預(yù)噴參數(shù)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響

陳慶濤，劉軍恒，孫 平，嵇 乾，瞿 磊

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南通職業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007)

目前，石油資源短缺和溫室效應(yīng)已引起越來(lái)越廣泛的關(guān)注，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的燃料主要為化石燃料，在消耗石油燃料的同時(shí)造成了較多的溫室氣體排放[1-2]。為了減少石油資源的消耗以及實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略政策，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多技術(shù)手段，其中，探索新型可再生含氧燃料以及采用低溫燃燒方式已經(jīng)成為降低柴油機(jī)燃料消耗和控制污染物排放的主要技術(shù)途徑[3-5]。

乙醇燃料是一種碳中性燃料，能夠降低柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的碳排放，同時(shí)也是一種廣泛存在的可再生新型高含氧燃料(氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.8%)[6]。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料能量輸入相同的條件下，與柴油相比，使用乙醇燃料對(duì)控制溫室氣體排放和降低不可再生的化石燃料使用具有較大的潛力，有利于滿足當(dāng)前和未來(lái)的內(nèi)燃機(jī)“雙碳”目標(biāo)。因此，乙醇燃料在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

乙醇理化性質(zhì)和柴油相比差別較大，且乙醇具有較高的極性，導(dǎo)致兩者互溶性較差且混合溶液難以保持穩(wěn)定存在[7-8]，所以乙醇在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的研究多采用雙燃料模式。Chen等[9]對(duì)柴油/甲醇、柴油/乙醇和柴油/正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用醇類燃料可以增強(qiáng)柴油的預(yù)混燃燒，加快擴(kuò)散燃燒速率，導(dǎo)致放熱率峰值和缸內(nèi)壓力峰值增加，同時(shí)替代率的增加會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和碳煙(Soot)排放量，而且在提升發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率(BTE)方面，乙醇較甲醇和正丁醇燃料更為有效。Wei等[10]對(duì)高負(fù)荷下乙醇/柴油反應(yīng)活性控制壓燃(RCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)，乙醇替代率增大會(huì)導(dǎo)致預(yù)混燃燒比例提高，燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力增大，而且在保障發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)能夠有效降低NOx和Soot排放量，但是乙醇的高汽化潛熱也會(huì)顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)缸內(nèi)溫度和燃燒溫度，缸內(nèi)燃料燃燒效率的惡化，導(dǎo)致CO和HC排放量增加。董世軍等[11]采用一臺(tái)單缸柴油機(jī)研究了燃料分層對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，采用乙醇燃料可以使低反應(yīng)活性的醇與新鮮空氣充分混合，形成均質(zhì)的混合氣，在降低混合氣活性的同時(shí)形成缸內(nèi)混合氣的活性分層。韓偉強(qiáng)等[12]試驗(yàn)研究了不同噴油正時(shí)對(duì)乙醇/柴油RCCI低負(fù)荷燃燒與排放特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提前噴油正時(shí)使缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和平均溫度峰值逐漸增大，NOx排放量隨著噴油正時(shí)的提前先增大后減小，而Soot排放量變化趨勢(shì)則相反，HC和CO排放量逐漸減小。

上述研究表明，采用預(yù)混乙醇燃燒模式可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和Soot排放，抑制壓力升高率和降低燃燒噪聲，也能提高發(fā)動(dòng)機(jī)BTE，但是也造成了HC和CO排放量較高的問(wèn)題。高活性柴油燃料的噴射參數(shù)對(duì)缸內(nèi)燃料活性分布和燃燒放熱過(guò)程具有較大的影響，進(jìn)而影響到燃燒污染物的生成特性，因此，筆者開展柴油預(yù)噴參數(shù)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律研究，探究雙燃料燃燒模式的最優(yōu)預(yù)噴策略，以期提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)有害物排放。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)直列四缸增壓中冷高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。首先，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了乙醇/柴油雙燃料燃燒模式，圖1為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)示意圖。在雙燃料模式下，乙醇燃料通過(guò)在進(jìn)氣道上安裝的一套電控乙醇噴射系統(tǒng)在進(jìn)氣行程噴入進(jìn)氣管內(nèi)并與新鮮空氣均勻混合后進(jìn)入氣缸，然后由缸內(nèi)直噴柴油燃料將其引燃，其中乙醇燃料的噴射壓力、噴射時(shí)間、噴射脈寬和噴射次數(shù)等控制參數(shù)通過(guò)乙醇電子控制單元(ECU)控制，而柴油燃料的噴射時(shí)刻、噴射油量和噴射壓力等控制參數(shù)由INCA軟件和開放式ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main specifications of diesel engine

