柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發動機性能影響研究

趙叢姣　任 歡　常進才　王雪敏　　高定偉（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

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柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發動機性能影響研究

趙叢姣1，2任 歡1，2常進才1，2王雪敏1，2高定偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：以一臺柴油機為原型機，增加進氣道噴射汽油系統，實現進氣道預混噴射汽油缸內直接噴射柴油引燃的燃燒模式，對汽柴油雙燃料發動機進行深入的性能研究。研究結果顯示：隨著柴油主噴正時推后，缸內燃燒壓力和放熱率第二峰值對應相位隨之推后；同時，NOx排放隨著柴油主噴正時推后得到有效改善，Soot排放隨著柴油主噴正時推后有所惡化；柴油主噴正時的推后導致汽柴油雙燃料發動機燃油消耗率上升。

關鍵詞：汽柴油雙燃料發動機柴油主噴正時缸內燃燒壓力NOx排放

引言

隨著社會和經濟飛速發展，我國汽車保有量逐年增加。汽車的急劇增加給人類帶來了資源匱乏和環境污染兩大難題。鑒于此，政府有關部門頒發了嚴格的油耗法規和排放法規。為此，內燃機專家和學者提出了以HCCI（均質充量壓縮點燃）、LTC（低溫燃燒）和PCCI（部分預混充量壓縮點燃）為代表的新型燃燒模式[1-9]。

新型燃燒模式HCCI、LTC和PCCI均能夠在降低NOx排放和Soot排放的同時，保持發動機的高效率。但是，上述新型燃燒模式均存在著燃燒邊界條件苛刻或者工況范圍狹窄的不足。針對于此，威斯康辛大學Ritz教授提出了RCCI（活性控制壓縮點燃）新型燃燒模式。此燃燒模式采用進氣道和缸內噴入不同活性燃料，在不同負荷配比不同成分比例燃料而達到有效控制缸內燃燒，進而降低NOx排放和Soot排放，同時提高熱效率[10-11]。

本研究以傳統柴油機為原型機在進氣道加裝汽油噴射系統，采用汽油預混柴油擴散燃燒的新型燃燒模式，實現汽柴油雙燃料在缸內混合燃燒降低有害排放物的目標。本文主要研究柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發動機性能影響，為汽柴油雙燃料技術廣泛推廣和應用提供良好的技術支持。

1　試驗設備及試驗方法

試驗原型機為長城汽車公司生產的4D20型柴油機，其主要技術參數見表1。試驗裝置系統如圖1所示。

表1　發動機主要技術參數

如圖1所示，在原有柴油機的基礎上增加了一套進氣道汽油噴射的供油系統，來形成進氣道噴射汽油燃料，缸內噴射柴油燃料的雙燃料燃燒模式。雙燃料發動機的兩種燃料的噴射軌壓、噴射正時、噴射持續期以及兩種燃料的供給比例均可以靈活調節。

圖1　發動機臺架示意圖和實物圖

在此試驗研究中，采用AVL公司生產的AVL GH13P壓電式傳感器連接AVL 4P3G電荷放大器進行缸內燃燒壓力數據的測取；采用AVL 622燃燒分析儀對測取的燃燒數據進行整理分析；采用HORIBA 7500DEGR排放設備對NOx，THC和CO常規排放物進行檢測；采用AVL 415S煙度計對尾氣中的PM進行檢測；試驗中所用汽油為93#牌號，柴油為0#，歐五柴油。

本文中所提到的汽柴油比例，燃油消耗率，EGR率均指以下定義：

其中：CO2int即EGR管路和新鮮空氣混合后氣體的CO2濃度；CO2exh即發動機尾氣里的CO2濃度；CO2bkg即空氣里的CO2濃度。

SOI（Startof Injection）為燃油起始噴射時刻；滯燃期為燃油噴射時刻到燃料開始放熱時刻為止所經歷的曲軸轉角度數；CA50為燃料放熱量50%所對應的曲軸轉角。

