汽柴比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

趙叢姣　李旭聰　康志強(qiáng)　王　超　高　嵩　于善穎（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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汽柴比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

趙叢姣1,2李旭聰1,2康志強(qiáng)1,2王超1,2高嵩1,2于善穎1,2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

以一臺(tái)柴油機(jī)為原型機(jī)，增加進(jìn)氣道汽油噴射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道預(yù)混噴射汽油缸內(nèi)直接噴射柴油引燃的燃燒模式，對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入的性能研究。研究結(jié)果顯示：隨著汽柴油比例的升高，缸內(nèi)燃燒壓力峰值和放熱率峰值依次降低，對(duì)應(yīng)相位依次推后；汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO x排放和Soot排放隨著汽柴油比例的升高依次降低；汽柴油比例的升高能有效降低汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率。

汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽柴油比例缸內(nèi)燃燒壓力排放性能

引言

高漲的油價(jià)和對(duì)溫室氣體的關(guān)注驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)朝著更為高效的方向發(fā)展。高效節(jié)能的重?fù)?dān)落在柴油機(jī)上，因其具有相對(duì)于汽油機(jī)效率更高的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，現(xiàn)行和未來(lái)的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平以適應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)。所以，節(jié)能減排的要求需要同時(shí)發(fā)展高熱效率和低排放的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。

為了有效緩解發(fā)動(dòng)機(jī)給環(huán)境帶來(lái)的污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)專家和學(xué)者進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)新燃燒模式的研究。其中以預(yù)混壓燃或均質(zhì)壓燃（Premixed Charge Compression Ignition或Homogeneous Charge Compression Ignition，PCCI或HCCI）為代表的新型燃燒方式[1-5]，由于具有高熱效率、低NO x和Soot排放等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注。但是，用于PCCI和HCCI燃燒方式的柴油和汽油都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：汽油具有良好的揮發(fā)性。但其自燃品質(zhì)較差，因此汽油在低負(fù)荷很難壓燃；而柴油具有較好的自燃品質(zhì)，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加柴油的燃燒相位很難控制。同時(shí)，由于柴油的揮發(fā)性較差，很難形成均質(zhì)混合氣[6-8]。綜上所述，在保證較高熱效率和低排放的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)采用汽油進(jìn)氣道噴射形成均質(zhì)混合氣，柴油缸內(nèi)直噴引燃均質(zhì)混合氣的新型燃燒方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行研究[9-11]。

本研究以傳統(tǒng)柴油機(jī)為原型機(jī)在進(jìn)氣道加裝汽油噴射系統(tǒng)，采用汽油預(yù)混柴油擴(kuò)散燃燒的新型燃燒模式，實(shí)現(xiàn)汽柴油雙燃料在缸內(nèi)混合燃燒降低有害排放物的目標(biāo)。本文主要研究汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，為汽柴油雙燃料技術(shù)廣泛推廣和應(yīng)用提供良好的技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖和實(shí)物圖

試驗(yàn)原型機(jī)為長(zhǎng)城汽車公司生產(chǎn)的4D20型柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。

如下圖1所示，在原有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套進(jìn)氣道汽油噴射的供油系統(tǒng)，來(lái)形成進(jìn)氣道噴射汽油燃料，缸內(nèi)噴射柴油燃料的雙燃料燃燒模式。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的兩種燃料的噴射軌壓、噴射正時(shí)、噴射持續(xù)期以及兩種燃料的供給比例均可以靈活調(diào)節(jié)。

在此試驗(yàn)研究中，采用AVL公司生產(chǎn)的AVL GH13P壓電式傳感器連接AVL 4P3G電荷放大器進(jìn)行缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)的測(cè)取；采用AVL 622燃燒分析儀對(duì)測(cè)取的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析；采用HORIBA 7500DEGR排放設(shè)備對(duì)NO x，THC和CO常規(guī)排放物進(jìn)行檢測(cè)；采用AVL 415S煙度計(jì)對(duì)尾氣中的PM進(jìn)行檢測(cè)；試驗(yàn)中所用汽油牌號(hào)為93#，柴油牌號(hào)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的氣體CO2濃度；