ECU—Electronic control unit；FTIR—Fourier transform infra-red；HORIBA—A manufacturer of vehicle emission measurement system； INCA—Integrated calibration and application plat form圖1 試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test bench system

在試驗(yàn)中，乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩由湘儀公司生產(chǎn)的CAC250型電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；采用Horiba公司生產(chǎn)的MEXA 7200D型氣體排放分析儀測(cè)量雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOx、CO和HC等常規(guī)氣體排放量；采用AVL公司415S型濾紙式煙度計(jì)測(cè)量Soot排放量；采用AVL公司的SESAM i60 FTIR型多組分尾氣分析儀測(cè)量雙燃料燃燒模式產(chǎn)生的甲醛、乙醛和乙烯等對(duì)人體危害嚴(yán)重的非常規(guī)排放物量[13-14]。利用AVL公司的735S型瞬時(shí)油耗儀和博灝公司的FCM-04型穩(wěn)態(tài)醇耗儀分別測(cè)量雙燃料模式下的柴油和乙醇的油耗率。通過(guò)AVL公司的GH14P型壓力傳感器采集缸內(nèi)壓力信號(hào)，然后利用Kistler公司的5011B10型信號(hào)放大器將缸內(nèi)壓力信號(hào)放大后輸入燃燒分析儀中進(jìn)行缸內(nèi)壓力和放熱率等參數(shù)計(jì)算。缸內(nèi)壓力信號(hào)采樣間隔為0.5° CA，為了保證測(cè)量結(jié)果的精度，每個(gè)工況點(diǎn)下連續(xù)采集200個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的壓力值，然后計(jì)算燃燒放熱平均值。

1.2 試驗(yàn)方法

選用國(guó)Ⅵ車用柴油及乙醇(純度為99.9%，分析純)作為試驗(yàn)燃料，柴油和乙醇燃料主要性質(zhì)如表2所示。試驗(yàn)選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為75%和100%，即平均有效壓力(BMEP)為0.81 MPa和1.05 MPa 2個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣再循環(huán)(EGR)閥始終保持關(guān)閉狀態(tài)，即廢氣循環(huán)率為0。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度和冷卻液溫度分別控制在50 ℃和80 ℃。通過(guò)進(jìn)氣道上加裝的電控噴油器噴入乙醇，噴射時(shí)刻固定在上止點(diǎn)前(BTDC)136° CA，噴射壓力為0.6 MPa，進(jìn)入氣缸內(nèi)的乙醇燃料的能量占循環(huán)燃料總能量的30%。柴油噴射參數(shù)包括預(yù)噴正時(shí)、預(yù)噴油量、預(yù)-主噴間隔等，對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響研究中的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表2 柴油和乙醇燃料的主要性質(zhì)Table 2 Main properties of diesel and ethanol fuels

表3 試驗(yàn)工況和柴油噴射參數(shù)Table 3 Experimental conditions and diesel injection parameters

