汽油/柴油混合燃料對壓燃式發動機預混燃燒及排放的影響?

王 喬，孫萬臣，郭 亮，程 鵬，范魯艷，李國良，孫 毅，杜家坤

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

前言

傳統柴油機本身由擴散火焰控制的燃燒方式決定了其燃燒過程同時穿過了NOx和微粒的生成區域。大量研究表明在傳統的柴油機燃燒技術條件下，不可避免地存在著 NOx和 PM的 trade-off關系[1]。

近年來，為在柴油機NOx和PM排放折衷關系的限值方面取得突破，世界研究機構開始集中于以優化燃燒放熱規律為基礎的新型燃燒理論的研究。柴油機預混充量壓縮著火(PCCI)燃燒技術通過協同控制燃燒過程中混合與化學反應參數，使燃燒路徑避開NOx和碳煙的生成區域，可在保證較高熱效率的同時實現超低的NOx和碳煙排放[2-3]。早期研究人員主要采用大噴油提前角或引入大比率EGR等手段來實現預混合低溫燃燒(LTC)，但是早噴時缸內低壓低溫環境引起的燃油“濕壁”現象以及碳煙排放對EGR的敏感性問題一直未得到很好的解決，這使得柴油機的負荷拓展受到很大限制。因此，僅從燃燒邊界條件的調整和優化的角度已無法實現全工況范圍內的預混合壓縮燃燒，而通過調整燃料理化特性并協同配合燃燒邊界條件實現高效清潔燃燒日益為內燃機工作者所重視[4-7]。一些研究者利用汽油和柴油燃料各自的優點，通過將汽油與柴油按一定比例混合制成寬餾程燃料，由于兼顧汽油的高揮發性與柴油的低自燃溫度，汽油/柴油混合燃料在拓展預混燃燒界限方面表現出了巨大的潛力[8-10]。

英國伯明翰大學將汽油/柴油混合燃料命名為dieseline，結果表明，與純柴油相比，dieseline具有滯燃期長和揮發性好的特點，更有利于實現部分預混壓燃模式[11-12]。Benajes等[13]人的研究表明:隨著汽油添加比例的增加滯燃期逐漸延長，可有效抑制微粒排放和燃燒噪聲，但會導致NOx排放略有升高。近年來，國內研究者也針對汽油/柴油混合燃料開展了相關研究，取得了一系列具有指導意義的成果[14-18]。

對于汽油/柴油混合燃料，由于其在燃料理化特性上不同于傳統汽油和柴油，因此，實現預混合壓燃所要求的燃燒邊界條件及活化熱氛圍與傳統燃料必然有所差異。現有研究多基于燃燒模式展開，對于核心邊界條件對汽油/柴油混合燃料預混合燃燒特性的影響程度及其協同控制策略仍缺乏定論。因此，有必要開展進一步的研究工作。本文中在前期研究的基礎上，試驗研究了汽油摻混比例、EGR以及噴油參數對汽油/柴油混合燃料預混壓燃燃燒和排放的影響規律，探索了內燃機在更寬的負荷范圍內實現高效清潔燃燒的協同控制方法。

1 試驗裝置和試驗條件

1.1 試驗用發動機和試驗燃料

試驗中使用一臺匹配高壓共軌燃油噴射系統的增壓中冷四缸柴油機。采用開放式電控燃油噴射系統對噴油時刻、噴油壓力等參數進行實時在線控制。采用高壓冷卻EGR系統并配備電控EGR閥，可以實現對EGR溫度和EGR率的精確控制。表1給出了發動機的主要技術參數。