CO2exh即發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)刻；滯燃期為燃油噴射時(shí)刻到燃料開(kāi)始放熱時(shí)刻為止所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)；CA50為燃料放熱量達(dá)到50%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，本試驗(yàn)選取900r/min，50N·m工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)中，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引入8%EGR率，汽油噴射時(shí)刻為240°CA BTDC，汽油噴射量為9mg/cyc，柴油噴射壓力固定為50MPa。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2　汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具體運(yùn)行參數(shù)

2.1汽柴油比例對(duì)缸內(nèi)燃燒特性的影響

汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射汽油預(yù)混缸內(nèi)噴射柴油擴(kuò)散兩種燃燒模式結(jié)合的新型燃燒模式。其中，進(jìn)氣道噴入的汽油與缸內(nèi)空氣充分混合形成均質(zhì)混合氣，再被缸內(nèi)噴入的柴油引燃，實(shí)現(xiàn)汽油預(yù)混和柴油擴(kuò)散相結(jié)合的新型燃燒模式。汽油和柴油在燃燒過(guò)程中具有各自的燃燒特點(diǎn)。故不同汽柴油比例會(huì)對(duì)缸內(nèi)燃燒特性具有一定影響。

為了探究不同汽柴油比例混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒特性，本次試驗(yàn)在900r/min,50N·m工況點(diǎn)以柴油主噴正時(shí)32°CA BDTC為例進(jìn)行了四種汽柴油比例缸內(nèi)燃燒特性測(cè)試試驗(yàn)和分析，如圖2所示。

上圖2為不同汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒放熱率和CA50的影響。由圖可知，在相同柴油主噴正時(shí)32°CA BDTC工況下，汽柴油比例越低，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值越高，其對(duì)應(yīng)的曲軸相位越提前。同時(shí)，隨著汽柴油比例的降低，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CA50對(duì)應(yīng)相位提前。

試驗(yàn)中，汽油噴射量固定為9mg/cyc，汽柴油比例越低則意味著柴油噴射量越高。柴油噴射量多會(huì)有效縮短缸內(nèi)混合氣滯燃期，進(jìn)而缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值對(duì)應(yīng)燃燒相位提前。在此試驗(yàn)工況點(diǎn)下，65.1%汽柴油比例中的柴油量能保證汽柴油燃料的充分燃燒，進(jìn)而提升缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值。同時(shí)，較多的柴油不僅能有效縮短汽柴油混合氣的滯燃期，也能夠增加缸內(nèi)混合氣的著火點(diǎn)而提升燃燒速度，進(jìn)而使得汽柴油雙燃料CA50隨著缸內(nèi)汽柴油比例的降低而提前。

圖2　不同汽柴油比例缸內(nèi)燃燒特性

2.2汽柴油比例對(duì)排放特性的影響

為了探究汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響，本試驗(yàn)分別測(cè)試了NO x、PM、THC和CO常規(guī)排放物。

圖3為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO x排放的影響。由圖可知，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO x排放隨著柴油主噴正時(shí)的提前呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì)；同時(shí)，在相同柴油主噴正時(shí)工況下，汽柴油比例越低，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO x排放越高。在發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NO x中占?jí)旱苟鄶?shù)的是NO，其主要來(lái)源是參與燃燒的空氣中的氮。空氣中的氮生成NO的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的澤爾多維奇機(jī)理。NO的生成隨溫度的提高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加。當(dāng)溫度低于1800K時(shí)，NO的生成速率極低；到2000K就達(dá)到很高的速率。故發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)所達(dá)到的最高燃燒溫度為影響NO x生成量的最重要因素。汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油預(yù)混柴油引燃的燃燒模式。隨著汽柴油比例的升高，作為引燃燃料的柴油比例逐漸降低，推遲了缸內(nèi)混合氣的燃燒相位進(jìn)而降低了缸內(nèi)溫度。因此，隨著汽柴油比例的提升，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO x排放逐漸降低。

圖3　汽柴油比例對(duì)NO x排放的影響

圖4為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放的影響。如圖所示，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Soot整體排放水平遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)柴油機(jī)，最高值僅為0.01 g/（kW·h）。在相同柴油主噴正時(shí)工況下，汽柴油比例越低，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放數(shù)值越高。