通常有效能量消耗率(BSEC，MJ/(kW·h))和有效熱效率(BTE，%)是評(píng)價(jià)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Be和Bd分別為乙醇和柴油的燃料消耗率，kg/h；LHVe和LHVd分別為乙醇和柴油的低熱值，MJ/kg；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率，kW。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)噴正時(shí)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖2為不同負(fù)荷下預(yù)噴正時(shí)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，放熱率呈現(xiàn)多峰放熱趨勢(shì)，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，預(yù)噴燃燒相位提前且放熱率峰值隨之增加，缸內(nèi)壓力峰值和最大壓力升高率不斷升高。在BMEP=0.81 MPa時(shí)，當(dāng)預(yù)噴正時(shí)從13° CA BTDC提前至25° CA BTDC時(shí)，預(yù)噴燃燒相位由5° CA BTDC提前至13° CA BTDC，缸內(nèi)壓力峰值由10.59 MPa增加至11.40 MPa。這是由于隨著柴油預(yù)噴時(shí)刻的提前導(dǎo)致預(yù)噴柴油有足夠時(shí)間在缸內(nèi)霧化和蒸發(fā)擴(kuò)散，使燃料和空氣更充分地混合，預(yù)混燃燒比例增大，缸內(nèi)局部區(qū)域滿足柴油燃燒條件，混合氣多點(diǎn)著火，燃燒室中的燃料發(fā)生快速氧化反應(yīng)，導(dǎo)致預(yù)噴階段缸內(nèi)的燃燒溫度和壓力迅速升高，壓力升高率增大；同時(shí)在主噴燃燒階段的滯燃期縮短，缸內(nèi)柴油/空氣預(yù)混合氣減少，預(yù)混合燃燒速率降低，降低了缸內(nèi)的壓力升高率，使得上止點(diǎn)(TDC)附近的缸內(nèi)壓力曲線更加平緩。在BMEP=0.81 MPa時(shí)，當(dāng)預(yù)噴正時(shí)提前至22° CA BTDC時(shí)，放熱率曲線逐漸由雙峰分布向三峰分布變化，且在BMEP=1.05 MPa時(shí)，這種變化趨勢(shì)更加顯著，這是由于缸內(nèi)的燃燒溫度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而提高，主噴柴油的油束外圍霧化效果更好，導(dǎo)致缸內(nèi)的部分預(yù)混合氣更容易被壓燃。

圖3為不同負(fù)荷下預(yù)噴正時(shí)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)排放和非常規(guī)排放的影響。結(jié)果表明，在BMEP=0.81 MPa和BMEP=1.05 MPa時(shí)，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，CO、HC和Soot排放量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但NOx排放量卻逐漸增加。BMEP=0.81 MPa工況下，當(dāng)預(yù)噴正時(shí)從13° CA BTDC提前至25° CA BTDC時(shí)，HC排放量降低了33.06%，CO排放降低了24.58%，Soot排放量降低了40.18%，但NOx排放量增加了18.03%。這是由于預(yù)噴正時(shí)的提前，缸內(nèi)工質(zhì)燃燒溫度升高，促進(jìn)了CO和HC氧化反應(yīng)過(guò)程。此外，整個(gè)燃燒過(guò)程以擴(kuò)散燃燒為主，預(yù)噴正時(shí)的提前使預(yù)混燃燒比例升高，而且有利于改善混合氣的活性，生成較多的易燃產(chǎn)物和活化基，從而導(dǎo)致HC和CO排放量減少。NOx與Soot的產(chǎn)生與缸內(nèi)溫度和氧氣濃度分布密切相關(guān)，先導(dǎo)噴射的柴油進(jìn)入氣缸的時(shí)間越早，缸內(nèi)混合氣混合的時(shí)間越長(zhǎng)，減少了缸內(nèi)局部燃料濃度不均性，同時(shí)乙醇燃料的添加增加了混合氣中的氧含量[15]，從而導(dǎo)致NOx排放量逐漸增加，Soot排放量則減小，在22° CA BTDC預(yù)噴正時(shí)下，Soot排放量達(dá)到最低值。由圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛、乙醛和乙烯的排放量逐漸減少，這一趨勢(shì)在BMEP=0.81 MPa下更加顯著，當(dāng)預(yù)噴正時(shí)從13° CA BTDC提前至25° CA BTDC時(shí)，甲醛、乙醛和乙烯的排放量分別降低了26.5%、36.7%和43.9%；而在BMEP=1.05 MPa下，他們分別降低10.17%、17.94%和11.60%。甲醛是烴類氧化的中間產(chǎn)物，而乙醛是由未燃乙醇在低溫條件下脫氫生成的，其產(chǎn)生路徑如式(3)、式(4)所示。

BMEP—Brake mean effective pressure；BTDC—Before top dead center；ATDC—After top dead center圖2 預(yù)噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響Fig.2 Effect of pilot injection timing on combustion characteristics of dual-fuel engine BMEP/MPa：(a)0.81；(b)1.05 Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection quantity=4.0 mg/cyc；Main injection timing=5° CA BTDC

RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO

(3)

CH3CH2OH+O2→CH2CHO+H2O

(4)

甲醛和乙醛主要存在于燃燒室壁面的淬熄層，與缸內(nèi)空燃比和溫度分布密切相關(guān)，預(yù)噴正時(shí)提前引起的工質(zhì)溫度升高會(huì)降低壁面淬熄效果，促進(jìn)甲醛的氧化，同時(shí)也破壞了乙醛低溫低氧的生成環(huán)境，而在BMEP=1.05 MPa下初始燃燒溫度高于BMEP=0.81 MPa時(shí)，因而預(yù)噴正時(shí)對(duì)其非常規(guī)排放的影響效果相對(duì)較弱。

圖4為不同負(fù)荷下預(yù)噴正時(shí)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)BTE和BSEC的影響。由圖4可知，BTE隨著預(yù)噴正時(shí)的提前呈下降趨勢(shì)，BSEC則逐漸增高，且這一趨勢(shì)在BMEP=0.81 MPa下更為顯著。當(dāng)預(yù)噴正時(shí)從13° CA BTDC提前至25 ° CA BTDC時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的BTE降低了4.94%，而BSEC增加了4.79%。這是由于預(yù)噴正時(shí)的提前使得預(yù)噴燃油在壓縮過(guò)程中提前著火，且引燃了部分乙醇預(yù)混氣，使得雙燃料燃燒始點(diǎn)提前，活塞到達(dá)上止點(diǎn)前消耗的燃料增多，燃燒負(fù)功增加，最終導(dǎo)致雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)BTE下降、燃油消耗率增加。而BMEP=1.05 MPa工況下，BTE和BSFC的變化相對(duì)較小，BTE僅降低了1.39%，這是由于在高負(fù)荷時(shí)較高的缸內(nèi)溫度加速了燃燒進(jìn)程，從而使燃燒放熱過(guò)程受預(yù)噴正時(shí)的影響較小。

2.2 預(yù)噴油量對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖5為不同負(fù)荷下預(yù)噴油量對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響。由圖5可知，在預(yù)噴策略下雙燃料燃燒缸內(nèi)放熱率曲線始終呈現(xiàn)雙峰分布，預(yù)噴放熱率峰值位于10° CA BTDC附近，且預(yù)噴放熱率峰值隨著預(yù)噴油量的增大而增大，缸內(nèi)壓力峰值也逐漸增加，而主噴放熱率峰值則不斷減小。這是由于預(yù)噴油量增加后，引燃缸內(nèi)乙醇均質(zhì)混合氣的點(diǎn)火能量增強(qiáng)，且高負(fù)荷下的缸內(nèi)溫度和壓力也較高，導(dǎo)致更多的預(yù)混合氣被點(diǎn)燃。預(yù)噴燃燒階段的缸內(nèi)壓力峰值隨著預(yù)噴油量的增加而增加，當(dāng)預(yù)噴油量從2.5 mg/cyc增加到4.5 mg/cyc時(shí)，在BMEP=0.81 MPa和1.05 MPa下的缸內(nèi)壓力峰值分別增加了6.02%和3.13%。一方面，預(yù)噴柴油的增加積累了大量的活化基和氧化反應(yīng)物質(zhì)，削弱了乙醇對(duì)柴油著火的抑制作用，增加多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火的可能性，并加快了燃燒速率；另一方面，乙醇混合氣在壓縮行程中溫度升高加快，改善了主噴柴油霧化和蒸發(fā)，使燃燒放熱更加集中。

BMEP—Brake mean effective pressure；BTDC—Before top dead center圖3 預(yù)噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響Fig.3 Effect of pilot injection timing on emission characteristics of dual-fuel engine(a)Regular emissions；(b)Unregulated emissions Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection quantity=4.0 mg/cyc；Main injection timing=5° CA BTDC

BMEP—Brake mean effective pressure；BTDC—Before top dead center；BSEC—Brake specific energy consumption；BTE—Brake thermal effeciency圖4 預(yù)噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.4 Effect of pilot injection timing on fuel economy of dual-fuel engine(a)BTE；(b)BSEC Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection quantity=4.0 mg/cyc；Main injection timing=5° CA BTDC

