汽柴油雙燃料發動機性能試驗研究

李旭聰　史曉剛　王　超　劉曉娜　高定偉（長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000）

汽柴油雙燃料發動機性能試驗研究

李旭聰史曉剛王超劉曉娜高定偉
（長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000）

以一臺傳統柴油機為原型機，在進氣道增加汽油供油系統，實現汽柴油兩種燃料在發動機氣缸內燃燒。主要研究主噴油量、預噴正時、增壓壓力和柴油共軌壓力4個參數對汽柴油雙燃料發動機性能的影響。

汽柴油雙燃料主噴油量預噴正時增壓壓力柴油共軌壓力

引言

高漲的油價和對溫室氣體的關注驅動內燃機朝著更為高效的方向發展。高效節能的重擔落在柴油機上，因其相對于汽油機熱效率更高。同時，現行和將來的排放法規日益嚴格，需要發動機提高自身的排放水平以適應排放標準。因此，發展高熱效率和低排放的內燃機技術勢在必行。

針對上述問題，內燃機應用諸多新型燃燒策略來提高熱效率和降低排放水平。目前絕大多數技術屬于低溫燃燒（LTC）技術范疇［1-4］。LTC技術可以利用其較低燃燒溫度有效抑制生成NO的化學反應，進而大幅降低NOx排放物。此外，LTC技術通過調節噴油正時來控制燃燒滯燃期，以此提高空氣和燃料的混合程度形成均質混合氣，進而降低PM排放。國內許多內燃機專家和學者的研究證明了LTC技術，如均質充量壓燃（HCCI）、預混充量壓燃（PCCI）等，具有同時降低NOx和PM排放的光明前景。但是，由于石油化工基礎設施的限制，上述技術燃料均是采用柴油或者汽油單一燃料。柴油或者汽油燃料由于其自身的物理化學特性，對于內燃機全工況范圍內實現HCCI或者PCCI等技術并不適用，如汽油自身具有良好的揮發性，但其十六烷值低，自燃性差，進而發動機在低負荷時會出現發動機工作不穩的現象；而柴油自燃性好，但發動機在高負荷時會出現壓力升高、NVH過高現象，造成機體損壞。因此，內燃機學者提出了進氣道噴汽油預混，缸內直噴柴油引燃的汽柴油雙燃料技術，采用不同汽柴油比例而優化燃燒，拓寬發動機運行范圍［5-8］。

本研究在原柴油機進氣道上增加汽油供油系統實現汽柴油雙燃料共同燃燒進行汽柴油雙燃料發動機性能研究。本文以2 050 r/min，125 N·m為基準工況點，研究不同軌壓、增壓壓力和預噴正時隨著主噴正時的變化規律，為開發汽柴油雙燃料發動機提供良好的技術支持。

1　試驗設備和方法

表1　發動機主要技術參數

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。

如圖1所示，在原柴油機的基礎上增加了一套汽油進氣道噴射的供油系統，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。

在此試驗研究中，發動機與AVL公司生產的電渦流測功機相連，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。

圖1　發動機臺架示意圖

汽柴油雙燃料發動機采用進氣道噴射汽油和缸內噴射柴油兩種供油方式，形成汽油預混柴油引燃的燃燒模式。其中，進氣道噴入的汽油，在進氣行程中與空氣充分混合形成均質混合氣；缸內直噴柴油采用預噴和主噴兩次噴射，預噴柴油引燃預混汽油做功，主噴柴油彌補汽油燃燒不足的一部分功率。

2　結果與分析

2.1主噴油量對汽柴油雙燃料發動機性能影響

發動機在2 050 r/min，125 N·m工況點，柴油燃料采用兩次噴射，預噴正時為50°CA BTDC，預噴油量為2.5 mg/cyc。發動機具體運行工況條件如表2所示。

