氨柴雙燃料高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)柴油噴射策略?xún)?yōu)化

蔡開(kāi)源，王 志*，劉 奕，陳清楚，齊運(yùn)亮，林 浩，盧文健，張沈歡，殷 勇

（1. 清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084，中國(guó)；2. 東風(fēng)商用車(chē)有限公司技術(shù)中心，武漢 430056，中國(guó)）

使用低碳或零碳燃料代替現(xiàn)有汽油或柴油已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳或零碳的重要研究方向之一。相比于氫，氨(NH3)作為零碳燃料，具有更成熟的生產(chǎn)、制造、儲(chǔ)存和銷(xiāo)售體系以及成本較低等優(yōu)勢(shì)[1]。作為氫的良好載體，氨的氫密度是高壓氣態(tài)氫氣的4倍以上[2]。國(guó)際能源署(International Energy Agency，IEA)的預(yù)測(cè)顯示，航運(yùn)在2050年可達(dá)到零碳排放，其中氨占總能量需求的45%以上[3]。挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas，DNV)預(yù)測(cè)在2040年至2045年，幾乎所有新生產(chǎn)的船舶將以氨作為燃料[4]。在未來(lái)動(dòng)力裝置中，氨也能為農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)組和重型車(chē)輛等運(yùn)輸裝備實(shí)現(xiàn)碳中和奠定基礎(chǔ)。

氨由于著火溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，因此不太適合作為壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的單一燃料。有研究顯示，純氨發(fā)動(dòng)機(jī)要求發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比高于35:1[5]。采用高活性燃料引燃氨能夠拓展氨的適用工況。J. T. Gray 等[6]發(fā)現(xiàn)，使用柴油能夠在壓縮比為15.2:1 時(shí)引燃氨。A. J. Reiter等[7]在一款約翰迪爾(型號(hào) 4045)柴油機(jī)上對(duì)氨柴雙燃料模式開(kāi)展研究。綜合考慮燃燒與排放特性，得出最佳的氨能量替代率在40%～60%。S. S. Gill 等[8]對(duì)比了柴油摻混氨氣、氫氣以及氨氣裂解氣的燃燒與排放結(jié)果。研究表明，添加氨后NOx雖有降低，但生成了大量的N2O。

N2O 是一種溫室氣體(greenhouse gas, GHG)。美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(Environmental Protection Agency，EPA)認(rèn)為：在100 a 的尺度上， 1 m3的N2O 造成的GHG相當(dāng)于1 m3的CO2造成的GHG 的273 倍[9]。Y. Niki等[10-11]研究了不同燃燒策略對(duì)燃燒與排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)：提前柴油的噴射時(shí)刻能夠有效的降低NH3和N2O 排放，但是會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低[11]。此外， 增加一次預(yù)噴或后噴都可以減少NH3排放[10]。A. Yousefi等[12]研究了柴油2 次噴射策略對(duì)氨柴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。通過(guò)優(yōu)化2 次噴射策略，雙燃料燃燒模式的指示熱效率高于純柴油模式，且溫室氣體排放減少。MI Shijie 等[13]在一臺(tái)單缸中型柴油機(jī)上開(kāi)展了噴射策略的研究。結(jié)果表明，采用柴油兩次噴射策略能夠減少87%的NH3排放。在50%氨能量替代率條件下，指示熱效率達(dá)45.5%。JIN Shuoyin 等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬優(yōu)化了直噴噴射策略。在50%氨能量替代率下，指示熱效率能夠達(dá)到49.18%。PEI Yiqiang 等[15]在轉(zhuǎn)速900～1 300 r/min、指示平均有效壓力(indicated mean effective pressure，IMEP) 0.2～1.8 MPa 的范圍內(nèi)開(kāi)展了柴油噴射策略的適應(yīng)性研究。優(yōu)化后，氨柴模式的最高指示熱效率為51.5%與純柴油模式相當(dāng)。K. Hiraoka等[16]和Y. Imamori 等[17]研究了燃空當(dāng)量比對(duì)氨柴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響。在接近當(dāng)量比條件下能夠得到較低的NH3和N2O 排放，而NOx排放升高。

