柴油射流控制柴油基燃料預混合氣壓縮著火相位的試驗研究

隆武強，禮博，李達，田江平，田華，臧廣輝，戴宏偉

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柴油射流控制柴油基燃料預混合氣壓縮著火相位的試驗研究

隆武強1, 2，禮博1，李達1，田江平1, 2，田華1，臧廣輝3，戴宏偉3

(1. 大連理工大學 內燃機研究所，遼寧 大連，116024；2. 大連理工大學 船舶制造國家工程研究中心，遼寧 大連，116024；3. 遼陽新風科技有限公司，遼寧 遼陽，111200)

為了實現對柴油機預混合壓縮著火相位的主動控制，提出柴油射流控制柴油基燃料壓縮著火方案，并在1臺改造的單缸自然吸氣186FA柴油機上進行可行性試驗研究。研究結果表明：在50%負荷試驗條件下，柴油射流可以有效控制預混合氣的著火相位；隨著柴油射流正時的推遲，10%和50%累積放熱對應曲軸轉角CA10和CA50均呈線性規律變化，氮氧化物排放明顯降低，碳煙排放幾乎為零；隨著預噴正時的推遲，放熱率呈現由單峰較慢放熱至雙峰放熱至最后的單峰快速放熱的變化規律，且碳氫化合物和一氧化碳排放逐漸降低；在單峰快速放熱情況下，壓力升高率最大；增加柴油射流量，燃燒過程減緩，且會擴大柴油的擴散燃燒比例，導致碳煙排放增加。

預混合；著火相位；雙直噴；射流控制壓縮著火；柴油基燃料

為了提高柴油機熱效率，降低傳統柴油燃燒產生的碳煙和NO，胡國棟[1?2]提出了“柴油熱預混合燃燒(hot premix of diesel combustion，HPDC)”思想，即在燃燒之前將柴油全部噴入氣缸內，形成預混合氣，控制著火相位發生在上止點附近，實現柴油機的高效低排放燃燒，并指出“柴油機燃燒汽油機化”。目前，普遍把這種模式稱為預混合壓燃(premixed charge compression ignition，PCCI)。豐田汽車公司[3]和新ACE[4]先后采用傘狀噴霧開展高速柴油機預混合壓燃研究，再現了胡國棟[1]得到的結果。另一方面，ONISHI等[5]以汽油機為基礎提出吸氣行程進氣道噴射預混合壓燃路線(汽油機變火花點火為壓縮著火)，這種方式后來被人們稱為均質充量壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)。將柴油機的壓燃和汽油機的預混合相結合，即柴油機與汽油機合二為一，可以大幅提高內燃機的熱效率，減少排放污染物的生成。這也意味著內燃機的燃料可以包含從柴油到汽油之間的所有成分，甚至范圍更廣。人們對柴油機預混合壓燃進行了長期研究，但一直未能實用化，其原因是著火相位控制沒有得到解決[6]。為了控制著火相位、提高低負荷燃燒穩定性，研究者先后提出了點火室高溫活性基或火焰射流控制壓縮著火相位[7?8]、高壓氣體射流控制壓縮著火相位[9?10]和高十六烷值燃料射流控制柴油基燃料壓縮著火相位[11]3種模式，統稱為射流控制壓縮著火(jet controlled compression ignition，JCCI)。在此基礎上，提出柴油射流控制柴油基燃料預混合氣壓縮著火相位，本文中柴油基燃料為柴油與乙醇汽油的混合物，該模式有望成為柴油機和汽油機從燃料到燃燒方式均合二為一的最可行途徑。目前，國內外有不少研究者在開展柴、汽油燃料預混合壓燃的研究，包括缸內混合和缸外混合兩類。如YU等的HCII (homogeneous charge induced ignition)[12]和威斯康辛大學發動機研究中心的RCCI (reactivity controlled compression ignition)[13]均屬于缸內混合。而ZHONG等[14]通過使用柴油與汽油混合燃料，結合負氣門重疊技術，擴展了HCCI的運行范圍，隨后將混合燃料應用到部分預混合壓燃(partially premixed combustion，PPC)模式。結果表明相比于柴油，混合燃料可以有效降低總顆粒排放數目[15]；WEALL等[16?17]分別將柴油與汽油混合燃料應用到PPC和PCCI模式，結果表明：混合燃料揮發性更好，滯燃期更長，可以實現較低的碳煙排放。韓東等[18?20]通過調制柴油與汽油混合物，探究混合燃料在壓燃發動機上的應用潛力。本文作者對柴油射流控制柴油基燃料預混合氣壓縮著火相位燃燒模式的可行性及燃燒與排放特性進行研究。