圖2　不同柴油主噴正時缸內燃燒特性

2　試驗結果與分析

為了研究在不同EGR率條件下柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發動機性能的影響，本文以1300 r/min，30 N·m工況點為例進行發動機試驗研究和數據分析。試驗中，汽柴油雙燃料發動機柴油噴射采用預噴和主噴兩次噴射策略，柴油預噴用于引燃進氣道噴入的汽油，柴油主噴用于彌補汽油和預噴柴油不足的功率。

汽柴油雙燃料發動機具體運行參數見表2所示。汽柴油雙燃料發動機進氣壓力保持為115 kPa，柴油共軌壓力為10MPa，柴油主噴油量為5mg，汽油噴射時刻為240°CA BTDC。

表2　汽柴油雙燃料發動機運行參數

2.1柴油主噴正時對缸內燃燒特性的影響

不同柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發動機缸內燃燒壓力、燃燒放熱率和CA50的影響如圖2所示。由圖所示，汽柴油雙燃料發動機不同柴油主噴正時工況下缸內燃燒壓力和放熱率曲線均具有雙峰值。缸內燃燒壓力曲線第二個峰值隨著主噴正時的推后，其對應相位逐漸推后并且降低。同時，隨著柴油主噴正時推后，放熱率曲線第二峰值呈現出依次推后的現象。再有，相同EGR率條件下，柴油主噴正時推后的工況點CA50也隨之推后。

汽柴油雙燃料發動機在此工況點采用進氣道噴射汽油預混缸內直噴柴油擴散的新型燃燒模式，并且缸內直噴柴油分為預噴和主噴兩次噴油。缸內噴入兩次柴油在此新型燃燒模式中分別起到引燃汽油和提升扭矩的作用。其中，預噴柴油和進氣道噴入的汽油燃燒形成燃燒壓力和燃燒放熱率第一峰，主噴柴油燃燒生成燃燒壓力和放熱率第二峰，如圖2 a）和b）所示。在此工況點，汽油量較少并且預噴柴油量和預噴正時相同，進而第一峰值相差不大；雖然柴油主噴油量相同，但是主噴正時不同會導致壓力曲線第二峰值的變化。隨著主噴正時的推后，活塞開始下行，進而導致缸內壓力峰值下降。在相同EGR率下，主噴正時的推后導致CA50推后，正如圖2 c）所示。

2.2柴油主噴正時對排放特性的影響

為了探究柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發動機排放性能的影響，本試驗分別測試了NOx、PM、THC 和CO常規排放物。

圖3為不同主噴正時對汽柴油雙燃料發動機NOx排放的影響。如圖所示，不同主噴正時工況下的汽柴油雙燃料發動機NOx排放均隨著EGR率的增加呈現出單調下降的趨勢。同時，在相同EGR率條件下，柴油主噴正時愈推后，其對應的NOx排放愈低。

圖3　不同主噴正時NOx排放特性

在發動機排放的NOx中占壓倒多數的是NO，其主要來源是參與燃燒的空氣中的氮。空氣中的氮生成NO的化學機理是擴展的澤爾多維奇機理。NO的生成隨溫度的提高而呈指數函數急劇增加。當溫度低于1800 K時，NO的生成速率極低；到2000 K就達到很高的速率。故發動機氣缸內所達到的最高燃燒溫度為影響NOx生成量的最重要因素。

發動機缸內EGR率的增加能夠有效抑制缸內燃燒溫度降低。故隨著EGR率的增加，汽柴油雙燃料發動機NOx排放得到有效降低，如圖3所示。同時，在此工況點下燃料放熱做功比例中，主噴柴油占有較大比重。隨著主噴正時的推后，缸內燃燒壓力和燃燒溫度下降，進而NOx排放降低，如圖3所示。

圖4為汽柴油雙燃料發動機不同柴油主噴正時工況下Soot排放曲線。如圖所示，整體來看不同柴油主噴正時下的汽柴油雙燃料發動機Soot排放水平均維持在一極低水平，其數值基本均低于0.02 g/（kW·h）。同時，在相同EGR率下，柴油主噴正時推后的工況點，其Soot排放數值會升高。

發動機Soot排放主要由燃料中含有的碳產生，其生成條件是高溫缺氧。雖然汽柴油雙燃料發動機總體是富氧燃燒，但是噴入缸內的柴油因其擴散燃燒局部缺氧還是會導致Soot的生成。