圖4　汽柴油比例對(duì)Soot排放的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放主要由燃料中含有的碳產(chǎn)生，其生成條件是高溫缺氧。雖然汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)總體是富氧燃燒，但是噴入缸內(nèi)的柴油因其擴(kuò)散燃燒局部缺氧還是會(huì)導(dǎo)致Soot的生成。正如上文所述，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油預(yù)混柴油引燃的新型燃燒模式。隨著汽柴油比例的升高，預(yù)混汽油比例增加，缸內(nèi)混合氣混合更加均勻，有效降低Soot排放物的產(chǎn)生。因此，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放數(shù)值隨著汽柴油比例的升高而降低。

圖5和6分別為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放和CO排放影響曲線圖。由圖可知，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放和CO排放遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柴油機(jī)水平。同時(shí)，汽柴油比例越高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放和CO排放具有相同規(guī)律，均呈現(xiàn)出越高的排放趨勢(shì)。

圖5　汽柴油比例對(duì)THC排放的影響

圖6　汽柴油比例對(duì)CO排放的影響

正如上文所示，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射汽油預(yù)混缸內(nèi)直噴柴油引燃新型燃燒模式。進(jìn)氣道噴入的汽油有足夠時(shí)間在缸內(nèi)與空氣形成均質(zhì)混合氣，并且進(jìn)入缸內(nèi)各種罅隙中。故汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放和CO排放遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)純柴油機(jī)，并且隨著汽柴油比例的升高而呈現(xiàn)單調(diào)升高的趨勢(shì)。

圖7為汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響。由圖可知，在相同柴油主噴正時(shí)工況下，汽柴油比例越高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率越低。同時(shí)，在相同汽柴油比例工況下，柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率影響不明顯。

圖7　汽柴油比例對(duì)燃油消耗率的影響

正如前文所述，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射預(yù)混和缸內(nèi)直噴柴油擴(kuò)散相結(jié)合的新型燃燒模式。汽柴油比例越高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式中的預(yù)混燃燒比例越高。預(yù)混燃燒相對(duì)于擴(kuò)散燃燒來(lái)說(shuō)，其由燃燒速度造成的燃燒損失較小。故汽柴油比例高的工況，其燃油消耗率較低。同時(shí)，如圖2不同汽柴油比例下的缸內(nèi)燃燒特性所示，汽柴油比例越低的工況，其缸內(nèi)燃燒壓力峰值和CA50相位越提前，會(huì)造成壓縮負(fù)功的增加，使得燃油消耗率惡化。鑒于上述兩原因，汽柴油比例越高，其對(duì)應(yīng)的燃油消耗率越低。

3　結(jié)論

在本文研究條件下，在900r/min@50N·m工況點(diǎn)通過(guò)研究汽柴油比例對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，得出以下結(jié)論：

1）隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率峰值呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，并且CA50依次推后。

2）隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO x排放依次降低；Soot排放逐漸降低；THC排放和CO排放由于汽柴油存在而遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柴油機(jī)水平。

3）隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率依次降低。

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A Study on the Effectof Gasoline DieselRate on Performanceof Gasoline DieselDual-Fuel Engine

Zhao Congjiao1,2,LiXucong1,2,Kang Zhiqiang1,2,W ang Chao1,2,Gao Song1,2,Yu Shanying1,2
1-TechnicalCenter，GreatWallMotor Company Limited（Baoding,Hebei,071000,China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

As a prototype,a diesel engine wasmodified into dual-fuel engine,to which gasoline injection system was added for realizing the premixed combustionmodel.The performance of gasoline/diesel dualfuel engine was studied deeply,depending on gasoline injected into intakemanifold and ignited by diesel directly injected into cylinders.The result indicated:as gasoline diesel rate increases,the peak values of combustion pressure in-cylinder and heat release rate decrease relatively,and relative phases delay;the NO x emission and Soot emission of gasoline diesel engine reduce relatively with the increase of gasoline diesel rate;the BSFCofgasoline dieselenginegetsbenefit from the increase ofgasoline diesel rate.

Gasoline diesel dual-fuel engine,Gasoline diesel rate,Combustion pressure in-cylinder,E-mission performance

TK421+.28

A

2095-8234（2016）02-0021-05

2016-02-15）

趙叢姣（1986-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。