1 試驗設備及方法

將1臺單缸風冷、自然吸氣式186FA柴油機的噴油系統更換成2套高壓共軌裝置，構成雙直噴型柴油射流控制柴油基燃料預混合氣壓縮著火相位系統。發動機主要技術參數見表1。

表1 發動機技術參數

試驗使用新風科技有限公司第二代JCRT共軌系統，2套共軌系統的高壓油泵均由外置電機控制。噴油器布置如圖1所示。側置噴油器1用于柴油基燃料的預噴射，采用較小的噴霧錐角，改善由缸內早噴而造成的濕壁現象；中置噴油器2用于柴油的射流噴射。在進氣沖程或者壓縮沖程早期，通過預噴射直噴系統將柴油基燃料噴入氣缸內形成預混合氣，由于燃料活性相對較低，并且通過控制缸內條件使其不能單純依靠壓縮直接自燃著火。在壓縮上止點附近由射流噴射系統向缸內噴射柴油，在給定壓縮比條件下，柴油迅速被壓燃，并引燃缸內預混合氣，從而有效控制預混合氣的著火相位。

1—柴油基燃料噴油器；2—柴油噴油器。

發動機的控制與數據采集程序均基于NI CompactRIO平臺，采用LabVIEW圖形化語言編寫。試驗使用AVL GH14DK缸壓傳感器搭配Kistler 5018A電荷放大器測量缸內壓力，每個穩定工況點采集100個循環的缸壓，通過Matlab進行數據處理與燃燒分析。使用Horiba MEXA?7100DEGR尾氣分析儀測量穩定工況下尾氣中的CO，CO2，O2，THC和NO濃度，使用佛分FBY?1濾紙式煙度計測量碳煙排放。試驗裝置示意圖如圖2所示。

1—柴油油箱；2—柴油質量流量計；3—柴油基燃料油箱；4—柴油基燃料質量流量計；5—柴油噴油器；6—柴油基燃料噴油器；7—缸壓傳感器；8—進氣道；9—排氣道；10—電荷放大器；11—控制與數據采集系統；12—凸輪軸信號傳感器；13—曲軸信號傳感器；14，15—K型熱電偶；16—煙度計；17—尾氣分析儀；18—測功機。

定義每循環柴油射流質量與全部燃油質量的比值為射流質量比，記作J。

式中：J為每循環柴油射流質量，mg；T為每循環全部燃油質量，mg。

試驗以市售0號商業柴油和95號商業乙醇汽油(E10)為基礎燃料，乙醇汽油中含有體積分數為10%的乙醇。按照柴油與乙醇汽油質量比為2:8和3:7混合，得到2種預噴射柴油基燃料，分別記作D20和D30。

在原機壓縮比條件下，結合預混合燃燒模式，隨著負荷增加，缸內溫度升高，燃油反應速率加快，導致壓力升高率過大，因此，作為研究的第一步，本文試驗均在額定轉速50%負荷進行，探究柴油射流控制柴油基燃料壓縮著火相位燃燒模式的可行性。

2 試驗結果與分析

2.1 柴油射流正時對于JCCI燃燒模式的影響

2.1.1 柴油射流正時對燃燒的影響

固定每循環柴油射流的噴油量約為4.7 mg，在不同柴油射流正時(燃油噴射時刻所對應的曲軸轉角)條件下，通過調整預噴燃油量保證發動機有效輸出功率不變，試驗條件如表2所示。圖3所示為分別以D20和D30作為預噴燃料，缸內壓力和放熱率曲線隨柴油射流正時的變化規律。