已有的氨柴發(fā)動(dòng)機(jī)研究，壓縮比在15.2～18.6 之間，氨柴雙燃料模式的熱效率與污染物排放可進(jìn)一步優(yōu)化。

本文作者先前研究[18]中發(fā)現(xiàn)氨的自燃活性低且火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷鹧鎮(zhèn)鞑?duì)于未燃混合氣自燃過(guò)程的影響不大。在快速壓縮機(jī)中的研究結(jié)果表明：高壓縮比(21)與低壓縮比(15)相比，壓縮上止點(diǎn)的溫度可以從750 K提高到850 K，壓縮終點(diǎn)壓力提升約1.0 MPa。高溫高壓環(huán)境有助于提高氨混合氣的活性，加速燃燒。因此提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比是一種提高氨燃燒效率的有效方法。

本文作者基于重型車(chē)輛六缸柴油機(jī)，重新設(shè)計(jì)了高壓縮比燃燒系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了氨柴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放特性試驗(yàn)研究。其中氨在進(jìn)氣道噴射，形成均質(zhì)混合氣；柴油為缸內(nèi)直噴，基于文獻(xiàn)可知，在壓縮沖程進(jìn)行一次噴射有助于提高活塞凹坑外的預(yù)混合氣活性，減少NH3排放[10,12-15]。本文研究了提前第1 次噴射時(shí)刻并增大第1 次噴射量的優(yōu)化策略，使活塞凹坑外形成活化熱氛圍，可望提高氨燃燒效率。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及臺(tái)架參數(shù)

圖1 和圖2 分別為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的示意圖和實(shí)物圖?；谀承吞?hào)重型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，提高壓縮比至21。臺(tái)架主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、柴油供給系統(tǒng)、氨供給系統(tǒng)和排放測(cè)試設(shè)備組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑與沖程分別為131 mm 和160 mm。通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制進(jìn)氣流量，采用渦輪增壓系統(tǒng)提高進(jìn)氣壓力。柴油經(jīng)過(guò)油耗儀后被高壓油泵泵入高壓共軌，再通過(guò)7 孔噴嘴噴入缸內(nèi)。氨則通過(guò)水浴蒸發(fā)器汽化后被減壓閥減壓，再通過(guò)氨噴嘴噴入進(jìn)氣道中與新鮮空氣充分預(yù)混。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)物圖

燃燒室壓力通過(guò)Kistler 6054B 壓力傳感器采集后傳輸至電腦的燃燒分析儀中。CO、NOx和THC 排放通過(guò)Horiba MEXA-7100 進(jìn)行測(cè)量。N2O 和NH3排放通過(guò)Horiba MEXA-1400 QL- NX 測(cè)量。氨質(zhì)量流量與柴油質(zhì)量流量均通過(guò)美國(guó)高準(zhǔn)(Micro Motion)公司的科里奧利(Coriolis)傳感器測(cè)得。試驗(yàn)所使用燃料為市售柴油與氨。

試驗(yàn)工況為1 200 r / min、1.25 kNm。試驗(yàn)過(guò)程中，保持氨噴射壓力、高壓共軌壓力、進(jìn)氣總管壓力與進(jìn)氣溫度不變。機(jī)油溫度控制在100～105℃。柴油采用2次噴射策略。

第1 次噴射時(shí)刻的基準(zhǔn)點(diǎn)為：上止點(diǎn)前(after top dead center，ATDC) 曲軸轉(zhuǎn)角(crank angle，CA)為50°，其調(diào)整范圍為基準(zhǔn)點(diǎn)前后10°。

第1 次噴射量的調(diào)整范圍為預(yù)設(shè)第1 次噴射量最大值的25%～100%。第2 次噴射時(shí)刻和2 次噴射的柴油總質(zhì)量不變。通過(guò)控制氨的質(zhì)量流量保持發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不變。氨能量替代率為(50±5)%。氨能量替代率(ammonia energy fraction，AEF)為

