抑制劑等方法控制新梢生長，促進(jìn)成花結(jié)果。

圖4 不同負(fù)荷下噴射比對缸內(nèi)平均燃燒溫度的影響

圖5示出不同負(fù)荷下噴射比對扭矩和當(dāng)量柴油有效燃油消耗率的影響。由圖5可知,25%負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,雙燃料發(fā)動機(jī)扭矩不斷降低,有效燃油消耗率不斷增加,60%噴射比時(shí)較原柴油機(jī)扭矩減少了約20%,燃油消耗率增加了約19%,動力性及經(jīng)濟(jì)性均急劇下降。在50%負(fù)荷時(shí),噴射比從0增加到40%時(shí),扭矩逐漸降低,有效燃油消耗率逐漸增加,此時(shí)的動力性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最差,而繼續(xù)增加噴射比到60%時(shí),經(jīng)濟(jì)性和動力性有所提升,與純柴油模式相比,動力性沒有明顯變化,油耗小幅增加。隨著負(fù)荷增加到75%,扭矩和有效燃油消耗率的變化趨勢逐漸一致且均在40%噴射比時(shí)達(dá)到最佳動力性和經(jīng)濟(jì)性?？梢?高負(fù)荷下較高的噴射比可改善缸內(nèi)燃燒過程,小幅度提高動力性和經(jīng)濟(jì)性。因此,無論是出于經(jīng)濟(jì)性還是動力性考慮,在中小負(fù)荷時(shí),宜采用純柴油的燃燒模式,而在高負(fù)荷時(shí),宜采用較高噴射比的燃燒模式。

圖5 不同負(fù)荷下噴射比對動力性及經(jīng)濟(jì)性的影響

2.2 噴射比對氣體排放及微粒排放的影響

2.2.1 噴射比對氣體排放的影響

圖6示出不同負(fù)荷下噴射比對雙燃料發(fā)動機(jī)常規(guī)排放物的影響。25%負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,HC、CO的排放急劇增加,噴射比為60%時(shí)HC排放約為原機(jī)3.5倍,CO排放約為原機(jī)的2.5倍,NOx排放略微降低但變化不大?？赡艿脑蚴怯捎诘拓?fù)荷時(shí),缸內(nèi)油量增加,加上氣缸壁溫度較低引起火焰淬熄導(dǎo)致了HC、CO排放的急劇上升。隨著負(fù)荷的增加,更多的混合氣被壓燃,燃燒速率更快且火焰?zhèn)鞑サ酶鼜V,狹隙中混合氣未燃的概率和火焰淬熄的概率減少,使得HC、CO進(jìn)一步被氧化,所以排放較低負(fù)荷時(shí)更少,NOx則隨著缸內(nèi)平均溫度的升高急劇增加,但是噴射比對常規(guī)氣體排放物的影響與小負(fù)荷趨勢基本一致。即在中高負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,HC、CO的排放逐漸增加,在50%負(fù)荷時(shí),HC的增幅高于CO,而在75%負(fù)荷時(shí),CO的增幅高于HC;兩種負(fù)荷下,NOx排放隨噴射比的增加變化不大,僅略微下降,這是由于隨著汽油量的增加,燃燒模式逐漸往預(yù)混燃燒傾斜,導(dǎo)致NOx排放降低,但由于在中高負(fù)荷下NOx排放本來就較高,改變噴射比對其影響很小。因此,在中小負(fù)荷工況下,適當(dāng)?shù)夭捎幂^小的噴射比,能夠產(chǎn)生更低的HC、CO排放和一個(gè)折中的NOx排放;而在大負(fù)荷工況下,NOx排放隨噴射比增加基本不變,為減少HC和CO排放可以使用允許條件下最小的噴射比。