表2 試驗條件 (1)

預噴燃料：(a) D20；(b) D30射流正時(上止點后)/(°)：1—?19；2—?17；3—?15；4—?13；5—?11。

從圖3可以看出：隨著柴油射流正時的推遲，燃燒壓力和放熱率曲線向右推移，且缸內最高燃燒壓力減小。從放熱率曲線可以看出：本組試驗均呈現明顯的兩階段燃燒規律。本文將這種放熱規律劃分為2部分，其中，第一階段定義為射流壓燃階段，主要由柴油射流被壓燃引起，同時周圍的部分預噴射燃料被引燃，從而釋放一部分熱量；隨著射流壓燃釋放能量逐漸增加，缸內的溫度和壓力同時升高，缸內的預混合氣被壓燃，放熱率再一次升高，因此，定義第二階段的燃燒為預混合氣燃燒階段。

隨著柴油射流正時的推遲，射流壓燃階段和預混合氣燃燒階段的放熱率均逐漸降低，且預混合氣燃燒階段放熱持續期逐漸增長。這是因為燃燒發生在膨脹沖程，隨著燃燒的推遲，溫度和壓力減小，導致混合氣反應速率降低。并且當預噴正時固定時，隨著射流正時推遲，預噴燃油在缸內分布范圍更廣，因此，參與到射流壓燃階段的預混合氣減少，導致射流壓燃階段的放熱率峰值逐漸降低。隨著射流壓燃階段放熱量減少，缸內壓力和溫度相對降低，因此，預混合氣燃燒速率減緩，預混合氣燃燒階段的放熱峰值也隨著射流正時的推遲逐漸降低。

圖4所示為柴油射流正時對JCCI燃燒模式有效熱效率的影響。從圖4可知：隨著柴油射流正時的推遲，燃燒也相繼推遲，且射流壓燃階段放熱速率減小，預混合氣燃燒階段變緩，導致整體燃燒等容度下降，做功能力減弱。因此，隨著射流正時的推遲，發動機有效熱效率逐漸降低。

預噴燃料：1—D20；2—D30。

圖5所示為使用D20和D30作為預噴射燃料各自的10%和50%累積放熱對應曲軸轉角(記作CA10和CA50)隨射流正時改變的變化規律。隨著柴油射流正時的推遲，使用2種預噴燃料的CA10和CA50均呈現較好的線性變化規律，說明柴油射流噴射對于預混合壓縮著火相位起到有效的主動控制作用，并且也說明D20和D30在該工況點下均可以采用柴油射流控制的方式來控制其預混合氣的著火相位。

1—CA10(D20)；2—CA10(D30)；3—CA50(D20)；4—CA50(D30)。

2.1.2 柴油射流正時對排放的影響

圖6所示為最大壓力升高率和NO體積分數隨柴油射流正時推遲的變化規律。從圖6可知：隨著射流正時的推遲，CA50遠離上止點，燃燒溫度和壓力均降低，NO排放也隨之降低。本試驗條件下，尾氣煙度均為0 BSU(BSU為波許煙度單位)，說明柴油基燃料的預噴射對于降低局部當量比、控制柴油機碳煙排放起到了重要作用。

圖7所示為THC和CO隨柴油射流正時推遲的變化規律。從圖7可知：隨著射流正時的推遲，燃燒溫度降低，預噴燃料混合時間增長，分布范圍更廣，濃度更稀，狹縫處的燃料增多，導致THC和CO增加。經對比發現：在本試驗條件下，當使用D30作為預噴燃料時，THC排放要低于使用D20作為預噴燃料時的排放，主要是因為D30中柴油含量較高，增加了預噴燃料的反應活性，使得預噴燃料更容易發生氧化反應，從而降低了尾氣中的THC排放。而CO主要受溫度和氧濃度控制，使用D20和D30的燃燒相位相差不大，因此，燃燒溫度和局部氧濃度差別均較小，CO排放相差較小。且CO是THC氧化的中間產物，使用D30時THC的不完全氧化也可能是CO無明顯差異的原因。