圖5 預(yù)噴油量對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響Fig.5 Effect of pilot injection quantity on combustion characteristics of dual-fuel engine BMEP/MPa：(a)0.81；(b)1.05 Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection timing=19° CA BTDC；Main injection timing=5° CA BTDC

不同負(fù)荷下預(yù)噴油量對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響如圖6所示。由圖6可見，在BMEP=0.81 MPa下，隨著預(yù)噴油量從2.5 mg/cyc增加至4.5 mg/cyc，CO排放量降低了10.78%，HC排放量降低了4.2%，而NOx排放量增加了21.85%。這是因?yàn)殡S著預(yù)噴油量的增加導(dǎo)致預(yù)噴燃燒放熱量增加，燃燒溫度逐漸增加，減小了壁面對(duì)火焰產(chǎn)生的冷激效應(yīng)，而且分布在乙醇混合氣中的柴油量增加，導(dǎo)致乙醇混合氣的反應(yīng)活性和著火面積增加，燃燒速率加快，高溫持續(xù)時(shí)間有所延長(zhǎng)，兩者均有利于CO和HC的氧化反應(yīng)，但NOx的生成會(huì)顯著增加。隨著預(yù)噴油量的增加，Soot排放量呈先下降后上升的趨勢(shì)，在預(yù)噴油量為3.0 mg/cyc時(shí)達(dá)到最低值0.07 FSN。這是由于預(yù)噴油量小于3.0 mg/cyc時(shí)缸內(nèi)預(yù)混合氣數(shù)量隨著預(yù)噴油量的增加而增大，預(yù)混燃燒比例增加，Soot排放量下降；但隨著預(yù)噴油量的進(jìn)一步增加，預(yù)混合氣中也會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)濃區(qū)或柴油附壁現(xiàn)象，從而導(dǎo)致Soot生成量增加。在BMEP=0.81 MPa下，隨著預(yù)噴油量的增加，甲醛和乙醛排放量逐漸降低，預(yù)噴油量從2.5 mg/cyc增加到4.5 mg/cyc，甲醛和乙醛排放量分別降低了8.59%和8.13%。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷從BMEP=0.81 MPa增加至BMEP=1.05 MPa時(shí)，CO和HC排放量以及各種非常規(guī)排放量均降低，然而，其排放量基本不受預(yù)噴油量的影響。這是因?yàn)樵谳^高負(fù)荷和預(yù)噴策略下乙醇和柴油燃料的預(yù)混燃燒使缸內(nèi)整體溫度比較高，改善了主噴柴油的霧化和蒸發(fā)質(zhì)量，燃燒室內(nèi)的燃料燃燒更加充分，造成CO和HC排放量降低，同時(shí)淬熄層也較小，因此，甲醛和乙醛的排放量也相對(duì)較小。

圖6 預(yù)噴油量對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響Fig.6 Effect of pilot injection quantity on emission characteristics of dual-fuel engine(a)Regular emissions；(b)Unregulated emissions Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection timing=19° CA BTDC；Main injection timing=5° CA BTDC

圖7為不同負(fù)荷下預(yù)噴油量對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)BTE和BSEC的影響。從圖7可以看出，隨著預(yù)噴油量的增大，BTE先增加后降低，而BSEC則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。在BMEP=0.81 MPa和1.05 MPa工況下，預(yù)噴油量為3.0 mg/cyc時(shí)，BTE達(dá)到最大值38.90%和39.30%，BSEC達(dá)到最低值9.25 MJ/(kW·h)和9.15 MJ/(kW·h)。相較于預(yù)噴時(shí)刻變化，預(yù)噴油量對(duì)BTE和BSEC的影響并不明顯。這主要是因?yàn)轭A(yù)噴油量增加導(dǎo)致燃燒重心逐漸提前，定容燃燒比例提高[16]，從而使BTE逐漸增加。然而，隨著預(yù)噴油量的進(jìn)一步提高，預(yù)噴柴油放熱量也增加，導(dǎo)致壓縮負(fù)功增加，而主噴柴油量不斷減少，發(fā)動(dòng)機(jī)在做功沖程釋放的熱量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出功率開始降低，不利于BTE的增加。