表2　發動機運行參數

圖2為不同柴油主噴油量下汽柴油雙燃料油耗曲線圖。本試驗研究為了穩定2 050 r/min，125 N·m工況，同時兼顧發動機各種性能，汽柴油比例隨著主噴正時不同，發動機汽柴油總油耗也呈現波動上升的趨勢，主噴油量2.5 mg/cyc油耗大于主噴油量2 mg/cyc曲線。

圖2　不同柴油主噴油量汽柴油比例和油耗曲線圖

首先，以主噴正時20°CA ATDC為例分析不同柴油主噴油量汽柴油比例和總油耗變化圖。發動機功率由汽油、預噴柴油和主噴柴油三部分燃料燃燒放熱做功產生。在本試驗中，預噴柴油量固定為2.5 mg/cyc保持不變，故不同柴油主噴量對應的汽柴油比例不同。如圖2 b）主噴正時20°CA ATDC所示，柴油主噴油量2.5 mg/cyc汽柴油油耗高于柴油主噴油量2 mg/cyc曲線。柴油主噴時刻范圍為5～40°CA ATDC，其燃燒放熱做功是在活塞下行過程中，這部分燃油釋放的熱量做功能力低，油耗水平惡化。再有，此行程范圍內缸內燃燒溫度下降，柴油燃燒效率會有所下降，也會導致油耗水平惡化。如圖2 b）所示，汽柴油雙燃料發動機油耗隨著主噴正時的后推呈現波動上升趨勢；同時，主噴油量2.5 mg/cyc狀態下總油耗水平高。

圖3為汽柴油雙燃料發動機主噴油量2.5 mg/cyc狀態下，三種不同主噴正時缸內燃燒壓力和放熱率曲線圖。如圖所示，主噴正時為40°CA ATDC時缸內燃燒壓力峰值最高，主噴正時20°CA ATDC次之，主噴正時10°CA ATDC最低。三種不同主噴正時缸內燃燒放熱率有低溫放熱峰值、汽油和預噴柴油放熱峰值和主噴柴油放熱峰值三個峰值。其中，低溫放熱峰值在三者之間沒有太大區別；汽油放熱峰值與缸內燃燒壓力峰值高低次序一致，這證明了缸內燃燒壓力最大值主要取決于汽油和預噴柴油放熱；而主噴柴油放熱因為其噴射正時不同，故峰值所對應的曲軸轉角依次推后。

圖3　柴油主噴油量2.5 mg/cyc時不同主噴正時缸內燃燒壓力和放熱率曲線

圖4a）~d）分別為不同柴油主噴油量工況下，柴油主噴正時對NOx、PM、CO和THC排放的影響。其中，圖4 a）所示不同柴油主噴油量對NOx排放影響不大；但其隨著主噴正時的推后呈現出單調下降的趨勢。圖4 b）在主噴正時5°CA ATDC~25°CA ATDC區間顯示，主噴油量2 mg/cyc工況的Soot排放明顯低于主噴油量2.5 mg/cyc工況；并且兩不同主噴油量的Soot排放均呈現出隨著主噴正時推后呈現減少的趨勢。圖4 c）和d）在不同主噴油量下CO和THC變化趨勢均一致，而柴油主噴油量2 mg/cyc工況CO和THC排放優于柴油主噴油量2.5 mg/cyc工況。

圖4　不同主噴油量常規排放物曲線圖

如前所述，本次試驗汽柴油雙燃料在發動機缸內燃燒放熱主要分為汽油和預噴柴油放熱和主噴柴油放熱兩部分。其中汽油和預噴柴油放熱量所占總放熱量比例大于主噴柴油。在相同主噴正時工況下，主噴油量微小變化并不能對缸內燃燒放熱和缸內燃燒溫度造成本質性差別。故，不同主噴油量工況下的NOx排放基本相同，小油量工況稍微優于大油量工況；但是，缸內燃燒放熱和燃燒溫度受主噴正時推后的影響頗大。圖3所示，柴油主噴正時推后，缸內燃燒壓力最大值隨之下降；同時，放熱率最大值也隨之下降，并且主噴柴油放熱峰明顯推后。NOx排放得益于缸內溫度下降，故其隨著主噴正時的推后單調下降。