表1 發動機主要技術參數

研究中選取國Ⅴ(-10#)柴油與97#汽油作為基礎燃料，按不同體積比進行配比，獲取了不同餾程范圍和著火性的試驗燃料。前期研究表明，當汽油摻入比例大于60%時，由于燃料的揮發性過強，中小負荷工況下燃燒溫度較低，燃燒不完全度增加，熱效率較低，在高效燃燒工況適應性方面存在一定局限性。因此，重點針對汽油摻入比例小于50%的汽油/柴油混合燃料進行試驗研究，定義純柴油與汽油摻入比例為20%，30%，40%和50%的混合燃料分別為G0，G20，G30，G40和G50。試驗基礎燃料理化特性參數如表2所示。

1.2 試驗測試系統

試驗中采用的發動機測控系統包括洛陽南峰機電設備公司生產的CW260程控式電渦流測功機、HORIBA 7100DEGR汽車排氣分析儀、AVL439消光式煙度計、日本小野數字油耗儀和日本小野DS-9100燃燒分析儀等。缸壓測量采用Kistler 6052C型缸壓傳感器，轉角信號由Kistler 6124B型編碼器輸出，采樣分辨率為0.25°CA，每個工況點示功圖均采集100個循環進行平均以消除測量誤差。圖1為試驗臺架示意。

表2 試驗燃料理化特性

圖1 試驗臺架示意圖

1.3 數據分析方法與研究方案

為保證試驗結果重復性，研究中機油溫度和冷卻水溫度均穩定在85℃，燃油溫度控制在25℃。定義累積放熱量的10%(CA10)和90%(CA90)所對應的曲軸轉角為燃燒始點和燃燒終點，滯燃期定義為燃燒始點與噴油始點之差，燃燒持續期定義為燃燒終點與燃燒始點之差，主預噴間隔角定義為預噴射開始時刻到主噴射開始時刻對應的曲軸轉角。為避免不同燃料的密度和低熱值對試驗結果的影響，試驗中不同燃料的燃油消耗量按照燃料燃燒所放出的熱量統一折合成純柴油的當量燃油消耗量。

研究中選取典型的發動機最大轉矩轉速1800r/min，5種平均指示壓力(IMEP)分別為 0.32，0.50，0.70，0.90和1.10MPa，分別對應發動機該轉速下的15%，30%，45%，60%和75%負荷。根據前期研究結論[6]，為保證發動機在不同負荷下都有較高的熱效率，試驗中通過調整燃油噴射時刻(Tinj)保證不同負荷下的放熱質心CA50都處于最優位置，且燃用不同燃料時的CA50相同。汽油/柴油混合燃料在不同負荷工況下的噴油時刻以及對應的CA50如圖2所示。

圖2 不同燃料燃油噴射時刻及CA50選取位置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 汽油/柴油混合燃料對燃燒及排放的影響

圖3為燃用不同摻混比例汽油/柴油混合燃料時的放熱率和缸壓對比。研究表明，當放熱率曲線近似為單峰對稱結構時可將燃燒過程視為預混合燃燒[19]。由圖可見:小負荷工況下，噴油持續期較短，缸內燃燒溫度低，燃燒過程以預混合燃燒為主，此時汽油摻入比例對燃燒過程的影響不大；隨著負荷的增加，燃燒持續期延長，燃燒過程向擴散燃燒轉變。與柴油相比，隨著燃料中汽油摻入比例的增加，燃燒過程預混合階段的放熱率峰值逐漸增加，可見汽油/柴油混合燃料在中高負荷仍然具有較大比例的預混合燃燒。其主要原因是隨汽油摻入比例增加，燃料揮發性改善，有助于加速油氣混合過程，同時混合燃料中汽油成分的增加使燃料十六烷值降低、滯燃期延長，為油氣進一步混合預留了充足時間，這兩方面原因導致滯燃期內形成的可燃混合氣增多，燃燒放熱率增大，有利于增加預混合燃燒比例。