圖7 預(yù)噴油量對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.7 Effect of pilot injection quantity on fuel economy of dual-fuel engine(a)BTE；(b)BSEC Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection timing=19° CA BTDC；Main injection timing=5° CA BTDC

2.3 預(yù)噴策略下主噴正時(shí)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

在預(yù)噴策略下不同負(fù)荷的主噴正時(shí)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱率曲線的影響如圖8所示。由圖8可以看出，在BMEP=0.81 MPa下放熱率曲線呈現(xiàn)雙峰放熱趨勢(shì)，且隨著主噴正時(shí)的提前，主噴燃燒相位逐漸提前，當(dāng)主噴正時(shí)為11° CA BTDC時(shí)放熱率峰值相位處于上止點(diǎn)附近。同時(shí)，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力也隨著主噴正時(shí)的提前而大幅度增加，當(dāng)主噴正時(shí)從1° CA BTDC提前至11° CA BTDC時(shí)，在BMEP=0.81 MPa下最大缸內(nèi)壓力增加了31.91%，在BMEP=1.05 MPa下增加了26.98%。在高負(fù)荷下，當(dāng)主噴正時(shí)在1～5° CA BTDC時(shí)，放熱率曲線呈現(xiàn)三峰放熱趨勢(shì)；而隨著主噴正時(shí)進(jìn)一步提前至7～11° CA BTDC范圍內(nèi)，放熱率曲線轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰放熱趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诟哓?fù)荷工況下的缸內(nèi)溫度高，主噴的柴油霧化混合效果好，在油束外圍區(qū)域燃燒出現(xiàn)放熱小波峰，但是由于主噴正時(shí)提前會(huì)延長(zhǎng)滯燃期，使得主噴油柴油與缸內(nèi)充量的混合過(guò)程更加均勻，從而使放熱更加集中[17]。

圖9為在預(yù)噴策略下不同負(fù)荷的主噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響。由圖9(a)可知：CO、HC和Soot排放量隨著主噴正時(shí)的提前逐漸降低，而NOx排放量增加；隨著負(fù)荷的增加，CO和HC排放量降低，并且在高負(fù)荷下CO和HC排放量隨主噴正時(shí)變化的趨勢(shì)相對(duì)平緩。這是由于柴油主噴正時(shí)的提前，主噴燃料著火滯燃期會(huì)延長(zhǎng)，使得柴油在燃燒開始前能夠更加充分混合，改善了燃燒過(guò)程；此外，較高的缸內(nèi)溫度和壓力會(huì)促進(jìn)CO、HC和Soot的進(jìn)一步氧化反應(yīng)，但較高的燃燒溫度會(huì)導(dǎo)致NOx排放量增加。在BMEP=1.05 MPa下，當(dāng)主噴正時(shí)為11° CA BTDC時(shí)，相較于原機(jī)工況，CO排放量降低了7.3%，Soot排放量降低了52.63%，而NOx排放量增加了40.8%。從圖9(b)中可以看出，在BMEP=0.81 MPa下，雙燃料燃燒的甲醛、乙醛和乙烯的排放量隨著柴油主噴正時(shí)的提前而降低，柴油主噴正時(shí)從1° CA BTDC提前至11° CA BTDC，甲醛、乙醛和乙烯排放量分別降低了46.63%、35.29%和39.75%。這是因?yàn)橹鲊娬龝r(shí)提前導(dǎo)致甲醛的前驅(qū)物質(zhì)HC排放量減少，而且缸內(nèi)溫度升高會(huì)促進(jìn)甲醛的進(jìn)一步氧化，也改善了乙醇燃燒過(guò)程，所以造成了醛類排放量的降低。在BMEP=1.05 MPa下，主噴正時(shí)從1° CA BTDC向5° CA BTDC變化時(shí)，甲醛、乙醛和乙烯排放量略有升高，但隨著主噴正時(shí)進(jìn)一步提前，三者基本不變并保持較低水平。在BMEP=0.81 MPa和1.05 MPa工況下，當(dāng)主噴正時(shí)為11° CA BTDC時(shí)，與原機(jī)工況相比，甲醛排放量分別降低了28.91%和4.17%，乙醛排放量降低了7.62%和6.61%，乙烯排放量分別降低了18.79%和10.34%。