Soot排放主要產生于預噴和主噴柴油的擴散燃燒。本次試驗預噴柴油為固定值，故主噴柴油量小的工況其Soot排放低。隨著柴油主噴正時推后，柴油的滯燃期延長，有利于抑制Soot排放生產。同時后噴燃油的放熱提高了缸內燃燒溫度并促進缸內氣流擾動加速了后期氧化進而降低了Soot排放。CO排放和THC排放的排放趨勢也證實了主噴柴油后期氧化的功能。

2.2預噴時刻對汽柴油雙燃料發動機性能影響

為了研究預噴正時對汽柴油雙燃料發動機性能的影響，設置進氣壓力、預噴油量、主噴油量、共軌壓力和EGR率為固定值，觀察-45°CA ATDC和-50° CA ATDC兩不同正時對汽柴油雙燃料發動機性能的影響。試驗工況具體參數如表3所示。

表3　發動機運行參數

圖5為不同預噴時刻汽柴油比例和油耗隨著主噴正時變化的曲線圖。從圖中可以看出，由于試驗邊界條件的限制，兩種預噴時刻在不同主噴正時下汽柴油比例和油耗互有高低，沒有明顯的規律。

圖5　不同柴油預噴時刻汽柴油比例和油耗曲線圖

圖6為柴油兩種不同預噴時刻下汽柴油雙燃料發動機在主噴時刻20°CA ATDC時的缸內燃燒壓力和放熱率曲線圖。從圖6 a）圖中可以看出，預噴時刻為-45°CA ATDC的缸內燃燒壓力最大值大于預噴時刻為-50°CA ATDC的燃燒壓力最大值。同時，如圖6 b）所示，預噴時刻為-50°CA ATDC的燃燒放熱峰值明顯高于預噴時刻-45°CA ATDC，但是放熱時刻卻遲于預噴時刻-45°CA ATDC。

圖6　柴油不同預噴時刻下缸內燃燒壓力和放熱率曲線

汽柴油雙燃料發動機的預噴柴油主要是起引燃預混汽柴油的作用。柴油在-50°CA ATDC時刻噴入發動機氣缸內，其與汽油和空氣的混合氣能夠充分混合，形成較均勻的稀混合氣。

隨著活塞繼續上行，缸內達到一定溫度時，缸內混合氣才能開始放熱燃燒。故，預噴時刻-45°CA ATDC柴油在缸內形成的局部混合氣滿足著火條件，其缸內放熱早于預噴時刻為-50°CA ATDC的工況。但是，當預噴時刻-50°CA ATDC的混合氣達到著火的條件時，由于其混合得更加均勻而形成多處著火，進而放熱率大，也就是燃燒速度大。故，發動機預噴時刻-50°CA ATDC工況燃燒放熱率峰值大于預噴時刻-45°CA ATDC工況。

圖7為不同柴油預噴時刻工況下汽柴油雙燃料發動機常規排放物隨著主噴時刻變化的曲線圖。圖7 a）所示，不同柴油預噴時刻下的NOx排放隨著柴油主噴正時的推后而呈現單調下降趨勢，原因已在上文進行了解釋，在此不再贅述。同時，在相同柴油主噴時刻下，預噴時刻-50°CA ATDC工況NOx低于預噴時刻-45°CA ATDC工況。其主要原因為，預噴時刻-50°CA ATDC工況預混汽油和預噴柴油相對充分的時間混合形成更為均質的混合氣，其燃燒過程中缸內混合氣局部高溫區域少，有利于抑制NOx生成；同時，由于其放熱遲于預噴時刻-45°CA ATDC，其最高燃燒溫度出現于活塞下行行程中持續時間短，同樣不利于NOx生產。綜合上述兩因素，故在相同柴油主噴時刻下，預噴時刻-50°CA ATDC工況NOx低于預噴時刻-45°CA ATDC工況。