圖4　不同主噴正時Soot排放

汽柴油雙燃料發動機采用進氣道噴入汽油預混缸內直噴柴油擴散相結合的新型燃燒模式。在此燃燒模式工況下，進氣道噴入的預混燃燒模式汽油占總燃料比例約為34.1%~46.6%，其燃燒基本不會產生Soot排放。Soot排放主要產生于擴散燃燒模式的柴油，且主要來自于主噴柴油。故Soot排放的產生關鍵在于主噴柴油與缸內混合氣混合均勻與否。柴油主噴正時愈推后，其滯燃期愈短，其與缸內混合氣混合不均勻，導致Soot排放上升。

圖5和6分別為汽柴油雙燃料發動機不同柴油主噴正時THC排放和CO排放曲線圖。如圖所示，THC排放和CO排放整體排放數值相對于傳統柴油機高出許多。同時，在相同EGR率工況下，隨著柴油主噴正時的推后，THC排放和CO排放均出現升高的現象。

正如上文所示，汽柴油雙燃料發動機采用進氣道噴射汽油預混缸內直噴柴油引燃新型燃燒模式。進氣道噴入的汽油有足夠時間在缸內與空氣形成均質混合氣，并且進入缸內各種罅隙中。故汽柴油雙燃料發動機THC排放和CO排放遠高于傳統純柴油機。柴油主噴正時提前，其缸內較高的燃燒溫度在一定程度上可以降低THC排放和CO排放。

圖5 不同主噴正時THC排放

圖6 不同主噴正時CO排放

圖7 不同主噴正時燃油效率

圖7為汽柴油雙燃料發動機不同主噴正時燃油消耗率曲線。如圖所示，在相同EGR率工況下，柴油主噴正時推后會導致燃油消耗率升高。

如上文所述，柴油主噴正時推后，燃料燃燒放熱時刻活塞處于下行期間，其放熱做功能力下降，進而導致燃料消耗率惡化。同時，柴油主噴正時推后，會造成THC排放和CO排放惡化，燃燒效率降低，也會導致燃料消耗率上升。

3　結論

在本文研究條件下，在1300r/min@30N·m工況點通過研究柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發動機性能影響，得出以下結論：

1）隨著柴油主噴正時的推后，缸內燃燒壓力和放熱率第二峰值依次降低并且對應相位依次推后，CA50也相應推后。

2）隨著柴油主噴正時的推后，汽柴油雙燃料發動機NOx排放依次降低，Soot排放依次升高；THC排放和CO排放整體高出傳統柴油機許多。

3）隨著柴油主噴正時的推后，燃料做功能力和燃燒效率的下降導致汽柴油雙燃料發動機燃料消耗率上升。

參考文獻

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中圖分類號：TK421+.28

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0001-06

收稿日期：（2015-04-14）

作者簡介：趙叢姣（1986-），男，助理工程師，主要研究方向為柴油發動機燃燒。

A Study on the Effectsof DieselM ain Injection Tim ing on the Performanceof Gasoline/DieselDual Fuel Engine

Zhao Congjiao1,2,Ren Huan1,2,Chang Jincai1,2,Wang Xuem in1,2,Gao Dingwei1,2
1-Technical Center,GreatWallMotor Company Limited(Baoding,Hebei,071000,China)
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：A prototype diesel engine was modified into dual-fuel engine,towhich gasoline injection system was added for realizing the premixed combustion model.The performance of gasoline/diesel dual-fuel engine was studied deeply,depending on gasoline injected into intake manifold and ignited by diesel directly injected into cylinders.The result indicated:as dieselmain injection is retarded,the relative crank angles of second peaks of combustion pressure in-cylinder and heat release rate also are retarded; meanwhile,NOxemission is improved and soot emission deteriorates with diesel main injection being retarded;the retard of dieselmain injection results in increase of fuel consumption of gasoline/diesel dual fuelengine.

Keywords：Gasoline/dieseldual fuelengine,Dieselmain injection timing,Combustion pressure in-cylinder,NOxemission