圖8 主噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響Fig.8 Effect of main injection timing on combustion characteristics of dual-fuel engine BMEP/MPa：(a)0.81；(b)1.05 Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection quantity=3.0 mg/cyc；Pilot injection timing=19° CA BTDC

圖9 主噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響Fig.9 Effect of main injection timing on emission characteristics of dual-fuel engine(a)Regular emissions；(b)Unregulated emissions Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection quantity=3.0 mg/cyc；Pilot injection timing=19° CA BTDC

在預(yù)噴策略下不同負(fù)荷的主噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)BTE和BSEC的影響如圖10所示。由圖10可以看出，隨著主噴正時(shí)的提前，雙燃料燃燒的BTE不斷增加，而BSEC呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。當(dāng)主噴正時(shí)為11° CA BTDC時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在BMEP=0.81 MPa和1.05 MPa工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性能最好，BSEC分別為9.54和9.25 MJ/(kW·h)，BTE的最大值分別為39.50%和40.31%；與原機(jī)相比，2種工況下的BTE分別增加了2.27%和2.62%。這是由于在主噴正時(shí)較晚的情況下，會(huì)使雙燃料燃燒重心滯后，引起嚴(yán)重的后燃現(xiàn)象，使得發(fā)動(dòng)機(jī)做功效率下降；而隨著引燃柴油主噴時(shí)刻的提前，燃燒相位逐漸靠近上止點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失會(huì)減少，燃燒等容度也改善，因此，燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)提高。

圖10 主噴正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.10 Effect of main injection timing on fuel economy of dual-fuel engine(a)BTE；(b)BSEC Conditions：n=1800 r/min；Pilot injection quantity=3.0 mg/cyc；Pilot injection timing=19° CA BTDC

3 結(jié) 論

(1)隨著柴油預(yù)噴時(shí)刻的提前，預(yù)噴柴油與乙醇預(yù)混氣的混合更加充分，缸內(nèi)峰值壓力升高，預(yù)噴燃燒階段最大壓力升高率增加，而上止點(diǎn)附近的缸內(nèi)壓力曲線更加平緩；Soot、HC、CO、甲醛、乙醛和乙烯排放量降低，但NOx排放量會(huì)增加。過(guò)早的預(yù)噴正時(shí)導(dǎo)致放熱率曲線由雙峰分布向三峰分布轉(zhuǎn)變，在高負(fù)荷下趨勢(shì)更加明顯。

(2)隨著柴油預(yù)噴油量的增加，雙燃料模式的預(yù)噴燃燒放熱率峰值增大，主噴燃燒放熱率峰值逐漸降低，缸內(nèi)壓力峰值逐漸增加，CO和HC排放量降低，但NOx排放量增加。在BMEP=0.81 MPa下，預(yù)噴油量由2.5 mg/cyc增加到4.5 mg/cyc時(shí)，CO和HC排放量分別降低了10.78%和4.2%，NOx排放量增加了21.85%；雙燃料燃燒的BTE先升高后降低，Soot排放量先降低后增加，在預(yù)噴油量為3.0 mg/cyc時(shí)達(dá)到最低值；甲醛和乙醛排放量隨著預(yù)噴油量和負(fù)荷的增加而逐漸降低，而乙烯排放隨預(yù)噴油量的變化并不明顯。

(3)在預(yù)噴策略下，主噴正時(shí)從1° CA BTDC提前至11° CA BTDC時(shí)，在BMEP分別為0.81和1.05 MPa工況下缸內(nèi)壓力峰值分別增加31.91%和26.98%，同時(shí)BTE也大幅度增加；在主噴正時(shí)為11° CA BTDC時(shí)，BMEP分別為0.81和1.05 MPa下BTE最大值分別為39.50%和40.31%。隨著主噴正時(shí)的提前，CO、HC和Soot排放量降低，NOx排放量增加，而非常規(guī)甲醛、乙醛和乙烯排放量降低；在高負(fù)荷時(shí)上述物質(zhì)均處于較低的排放水平。