圖7　不同預噴時刻常規排放曲線圖

圖7b）所示為汽柴油雙燃料發動機在不同預噴時刻下Soot排放隨著主噴正時推遲的曲線圖。如圖中所示，在不同預噴時刻工況下，Soot排放隨著主噴正時的推遲呈現單調下降趨勢。對比柴油主噴時刻相同工況下，預噴時刻對Soot排放的影響。在柴油主噴時刻5°CA ATDC~20°CA ATDC區間內，柴油預噴時刻-50°CA ATDC工況Soot排放低于預噴時刻-45°CA ATDC。Soot排放主要產生于柴油的擴散燃燒。故有利于增加柴油滯燃期的因素同樣有利于降低Soot排放。柴油在-50°CA ATDC時刻預噴，滯燃期長，形成更為均質的混合氣，故Soot排放低。在20°CA ATDC~40°CA ATDC區間內Soot排放主要受主噴柴油的影響。

至于汽柴油雙燃料發動機CO排放和THC排放，因其具有進氣道汽油類似的混合方式，故排放遠高于傳統柴油機。后期工作需要重點關注，開發高效催化氧化后處理器來解決此問題。

2.3增壓壓力對汽柴油雙燃料發動機性能影響

為了研究增壓壓力對汽柴油雙燃料發動機性能的影響，設置預噴時刻、預噴油量、主噴油量、共軌壓力以及EGR率為固定值，觀察0.16 MPa和0.17 MPa兩種不同增壓壓力對發動機性能的影響。試驗工況具體參數如表4所示。

圖8所示是在不同增壓壓力下汽柴油雙燃料發動機油耗和汽柴油比例隨著主噴正時推遲的變化曲線圖。在增壓壓力為0.17 MPa的工況，由于發動機充量較大，多噴射汽油并不會超出邊界條件限制。對于油耗，其并沒有受到增壓壓力太大的影響，基本持平。

表4　發動機運行參數

圖8　不同增壓壓力油耗曲線和汽柴油比例圖

圖9為不同增壓壓力下缸內燃燒壓力和放熱率曲線圖。如圖所示，增壓壓力為0.17 MPa工況點的缸內燃燒壓力峰值高于增壓壓力0.16 MPa工況；同時，增壓壓力0.17 MPa工況，其汽柴油和預噴柴油主放熱峰峰值大于增壓力0.16 MPa工況，并且放熱時刻也早于0.16 MPa工況。較大的增壓壓力能夠使得發動機獲得更多充量。較多的新鮮空氣能夠為汽柴油雙燃料的燃燒提供更多的氧氣，進而有效提升了燃燒效率和燃燒速率，使得發動機獲得的燃燒壓力和燃燒放熱率峰值較高。值得注意的是，主噴柴油的放熱峰值大小和放熱時刻與預噴柴油和汽油放熱峰值正好相反。增壓壓力0.16 MPa工況相比于增壓壓力0.17 MPa工況，預噴柴油和汽油放熱峰值推遲；同時，兩種不同增壓壓力工況的柴油主噴正時相同。故，增壓壓力0.16 MPa工況主噴開始噴射時刻，其缸內燃燒溫度較高，進而主噴柴油放熱時刻較早，并且峰值較高。