圖3 汽油摻入比例對缸壓及放熱率的影響

為進一步探討汽油摻入比例對壓燃式發動機預混合燃燒過程的影響程度，研究中定義預混合燃燒量比為預混合燃燒放熱量占燃燒累積放熱量的比率。圖4為汽油摻入比例對預混合燃燒量比的影響。由圖可知，隨著負荷的增加，不同燃料的預混合燃燒量比均逐漸減小。對于汽油摻入比例小于20%的混合燃料，能夠實現預混合燃燒過程所對應的負荷工況較窄，提高汽油摻入比例，相同負荷下的預混合燃燒量比逐漸提高，有效拓展了發動機預混壓燃的負荷范圍。當汽油摻入比例大于30%時，預混壓燃的負荷范圍可拓展至IMEP為0.50MPa，相當于30%發動機負荷率。

圖5為不同負荷條件下燃用汽油/柴油混合燃料燃燒特征參數對比。從圖中可更為明顯地看出，在不同負荷工況下隨著汽油摻入比例的增加，滯燃期呈增加趨勢，且在低負荷時增加更為明顯。當IMEP為0.32MPa時，G0燃料的滯燃期為11.7°CA，而G50燃料的滯燃期達到了15.1°CA，比純柴油延長了3.4°CA，增加了將近30%。滯燃期的延長使得滯燃期內形成的預混合氣量增加，該部分混合氣的快速燃燒放熱提高了整體的化學反應速率，這導致燃燒持續期隨著汽油摻入比例的增加略有降低，燃燒過程的定容性有所改善。

圖4 汽油摻入比例對預混合燃燒量比的影響

圖5 不同摻入比例汽油/柴油混合燃料主要燃燒特征參數對比

對比不同負荷條件下汽油/柴油混合燃料對燃油經濟性的影響可以發現，采用優化的燃燒相位CA50情況下，汽油摻入比例對熱效率的影響減弱，但整體隨汽油摻入比例的增加指示熱效率下降，且小負荷工況更為明顯。原因在于小負荷工況下缸內燃燒溫度相對較低，燃用汽油/柴油燃料導致滯燃期明顯延長，此時油氣發生過度混合現象，導致缸內局部過稀區增多，燃燒效率下降，進而導致指示熱效率下降。

圖6為不同負荷條件下燃用汽油/柴油混合燃料對排放特性影響對比。由圖可見:混合燃料中汽油摻入比例的增加對NOx排放影響不大，但卻能顯著降低排氣煙度，在大負荷條件下尤為明顯；當IMEP為 1.10MPa時，G0燃料的消光煙度為5.06%，而 G50的消光煙度為 1.51%，降幅達到70%。這是因為大負荷工況下燃燒溫度較高，油氣混合時間縮短，此時缸內的局部過濃區的碳煙生成傾向增加，燃用汽油/柴油混合燃料，使油氣混合過程得到改善，預混合燃燒量比增加，有利于抑制碳煙生成。從圖中還可看出，隨著混合燃料中汽油摻入比例的增加，缸內不完全燃燒產物CO和HC排放增加，小負荷工況下增加更多。

圖6 不同摻入比例汽油/柴油混合燃料排放特性對比

2.2 EGR與噴油壓力對汽油/柴油混合燃料燃燒和排放的影響

為在保證熱效率的同時進一步降低排放，試驗研究了EGR與噴油壓力對汽油/柴油混合燃料預混壓燃燃燒和排放的影響。試驗中選取G40燃料與純柴油進行對比，通過調整噴油時刻控制CA50的位置不變。

圖7所示為不同噴油壓力下EGR對不同燃料滯燃期的影響。由圖可見:EGR和汽油/柴油混合燃料對滯燃期均產生較大的影響，且隨噴油壓力的不同影響程度亦存在差異；隨EGR率的提高，滯燃期延長，且在大EGR率下更為明顯。對比不同燃料的影響結果顯示，混合燃料中由于汽油的加入，降低了燃料的十六烷值，抑制燃料的反應活性，使得其滯燃期顯著高于純柴油。同時汽油/柴油混合燃料的滯燃期對EGR的敏感程度較純柴油有所增加，當噴油壓力為 80MPa時，相同 EGR增量(從 0增至20%)下，G0燃料滯燃期增長了1.6°CA，G40燃燒的滯燃期增長了2.2°CA。隨噴油壓力的提高，滯燃期略有減小。圖8所示為EGR對不同燃油經濟性的影響。由圖可見，在固定燃燒相位CA50不變的條件下，EGR對不同燃料指示燃油消耗率的影響不大，但當EGR率超過20%時，指示燃油消耗率明顯升高，隨噴油壓力增加，燃油消耗率有所降低。適當提高噴油壓力有利于降低汽油/柴油混合燃料的燃油消耗率。