1—最大壓力升高率(D20)；2—最大壓力升高率(D30)；3—NOx體積分數(D20)；4—NOx體積分數(D30)。

1—THC(D20)；2—THC(D30)；3—CO(D20)；4—CO(D30)。

2.2 預噴正時對于JCCI燃燒模式的影響

2.2.1 預噴正時對燃燒的影響

試驗條件如表3所示，固定柴油射流正時和噴油量，分別改變D20和D30預噴正時的缸內壓力及放熱率曲線見圖8。隨著預噴正時靠近上止點，放熱率呈現由單峰較慢放熱至雙峰放熱至最后的單峰快速放熱的變化規律。因為預噴正時遠離壓縮上止點(?70°和?80°)時，預噴油束落點距離燃燒室中心較遠，且預噴燃料與空氣混合時間長，局部當量比較小，因此，預混合氣燃燒階段反應速率降低；當預噴正時為?60°，?50°(D20)和?60°(D30)時，預噴燃料有較充足的時間混合，柴油射流迅速被壓燃，缸內壓力和溫度升高，隨后局部當量比相對較高的預混合氣也被迅速壓燃；隨著預噴正時進一步靠近上止點(?40°(D20)和?50°(D30))，預噴燃油沒有充足的時間與周圍空氣混合，導致大量預噴燃油集中在柴油射流周圍，當柴油射流被壓燃時，周圍大量預噴燃油同時也被引燃，導致放熱過程迅速，呈現單峰快速放熱規律。

表3 試驗條件 (2)

預噴燃料：(a) D20；(b) D30預噴正時(上止點后)/(°)：1—?80；2—?70；3—?60；4—?50；5—?40。

值得注意的是：在使用D30作為預噴燃料，預噴正時為?50°時，放熱率明顯提前，說明在該工況點及試驗條件下缸內燃料發生了著火相位提前的現象，且此時缸內最高壓力和壓力升高率均較高，因此，需要進一步控制預噴射和射流的噴油策略，避免過高的缸內壓力及壓力升高率。

2.2.2 預噴正時對排放的影響

圖9所示為THC和CO隨預噴正時的變化規律。從圖9可知：隨著預噴正時靠近上止點，預噴燃料的油束落點逐漸向燃燒室中心靠近，且預噴燃料與空氣的混合時間也越來越短，則分布到燃燒室遠端狹縫及缸壁附近的預噴燃料混合氣減少。由于遠端溫度較低，稀薄混合氣不易發生氧化反應，較低的溫度也導致CO很難被進一步氧化成CO2，所以在預噴較晚的情況下，THC和CO的排放均相對于預噴較早的情況明顯 減少。

1—THC(D20)；2—THC(D30)；3—CO(D20)；4—CO(D30)。

2.3 柴油射流量對于JCCI燃燒模式的影響

2.3.1 柴油射流量對燃燒的影響

試驗條件如表4所示，改變柴油射流質量和預噴燃油質量，柴油射流質量與射流質量比J的相對關系如圖10所示。

表4 試驗條件 (3)

分別使用D20和D30作為預噴射燃料，改變柴油射流量的缸壓及放熱率曲線見圖11。從圖11可知：隨著柴油射流量的增加，即J從0.30增大到0.76，預噴油量相應減少，雙峰放熱規律逐漸轉變為單峰值較慢放熱。這是因為預噴燃油量減少，稀薄的預混合氣反應速度變慢，因此，預混合氣燃燒階段放熱率峰值逐漸下降。在使用D30作為預噴燃料，每循環柴油射流質量為3.95 mg條件下，呈現單峰快速放熱過程，說明在該試驗條件下，射流壓燃階段與預混合氣燃燒階段同時進行，而在使用D20作為預噴燃料時并未出現單峰快速放熱，這是因為D30中柴油的含量較多，在受到射流燃燒激發的同時，預噴燃料中的柴油快速自燃，釋放的能量足以使預噴燃料同時著火。