圖9　不同增壓壓力缸內燃燒壓力和放熱率曲線圖

圖10為汽柴油雙燃料發動機常規排放物隨著柴油主噴正時變化而變化的曲線圖。如圖a）所示，兩種不同增壓壓力NOx排放均隨著主噴正時的推后，呈現單調遞減的趨勢。原因跟2.2部分相同。同時，相同柴油主噴正時，增壓壓力0.17 MPa工況NOx排放低于增壓壓力0.16 MPa工況。對于Soot排放，同樣是增壓壓力0.17 MPa工況低。其主要是因為，增壓壓力大，發動機充量大，過多的空氣可以有效降低發動機缸內溫度，進而有效降低NOx排放。相同原理，增壓壓力大可以提升發動機充量，進而使得汽油和預噴柴油與空氣充分混合，而降低Soot排放。在高增壓壓力工況，THC排放和CO排放因缸內新鮮空氣多使得燃料燃燒充分，而排放低。因此，提升雙燃料發動機的增壓壓力可以有效改善排放水平。

2.4柴油軌壓對汽柴油雙燃料發動機性能影響

為了研究柴油機共軌噴射壓力對汽柴油雙燃料發動機性能的影響，設置增壓壓力、預噴油量、主噴油量、預噴時刻、主噴時刻和EGR率為固定值，研究50 MPa和70 MPa兩種不同共軌壓力工況下汽柴油雙燃料發動機性能。試驗工況具體參數如表5所示。

圖10　不同增壓壓力常規排放物曲線圖

表5　發動機運行參數

如圖11所示，50 MPa和70 MPa兩種不同共軌壓力工況汽柴油雙燃料發動機油耗隨著主噴正時的推后呈現單調升高趨勢。原因與前文其他部分類似，在此不再贅述。在相同主噴正時工況下，如20°CA ATDC，柴油共軌壓力70 MPa工況油耗低于共軌壓力50 MPa工況。其因為高柴油共軌壓力能夠有效改善柴油霧化效果，進而提升燃燒效率，降低油耗。

圖12為不同共軌壓力缸內燃燒壓力和放熱率曲線圖。正如圖中所示，柴油共軌壓力70 MPa工況缸內燃燒壓力峰值略高于共軌壓力50 MPa工況。同時，柴油共軌壓力70 MPa工況放熱率峰值明顯高于共軌壓力50 MPa工況，并且起始放熱時刻遲于共軌壓力50 MPa工況。但是，對于主噴柴油放熱峰值和放熱時刻，結論正好相反。

高柴油共軌壓力可以有效細化預噴柴油和主噴柴油噴射液滴，改善燃料與空氣混合效果。柴油共軌壓力70 MPa噴射出的預噴柴油在缸內與空氣形成較之共軌壓力50 MPa工況更加均質的混合氣。因預噴柴油與汽油和空氣混合氣更加均勻，其起燃溫度則需更高，故其滯燃期長于共軌壓力50 MPa工況。然而，當共軌壓力70 MPa工況缸內混合氣達到起燃溫度時，因其更加均質的混合氣多處著火，故其燃燒速度和放熱率峰值更高。同時，因預噴柴油和汽油放熱峰值遲于共軌壓力50 MPa工況。

圖11　不同共軌壓力汽柴油比例和油耗曲線圖

圖12不同共軌壓力缸內燃燒壓力和放熱率曲線圖

圖13為共軌壓力70 MPa和50 MPa兩種不同共軌壓力下汽柴油雙燃料發動機常規排放物曲線。如圖13 a）所示，在相同柴油主噴正時工況下，柴油軌壓70 MPa工況的NOx排放低于軌壓50 MPa工況。其主要原因：柴油共軌壓力愈高，燃料噴霧粒度愈細，其霧化效果越好。噴油霧化效果越好，其燃燒效率越高，同時缸內燃燒溫度也越高。故，汽柴油雙燃料發動機在相同主噴正時工況下，柴油共軌壓力為70 MPa工況NOx排放更高。

圖13　不同共軌壓力常規排放物曲線圖

圖13b）為汽柴油雙燃料發動機不同共軌壓力工況下Soot排放曲線圖。由圖可知，不同柴油噴射壓力工況下的Soot排放呈現相同趨勢。同時，在相同柴油主噴時刻，共軌壓力70 MPa工況Soot排放值更低。其主要原因是因為，高共軌壓力能夠改善霧化效果。良好的霧化效果能夠保證燃料與空氣形成更加均質的混合氣，減少缸內過濃區域的存在，進而有效降低了Soot排放。同時，HC和CO排放規律可以用上述原因進行解釋。