式中：qm為質(zhì)量流量，LHV 為低熱值；角標(biāo)D 表示柴油的，角標(biāo)N 表示氨的。

溫室氣體GHG 相對(duì)排放率為：

式中：φ(CO2)、φ(N2O)分別為排氣中CO2的、N2O 的體積分?jǐn)?shù)；角標(biāo)D 表示純柴油工況下的。

通過(guò)瞬時(shí)缸壓(p)與缸內(nèi)瞬時(shí)體積(V)可得缸內(nèi)的瞬時(shí)放熱率為

式中，Q為累計(jì)放熱量，θ為曲軸轉(zhuǎn)角，γ為混合氣比熱比。

若令(dp/dθ)max為最大壓升率，則相對(duì)最大壓升率為

式中：角標(biāo)D 表示純柴油工況下的。同理可得NH3、NOx、CO2、N2O、CO 和THC 的相對(duì)排放率，例如ω(NH3)等。

令CA05、CA50 和CA90 分別代表累計(jì)放熱量5%、50%和90%時(shí)的CA；CAd代表燃燒持續(xù)期的CA，其定義為CA90 與CA05 的間隔；ηe代表有效熱效率。在下文中，這些數(shù)值以相對(duì)于純柴油工況的數(shù)值表示。η(NH3)代表氨燃燒效率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3 展示了不同直噴噴射策略對(duì)缸壓及放熱率曲線(xiàn)的影響。觀(guān)察圖3a 可得，當(dāng)?shù)? 次噴射量(下簡(jiǎn)稱(chēng)為噴射量，ω)為最大設(shè)定值的25%時(shí)，第1 次噴射時(shí)刻(下簡(jiǎn)稱(chēng)為噴射時(shí)刻，CA1)對(duì)缸壓及放熱曲線(xiàn)無(wú)影響。這表明該策略下第1 次噴入的柴油并沒(méi)有起到引燃氨預(yù)混合氣的作用。此時(shí)，第2 次噴入缸內(nèi)的柴油主導(dǎo)了燃燒。噴射量增加后，改變噴射時(shí)刻會(huì)影響缸壓及放熱曲線(xiàn)。缸內(nèi)燃料的起燃時(shí)刻隨著噴射時(shí)刻的提前而推遲。這是由于噴射時(shí)刻提前后，噴入的燃料有更多的時(shí)間揮發(fā)與混合，因此柴油的分布更廣，局部活性下降。起燃時(shí)刻的推遲也使得第1 次噴入的燃料的燃燒相位與第2 次噴入的燃料的燃燒相位逐漸接近，兩部分燃料的放熱相互疊加導(dǎo)致了最大瞬時(shí)放熱率的升高。

圖3 不同直噴噴射策略對(duì)缸壓及放熱曲線(xiàn)的影響

圖4 為不同直噴噴射策略下的最大壓升率。噴射量增加使起燃時(shí)刻提前，燃燒靠近上止點(diǎn)。另一方面，噴射量增加也會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)的預(yù)混燃燒比例增加，燃燒放熱更快。在兩者的共同作用下，氨柴燃燒模式的壓升率偏高。在本研究中出現(xiàn)的最大壓升率接近純柴油模式的170%，此時(shí)噴射量為最大設(shè)定值，噴射時(shí)刻(相對(duì))為10°。觀(guān)察圖3f 可得，該策略下第1 階段放熱速率較快。大量的柴油與氨預(yù)混合氣混合，提高了整個(gè)燃燒室內(nèi)氣體的活性，在較短時(shí)間內(nèi)燃燒放熱。