1—RJ (D20)；2—RJ (D30)。

預噴燃料：(a) D20；(b) D30每循環射流質量/mg：1—2.78；2—3.59；3—4.43；4—5.50；5—6.48；6—3.95；7—4.69；8—5.86；9—6.79。

2.3.2 柴油射流量對排放的影響

圖12所示為NO和碳煙隨柴油射流量的變化規律。從圖12可知：隨著J增大，預噴燃油量減少，預混合氣局部當量比降低，導致預混合氣燃燒階段反應速率減緩，燃燒溫度減小，因此，NO排放也逐漸降低。且在使用D30作為預噴燃料的情況下，當J超過0.67時，尾氣中產生了少量的碳煙排放，說明增加柴油射流量，提高了燃燒時的局部當量比，即擴大了擴散燃燒比例。

1—NOx (D20)；2—NOx (D30)；3—碳煙(D30)。

3 結論

1) 利用柴油射流控制柴油基燃料預混合氣壓縮著火，在50%的負荷下，隨著柴油射流正時的推遲，著火相位呈線性變化規律，說明柴油射流對柴油基燃料預混合氣壓縮著火相位起到了有效的控制作用，即高十六烷值燃料射流可以引燃射流燃料與高辛烷值燃料的混合物，突破了傳統意義上的高十六烷值引燃高辛烷值的范圍。

2) 隨著射流正時向后推遲，燃燒等容度下降，有效熱效率降低；缸內燃燒壓力和溫度降低，NO排放減少。使用柴/汽油混合燃料作為預噴燃料，可以有效降低局部當量比，碳煙排放幾乎為零。預噴燃料中較高的柴油比例增加了反應活性，減少了THC的排放。

3) 隨著預噴正時向后推遲，放熱率呈現由單峰較慢放熱至雙峰放熱至最后的單峰快速放熱的變化規律。在單峰快速放熱情況下，燃燒等容度最高，缸內壓力升高率最大。隨著預噴正時靠近上止點，分布到燃燒室遠端的預噴射燃料減少，THC和CO的排放量 降低。

4) 增加柴油射流量，柴油的擴散燃燒比例增加，放熱過程減緩，導致尾氣中碳煙排放增加。

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Experimental study on diesel jet controlled compression ignition phase of premixed diesel-based fuels

LONG Wuqiang1, 2, LI Bo1, LI Da1, TIAN Jiangping1, 2, TIAN Hua1, ZANG Guanghui3, DAI Hongwei3

(1. Institute of Internal Combustion Engine, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. National Engineering Research Center of Shipbuilding, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3. Liaoyang Xinfeng Technology Co., Ltd., Liaoyang 111200, China)

A jet controlled compression ignition(JCCI) combustion mode was proposed to actively control the combustion phase of premixed charge. In this mode, diesel was used as jet fuel to ignite the premixed diesel-based fuels. Experiments of JCCI were conducted on a modified single-cylinder naturally aspirated 186FA diesel engine. The results indicate that jet-injection of diesel can give a robust control on the combustion phase of premixed charge. Both CA10 and CA50 are in line with diesel jet-injection timings, NOemissions are reduced with the retarding of jet-injection timing, almost zero soot emissions are measured under these 50% load operating conditions. Heat release rate(HRR) changes from slow with single peak value to double peak values, and finally to fast with single peak value, and both total hydrocarbon(THC) and CO emissions decrease with the retarding of pre-injection timing. The highest maximum pressure rise rate is observed in the cases of fast HRR with single peak value. More diesel jet-injection fuels slow down the rate of combustion process and enlarge the part of combustion controlled by fuel mixing process, resulting in the increase of soot emissions of JCCI combustion.

premixed charge; combustion phase; dual-direct injectors; jet controlled compression ignition; diesel- based fuels

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.031

TK421+.2

A

1672?7207(2018)07?1815?08

2017?07?04；

2017?10?09

國家自然科學基金資助項目(51379034) (Project(51379034) supported by the National Natural Science Foundation of China)

田華，高級工程師，從事內燃機燃燒與排放研究；E-mail: watson_tian@hotmail.com

(編輯 楊幼平)