3　結論

1）汽柴油雙燃料發動機隨著主噴正時的推遲，油耗水平呈現上升水平。在主噴正時相同工況，主噴油量越大，其油耗越高，NOx排放與Soot排放也越高。

2）在相同柴油時刻工況下，柴油預噴時刻提前可以有效提升燃料與空氣的混合均勻性，其燃料在上止點后放熱，能夠有效降低汽柴油雙燃料發動機的常規排放物。

3）增壓壓力高能夠提升汽柴油雙燃料發動機充量，較多的空氣有效降低了發動機缸內的燃燒溫度，故降低了NOx排放；同時，較多的空氣與燃料形成更加均勻的混合氣，而降低了Soot排放。

4）高柴油共軌壓力能夠提升燃油霧化能力，進而有效改善發動機燃燒和排放。故，柴油共軌壓力70 MPa工況下，油耗和常規排放物明顯好于柴油工況壓力50 MPa工況。

5）在上述四種參數性能研究中發現汽柴油雙燃料發動機HC和CO排放水平較高。HC和CO排放降低措施為今后重點研究方向。

1Kodama Y，Nishizawa I，Sugihara T，et al.Full-load HCCI operation with variable valve actuation system in a heavyduty diesel engine［C］.SAE Paper 2007-01-0215

2Asad U，Zheng M，Han X，et al.Fuel injection strategies to improve emission and efficiency of high compression ratio diesel engines［J］.SAE Paper 2008-01-2472

3Zheng M.，Kumar R.Implementation of multiple-pulse injection strategies to enhance the homogeneity for simultaneous low-NOxand low-soot diesel combustion［J］.Int.J. Thermal Sciences，2009，48（9）:1829-1841

4Asad U.，Zheng M.Efficiency of EGR and boost in singleinjection enabled low temperature combustion［J］.SAE Int. J.Engines，2009，2（1）:1085-1097

5Kokjohn S，Hanson R，Splitter D，et al.Fuel reactivity controlled compression ignition（RCCI）:a pathway to controlled high-efficiency clean combustion［J］.Int.J.Engine Research，2001，12（3）:209-226

6De Ojeda W，Bulicz T，Han X，Zheng M，et al.Impact of fuel properties on diesel low temperature combustion［J］.SAE Int.J.Engines，2001，4（1）:188-201

7Lu X，Han D，Huang H.Fuel design and management for the control of advanced compression-ignition combustion modes［J］.Prog.Energy and Combustion Science，2011，37（6）:741-783

8Gao T，Divekar P，Asad U，et al.An enabling study of low temperature combustion with ethanol in a diesel engine［C］. ASME Internal Combustion Engine Division's Fall Technical Conference，ICEF2012-92176，2012

An Experimental Study on Performance of Gasoline/ Diesel Dual-Fuel Engine

Li Xucong，Shi Xiaogang，Wang Chao，Liu Xiaona，Gao Dingwei
Technique Center of Great Wall Motor Company Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）

Based on a traditional diesel as prototype engine，the gasoline/diesel dual-fuel combustion is realized on modified engine with adding gasoline supplying system.In this paper，the effect of quantity of main injection，pre-injection timing，turbocharged pressure and diesel common rail pressure on gasoline/ diesel dual-fuel engine was studied deeply.

Gasoline/diesel dual-fuel，Quantity of main injection，Pre-injection timing，Turbocharged pressure，Diesel common rail pressure

TK407.9

A

2095-8234（2015）04-0006-10

2015-03-30）

李旭聰（1984-），男，博士，主要研究方向為內燃機燃燒與排放凈化技術。