圖7 不同噴油壓力下EGR對不同燃料滯燃期影響對比

圖8 不同噴油壓力下EGR對不同燃料燃油經濟性影響對比

圖9 為不同噴油壓力條件下EGR對不同燃料排放特性的影響對比。由圖可見:EGR的引入對不同燃料的排放特性產生顯著影響，尤其對于消光煙度和NOx排放；隨著EGR的增加，不同燃料的NOx排放均呈線性下降趨勢，當EGR率達到20%時，NOx下降近75%。對比不同燃料消光煙度發現，不同噴油壓力下，煙度隨EGR率增加均存在一個“突變點”，此時煙度值開始明顯升高。燃用汽油/柴油混合燃料或增大噴油壓力，均可使該“突變點”在一定程度上向大EGR率方向偏移。以上現象可歸因于燃燒過程對低氧濃度的耐受性存在差異，低噴油壓力下，燃料霧化質量較差，此時燃料分子氧化過程對其周圍氧濃度水平提出了更高的要求。通過提高噴油壓力或燃用汽油/柴油混合燃料后，強化了油氣混合過程，有助于抑制高溫貧氧區大分子碳鏈轉化為碳質顆粒的反應傾向。因此，從控制顆粒物生成的角度上講，燃用汽油/柴油混合燃料可以提高對更高比例EGR的耐受性，一方面可降低對于更高噴射壓力的需求，另一方面有助于通過大比例的EGR來改善NOx和碳煙的折衷關系。但當EGR率超過12%，進氣氧濃度降低，導致不完全燃燒產物CO的生成增加。EGR對于HC排放影響較小。

圖9 不同噴油壓力下EGR對不同燃料排放特性影響對比

2.3 預噴參數對汽油/柴油混合燃料燃燒和排放的影響

大負荷工況下缸內燃燒溫度升高，滯燃期縮短，不同燃料的預混合燃燒量比降低，為保證熱效率的情況下進一步改善排放，取得NOx和PM的良好折衷關系，本文中采用了EGR與兩段噴射模式協同控制策略，試驗研究預噴參數對汽油/柴油混合燃料燃燒和排放的影響。根據前文研究結論，隨負荷的增大，采用高汽油摻入比例的汽油/柴油混合燃料能夠進一步降低排氣煙度，且不會導致NOx顯著增加。因此，本文在IMEP為1.10MPa的負荷下選取汽油摻混比分別為30%和50%的混合燃料與純柴油進行對比研究。燃燒相位CA50控制在12.5°CA ATDC，噴油壓力為120MPa，EGR率控制在12%。

2.3.1 預噴時刻對汽油/柴油混合燃料燃燒及排放的影響

試驗中設定每循環預噴油量為4mg(占總循環供油量的10%)，調整兩段噴射的間隔角度分別為10，20，30，40 和 50°CA，試驗研究了預噴時刻對汽油/柴油混合燃料燃燒及排放的影響。

圖10為燃用不同汽油摻入比例混合燃料時預噴時刻對滯燃期的影響。由圖可見:預噴時刻提前，預噴燃油的引燃作用減弱，導致不同燃料的滯燃期均有所延長；隨著汽油摻入比例增加，預噴時刻對滯燃期的影響進一步放大，在相同的預噴時刻變化下(10-50°CA)純柴油的滯燃期延長了 2.1°CA，而G50燃料的滯燃期延長了3.8°CA。滯燃期的延長使得油氣混合的時間延長，有利于在滯燃期內形成更多的預混合氣，提高預混合燃燒量比。