圖4 不同直噴噴射策略對(duì)最大壓升率的影響

圖5 對(duì)比了不同直噴噴射策略對(duì)燃燒相位的影響。

圖5 不同噴射策略對(duì)燃燒相位的影響

觀(guān)察圖5a 可得，隨著噴射量的增大，CA05 提前。這是因?yàn)榈? 次噴入的柴油占比提升，增強(qiáng)了預(yù)混合氣的活性導(dǎo)致起燃時(shí)刻的提前。當(dāng)噴射量大于最大設(shè)定值的50%后，隨柴油噴射時(shí)刻提前，其與缸內(nèi)的氨預(yù)混合氣有更多的時(shí)間混合，使局部混合氣活性降低，化學(xué)速率減緩，從而CA05 推遲。

圖5b 展示了不同噴射策略下CA50 的變化。隨著噴射量的增加，CA50 提前。這是由第1 階段燃燒相位提前與放熱量增大共同導(dǎo)致的。隨著噴射時(shí)刻的提前，CA50 推遲，但其推遲幅度比CA05 小。這表明CA50由第1 階段燃燒和第2 階段燃燒共同控制，第1 階段燃燒放熱推遲對(duì)CA05 的影響較小。

圖5c 為不同噴射策略下CA90 的變化。當(dāng)噴射量為最大設(shè)定值的25%時(shí)，氨柴模式的CA90 比純柴油模式的CA90 晚，這是因?yàn)樵趪娙氲牟裼筒荒苡行б及鳖A(yù)混合氣的情況下，氨的低化學(xué)活性及低火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)使燃燒后期放熱減緩。當(dāng)噴射量大于最大設(shè)定值的50%后，氨柴模式的CA90 早于純柴油模式的CA90。一方面，噴入的燃料引燃了遠(yuǎn)離燃燒室中心的氨預(yù)混合氣，加速了燃燒；另一方面，柴油第2 次噴射量的減少，噴油結(jié)束時(shí)刻相比純柴油模式早。

圖5d 為不同策略下的燃燒持續(xù)期。當(dāng)噴射量為最大設(shè)定值的25%時(shí)，氨的加入導(dǎo)致整體燃燒相位的推遲，且由于氨的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷龑?dǎo)致燃燒后期的放熱緩慢，此時(shí)氨柴模式的燃燒持續(xù)期長(zhǎng)于純柴油模式。當(dāng)噴射量增加后，遠(yuǎn)離燃燒室中心的氨預(yù)混合氣被噴入的燃料引燃，CA90 大幅提前，燃燒持續(xù)期縮短。進(jìn)一步增加噴射量會(huì)導(dǎo)致CA05 提前，但此時(shí)燃燒后期放熱的提前幅度較小，燃燒持續(xù)期增加。

不同噴射策略下的有效熱效率如圖6 所示。當(dāng)噴射量為最大設(shè)定值的25%時(shí)，活塞凹坑外部的氨預(yù)混合氣未被柴油引燃，所以有效熱效率比原柴油有效熱效率低3%。隨著噴射量的提高，柴油引燃了更多的氨，因此有效熱效率上升。當(dāng)噴射量進(jìn)一步增大后，由于CA05 的提前使得在上止點(diǎn)前燃燒放熱的比例增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)功增加并增大了傳熱損失，因此有效熱效率降低。提前噴射時(shí)刻減少了燃燒做的負(fù)功以及傳熱損失且能夠引燃更多的氨，有利于提高熱效率。但這會(huì)導(dǎo)致局部混合氣過(guò)稀，使柴油的燃燒效率惡化。受這幾方面因素的影響，當(dāng)噴射時(shí)刻提前至基準(zhǔn)點(diǎn)前時(shí)，有效熱效率受?chē)娚鋾r(shí)刻的影響較小，最高有效熱效率比純柴油模式高1.2 個(gè)百分點(diǎn)，此時(shí)噴射量為最大設(shè)定值的65%，噴射時(shí)刻(相對(duì))為-5°。該工況下燃燒主要發(fā)生在上止點(diǎn)后，且燃燒持續(xù)期短、氨燃燒效率高。