圖6 不同負(fù)荷下噴射比對氣體排放物的影響

2.2.2 噴射比對微粒數(shù)量濃度的影響

圖7示出不同負(fù)荷下噴射比對雙燃料發(fā)動機(jī)微粒排放數(shù)量濃度及粒徑分布的影響。其中核態(tài)微粒粒徑范圍為3～50 nm,集聚態(tài)微粒粒徑范圍為50～100 nm,超大微粒粒徑范圍為大于100 nm。由圖可知,各個(gè)負(fù)荷工況下,隨著噴射比的增加微粒數(shù)量濃度逐漸下降,各個(gè)負(fù)荷工況下核態(tài)和集聚態(tài)微粒下降趨勢不同。25%負(fù)荷時(shí),總的微粒數(shù)量濃度較小,此時(shí)核態(tài)微粒占據(jù)主導(dǎo)地位,隨著噴射比的增加,核態(tài)和集聚態(tài)微粒數(shù)量濃度均減少,但仍舊是前者數(shù)量濃度占比更多。50%負(fù)荷時(shí),集聚態(tài)微粒數(shù)量濃度在小噴射比時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位,當(dāng)噴射比增加到60%時(shí),核態(tài)微粒數(shù)量濃度和集聚態(tài)微粒數(shù)量濃度大致相同。而在75%負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,總的微粒數(shù)量濃度有所下降,但幅度不大,且在增加的過程中,核態(tài)微粒的數(shù)量濃度一直略小于集聚態(tài)微粒數(shù)量濃度。這是因?yàn)殡S著所噴入汽油比例的增加,混合燃料的活性改變,雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒模式愈發(fā)接近于預(yù)混燃燒,導(dǎo)致微粒排放數(shù)量也愈發(fā)減少。因此,在小中高三個(gè)負(fù)荷條件下,均可采用較大的噴射比來獲得更少的微粒數(shù)量濃度排放。尤其是在小負(fù)荷時(shí),高的噴射比帶來的是近90%的微粒數(shù)量濃度減少。此外,峰值微粒數(shù)量濃度處的粒徑隨著噴射比的增加變化不大:25%負(fù)荷時(shí)隨著噴射比的增加,峰值微粒數(shù)量濃度處粒徑略微右移5～10 nm,小負(fù)荷時(shí)粒徑為10～50 nm和50～100 nm的微粒占據(jù)絕大部分;中高負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,峰值微粒數(shù)量濃度處粒徑逐漸轉(zhuǎn)移至50～100 nm,且隨著負(fù)荷的增加,粒徑為100～200 nm微粒也逐漸增加。這說明噴射比改變對微粒形態(tài)的改變影響不大,小負(fù)荷下核態(tài)微粒占多數(shù)。而隨著負(fù)荷的增加,集聚態(tài)微粒占主導(dǎo)。因此,就減少微粒數(shù)量濃度排放來說,增加噴射比是一種正確的選擇,在小中高負(fù)荷條件下都是適用的。

圖7 不同負(fù)荷下噴射比對微粒排放數(shù)量濃度及粒徑分布的影響

2.2.3 噴射比對微粒質(zhì)量濃度的影響

圖8示出不同負(fù)荷下噴射比對雙燃料發(fā)動機(jī)微粒排放質(zhì)量濃度及粒徑分布的影響。由圖可知,中小負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,微粒質(zhì)量濃度明顯呈階梯式下降,且核態(tài)和集聚態(tài)下降趨勢一致;大負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加,微粒質(zhì)量濃度先減少,后于40%噴射比時(shí)略微增加。此外,25%負(fù)荷和75%負(fù)荷時(shí),微粒質(zhì)量濃度的粒徑分布均出現(xiàn)雙峰,25%負(fù)荷的主峰出現(xiàn)在100 nm左右,75%負(fù)荷的主峰出現(xiàn)在150～200 nm,兩個(gè)負(fù)荷的次峰均出現(xiàn)在500 nm以后,25%負(fù)荷時(shí),隨著噴射比的增加次峰略有前移。小負(fù)荷時(shí),峰值微粒質(zhì)量濃度處的粒徑隨著噴射比的增加變化不大;但是50%負(fù)荷時(shí),峰值微粒質(zhì)量濃度處的粒徑較25%負(fù)荷時(shí)逐漸從50 nm左右向100 nm偏移,形態(tài)由核態(tài)占多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧蹜B(tài)占多數(shù)。大負(fù)荷時(shí),隨著汽油的加入,峰值微粒質(zhì)量濃度處的粒徑逐漸增大,整個(gè)負(fù)荷區(qū)間集聚態(tài)微粒質(zhì)量濃度占比更大。這是因?yàn)槲⒘５某煞种饕商繜?、可溶性有機(jī)物、灰塵(以金屬灰塵為主)、硫酸鹽和硝酸鹽等成分組成,而柴油加入汽油以后導(dǎo)致可溶有機(jī)物和THC[12-15]增加,因而形成的微粒峰值粒徑更大。就減少微粒質(zhì)量濃度排放來說,增加噴射比可以大幅度減少小中高負(fù)荷下的微粒質(zhì)量濃度排放。