圖10 主預噴間隔角對汽油/柴油混合燃料滯燃期的影響

圖11 為燃用不同汽油摻入比例混合燃料時預噴時刻對指示熱效率的影響。由圖可見:兩段噴射間隔角小于30°CA時，預噴時刻對熱效率影響較小；隨著預噴時刻的進一步提前，預噴燃油在較低的缸內溫度和壓力下的“濕壁”問題開始顯現，導致指示熱效率下降。對比不同燃料發現，G50的指示熱效率最高，原因在于汽油成分的加入改善了燃料的揮發性，使得噴霧發展過程中快速揮發，減少燃料著壁量，從而獲得較好的熱效率。

圖11 主預噴間隔角對汽油/柴油混合燃料指示熱效率的影響

預噴時刻對汽油/柴油混合燃料排放特征的影響如圖12所示。由圖可見，隨著兩段噴射間隔角增大，NOx排放略有升高，排氣煙度顯著降低。這主要是由于預噴時刻提前，預噴燃油反應量減少，更多燃料以預混合氣的形式參與主噴燃油的燃燒過程，相當于預混合燃燒量的增加。而隨著汽油比例的增加，滯燃期延長(如圖10所示)，在著火前形成的均勻混合氣量進一步增加，燃燒過程得到改善，排氣煙度顯著降低。

圖12 主預噴間隔角對汽油/柴油混合燃料排放特性的影響

2.3.2 預噴量對汽油/柴油混合燃料排放及經濟性的影響

為揭示預噴量對汽油/柴油混合燃料排放及經濟性的影響，研究中固定兩段噴射間隔角為30°CA，調整預噴油量使其分別占總噴油量的比例為5%，10%，15%，20%和25%。

圖13為預噴油量對汽油/柴油混合燃料燃油經濟性的影響。由圖可見:當預噴油量占比小于20%時預噴油量對燃油經濟性的影響不大；隨著預噴油量的進一步增大，其貫穿距增長，導致燃料著壁量增加，不同燃料的指示熱效率下降，指標燃油消耗率升高。對比不同燃料發現，由于汽油的加入，混合燃料的揮發性得到改善，有效抑制了油束撞壁現象的發生，使得其熱效率高于純柴油。

圖13 預噴量對汽油/柴油混合燃料經濟性的影響

圖14 為燃用汽油/柴油混合燃料時預噴油量對排放特性的影響。由圖可見，對于不同燃料，隨預噴油量增加，NOx排放變化不大，排氣煙度明顯降低。

圖14 預噴量對汽油/柴油混合燃料排放特性的影響

綜上所述，大負荷工況下采用高汽油摻入比例的混合燃料，協同控制EGR和兩段噴射策略，將主預噴間隔角保持在30°CA，預噴油量占比保持在20%可以取得良好的燃油經濟性和排放特性。

3 結論

(1)壓燃式發動機燃用汽油/柴油混合燃料能夠延長滯燃期，縮短燃燒持續期，增大預混合燃燒比例，顯著降低煙度排放。

(2)汽油/柴油混合燃料可以提高燃燒系統對于大比例EGR的耐受性，有效抑制低氧濃度氛圍下的碳煙生成，降低對燃油噴射壓力的要求，有助于采用較高比例EGR來同時降低NOx和碳煙排放。

(3)混合燃料中汽油成分的加入，有利于改善燃料揮發性，緩解預噴條件下的燃料“濕壁”問題，有利于采用較早的預噴時刻或提高預噴油量占比來延長滯燃期，增加預混合燃燒量，進一步改善煙度排放。

(4)大負荷工況下，采用高汽油摻入比例的汽油/柴油混合燃料，并協同控制EGR及兩段噴射策略可以在保證較高熱效率的條件下，進一步改善NOx和排氣煙度。