圖6 不同噴射策略對(duì)有效熱效率的影響

圖7展示了不同噴射策略下對(duì)各氣體排放物的影響。從圖7a 和7b 中可知，噴射量的提高增強(qiáng)了氨預(yù)混合氣的活性，從而氨燃燒效率提升。隨著噴射時(shí)刻的提前，氨的燃燒效率先增加后降低。這是因?yàn)閲娙氲牟裼瓦M(jìn)入了活塞凹坑的外部，引燃了該區(qū)域的氨，如圖8 所示。但噴射時(shí)刻進(jìn)一步提前會(huì)使柴油有更多的時(shí)間與氨混合，局部燃空當(dāng)量比降低，活性下降。

圖7 不同噴射策略對(duì)氣體排放物的影響

圖8 缸內(nèi)第1 次噴射噴霧混合示意圖

圖7c 為不同噴射策略下的NOx排放。在氨柴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，NOx排放的主要成因有2 種，一種為高溫NOx排放，即高溫下氮?dú)鉄峤馍?；另一種則是燃料NOx排放，即氨的不完全燃燒產(chǎn)物。當(dāng)噴射量為最大設(shè)定值的25%時(shí)，由于氨燃燒效率低，缸內(nèi)溫度低，因此高溫NOx排放低于純柴油的NOx排放。隨著噴射量的增加，更多的氨參與燃燒，燃燒室內(nèi)溫度的提升促進(jìn)了高溫NOx生成；同時(shí)，在活塞縫隙等溫度較低的地方由于氨不完全燃燒產(chǎn)生燃料NOx排放。兩者共同作用使NOx排放增加。當(dāng)噴射時(shí)刻提前，噴入的柴油能夠更廣的覆蓋活塞凹坑外的區(qū)域，使局部高溫區(qū)減少，有利于降低高溫NOx排放。

圖7d 展示了不同策略下的CO2排放，由于氨的加入，相比純柴油模式少?lài)娙肓?0%的柴油。因此CO2排放降低。N2O 作為氨燃燒的中間產(chǎn)物，主要在低溫富氧區(qū)域生成。噴射量提升使活塞凹坑外部的溫度上升，因此降低了N2O 排放，如圖7e 所示。隨著噴射時(shí)刻的提前，凹坑外的混合氣偏稀，燃燒溫度降低，從而N2O 排放增加。發(fā)動(dòng)機(jī)的GHG 排放，如圖7f 所示。通過(guò)優(yōu)化噴射策略，GHG 能夠減少37%。

圖7g 和7h 分別展示了不同噴射策略下的CO 和THC 排放。當(dāng)噴射量增加時(shí)，由于高溫區(qū)增加，CO排放降低。而由于此時(shí)壓噴入的柴油容易撞擊壁面，造成濕壁，因此THC 排放惡化。當(dāng)噴射時(shí)刻提前時(shí)，由于柴油混合的更充分，燃燒溫度降低，CO 和THC排放有所增加。

3 結(jié) 論

本文研究了高壓縮比條件下，氨柴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放特性。試驗(yàn)工況為1 200 r/min、1.25 kNm。氨能量替代率為50%。柴油采用了2 次噴射策略。具體結(jié)論如下：

1) 提高氨柴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比至21，在50%氨能量替代率下能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。采用氨柴燃燒模式，最大壓升率高于純柴油模式，最大壓升率接近純柴油模式的170%。

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率隨第1 次噴射量的增加先增大后減小。氨柴燃燒模式的最高有效熱效率相比同壓縮比下純柴油模式的最高有效熱效率高1.2個(gè)百分點(diǎn)。第1 次噴射量為最大設(shè)定值的65%，第1 次噴射時(shí)刻相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)提前5°。

3) 增大第1 次噴射量能提高氨的燃燒效率，且N2O 和CO 排放分別減少85%和50%，但會(huì)惡化NOx和THC 排放。提前第1 次噴射時(shí)刻能使NOx排放減少30%，但會(huì)惡化N2O，CO 和THC 排放。為使發(fā)動(dòng)機(jī)起到減少GHG 排放的目的，第1 次噴射量不低于最大設(shè)定值的65%。

因此，相比純柴油模式，本文的優(yōu)化噴射策略可使溫室氣體排放減少37%。