圖8 不同負(fù)荷下噴射比對微粒排放質(zhì)量濃度及粒徑分布的影響

結(jié)合圖7和圖8可以看出,噴射比的改變對微粒數(shù)量濃度排放和質(zhì)量濃度排放都有著極大的影響,增加噴射比在所有負(fù)荷下均能大幅減少微粒的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。25%負(fù)荷時(shí),數(shù)量較多的是核態(tài)微粒,但是質(zhì)量占比最多的為集聚態(tài)微粒,超大微粒也有一定占比,增加噴射比會使超大微粒的粒徑前移,在此負(fù)荷下,增加噴射比對于微粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的減少均起到顯著作用。50%負(fù)荷時(shí),微粒數(shù)量濃度由集聚態(tài)占據(jù)主導(dǎo)地位,而質(zhì)量濃度的粒徑分布繼續(xù)右移,這是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增加,更多的核態(tài)微粒集聚黏合在一起形成集聚態(tài)微粒和超大微粒,在此負(fù)荷下,增加噴射比依然可以顯著減少微粒數(shù)量和質(zhì)量濃度,且減少幅度相當(dāng)。75%負(fù)荷時(shí),微粒數(shù)量濃度的粒徑分布繼續(xù)右移,集聚態(tài)和超大微粒占據(jù)多數(shù),質(zhì)量濃度則與之類似,在此負(fù)荷下,噴射比從0增加到10%時(shí),依然可以較大幅度地減少微粒的數(shù)量和質(zhì)量濃度,但是繼續(xù)增加噴射比到20%,微粒的數(shù)量濃度雖然有所下降,但是幅度很小,而此時(shí)質(zhì)量濃度已經(jīng)幾乎不變,繼續(xù)增加噴射比對于數(shù)量濃度的影響大于質(zhì)量濃度,且微粒的質(zhì)量濃度還有所上升,這說明在此負(fù)荷下,較小的噴射比可以適當(dāng)?shù)販p少微粒的數(shù)量和質(zhì)量濃度排放,不宜采用高噴射比策略。

3 結(jié)論

a) 隨著噴射比的增加,滯燃期略微增加,燃燒持續(xù)期縮短,大負(fù)荷下增加噴射比使得峰值缸壓增大且相位提前;

b) 相同負(fù)荷工況下,隨著噴射比的增加,HC、CO排放急劇增加,NOx排放略微降低,所有噴射比下,高負(fù)荷NOx排放較中低負(fù)荷均有顯著增加;隨著噴射比的增加,微粒數(shù)量濃度在所有負(fù)荷下均有所下降,微粒質(zhì)量濃度僅在中小負(fù)荷下降,噴射比的改變對微粒形態(tài)影響不大;

c) 雙燃料發(fā)動機(jī)在1 600 r/min,75%負(fù)荷工況下,噴射比為40%時(shí),相較于原機(jī),扭矩最大增加了2%,NOx排放降低12%,核態(tài)微粒減少40%,集聚態(tài)微粒減少41%;

d) 在低負(fù)荷工況,原機(jī)燃燒更優(yōu),在中等負(fù)荷工況,采用汽-柴油雙燃料部分預(yù)混燃燒策略有利于實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒。