噴油定時與進氣壓力對RCCI特征參數的影響

韓偉強，田小聰，李 邱，李博侖，盧 耀，潘鎖柱，張 鵬

（1. 流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學），成都610039； 2. 汽車測控與安全四川省重點實驗室（西華大學），成都 610039； 3. 交通新能源開發、應用與汽車節能陜西省重點實驗室（長安大學），西安 710061）

0 引 言

低溫燃燒策略可以使燃燒過程避開 NOx和顆粒物的生成區，同時實現2種排放物的超低排放[1-3]。其中由于均質充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）和預混充量壓燃（Premixed Charge Compressed Ignition，PCCI）[4-8]燃燒模式的燃燒過程由燃料自身的理化性質和化學反應動力學所決定，使燃燒的可控性差，發動機運行負荷范圍窄。隨著研究的深入，學者們發現通過控制缸內混合氣的分層來控制燃燒的著火時刻和反應速率可以達到提高發動機效率、降低排放以及拓展發動機負荷的作用[9-13]。由此，Kokjohn等[14-15]提出了活性控制壓燃（Rreactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）的燃燒模式，通過進氣道噴射低活性燃料，在缸內形成低活性燃料的均質混合氣，缸內直噴高活性燃料，形成混合氣分層，實現燃燒過程可控的分層燃燒[16-17]。RCCI燃燒模式已被證明在較寬的負荷范圍內可以實現接近60%的超高熱效率與超低NOx和顆粒物排放[18-22]。

RCCI燃燒過程可以通過合理調整控制參數來形成適度的缸內混合氣分層，實現高效低排放的燃燒，其中進氣壓力（Inlet Pressure，IP）、高活性燃料的噴油定時（Start of Injection，SOI）等控制參數對RCCI燃燒過程有很大影響。IP的改變會導致混合氣的溫度和分子間的碰撞頻率改變，從而影響化學反應的速率[23]。Krishnan等[24]在單缸發動機上研究了IP對丙烷/柴油RCCI燃燒過程的影響，發現IP增加使缸內總當量比降低，缸內峰值壓力變大，點火延遲縮短。Li等[25]基于多維仿真和遺傳算法對RCCI發動機的參數優化中發現，適當的提高 IP會改善燃燒過程、提高熱效率，但過高的 IP會導致局部燃料/空氣混合物過稀，降低燃燒速率，抑制自燃過程。韓偉強等[26]在低速低負荷下研究了SOI對乙醇/柴油RCCI燃燒和排放的影響，結果發現，隨著 SOI的提前，缸內的活性和當量比分層逐漸增強，點火延遲時間變長。隨著SOI進一步提前，缸內混合氣的不均勻性降低，使燃燒速度變慢，局部高溫區域減少，導致 NOx排放降低[27]。Benajes等[28]使用了不同的低活性燃料研究了SOI對RCCI燃燒和排放的影響，發現在低負荷下，更提前的SOI會導致僅1個階段的熱釋放，而延遲的SOI會導致2個階段的熱釋放，但在中、高負荷下，由于柴油噴油量的增加，提前或延遲的SOI都會出現2個階段的熱釋放。

綜上所述，RCCI燃燒由于具備燃燒可控的優勢，在眾多低溫燃燒策略中更具有研究潛力，同時，IP、SOI等參數的改變對RCCI燃燒和排放特性有很大影響。但這些研究大多是在某個特定負荷下進行，當負荷改變時，SOI和IP對RCCI燃燒和排放特性的影響是否會發生改變尚未可知。為制定合理的 RCCI燃燒模式的控制策略，首先應探明不同燃燒邊界條件（如 SOI、IP等）對 RCCI燃燒與排放特性的影響。為此，本文在一臺六缸重型柴油機上通過進氣道噴射汽油，缸內直噴柴油，實現RCCI燃燒，研究了不同循環能量（Cycle Energy，CE）下SOI與IP對汽油/柴油RCCI燃燒排放特性的影響規律和影響程度，為制定合理的 RCCI燃燒模式的控制策略提供數據支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗燃料和試驗裝置

使用缸內直噴系統噴射柴油，進氣道上加裝噴油器噴射汽油，實現 RCCI燃燒。試驗過程中保持汽油能量預混比（Gasoline Energy Premixing Ratio，PR）為65%，其中PR的定義如式（1）所示。由于較高PR下的RCCI燃燒有助于降低 NOx和顆粒物排放，更具有研究價值，65%是汽油/柴油 RCCI燃燒試驗中所能達到的最大 PR值，因此本試驗選定PR為65%。試驗用發動機具體參數如表1所示，試驗用燃料理化性質見表2。

式中Q1和Q2分別表示汽油和柴油的能量，J；Hu1和Hu2分別表示汽油和柴油的低熱值，J/mg；m1和m2分別表示汽油和柴油的噴射量，mg。

表1 試驗用柴油機參數Table 1 Parameters of test diesel engine

表2 燃料性質Table 2 Fuel properties

圖 1為六缸重型柴油機試驗平臺示意圖，主要包括試驗發動機、試驗測試設備、燃燒排放分析設備和數據采集設備。試驗中發動機的缸壓信號由缸壓傳感器（Kistler 6125C）實時感知并通過電荷放大器（Kistler 5011B）放大，再使用NI-USB6353采集卡進行采集。每個工況下采集50個循環的缸壓曲線，每個循環下缸壓的采集步長為0.5 °CA，采集完成后通過LabView編寫的離線燃燒分析系統進行燃燒分析。使用Horiba-MEXA7100DEGR多組分分析儀測量氣態排放物，使用Cambustion DMS 500 Mk II測量顆粒物的尺寸分布和顆粒物濃度。

圖1 試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of test platform

1.2 試驗方法

試驗中保持發動機轉速為1 000 r/min和PR為65%，選定885、1 380和1 700 J共3個CE，CE表示當前工況下進氣道噴射燃料和缸內直噴燃料的能量總和。以 CE作為負荷指標，更方便研究不同燃料組合的 RCCI燃燒模式下燃燒和排放特性的異同。本試驗設置的 885、1 380和1 700 J的CE分別對應原機的10%、20 %和30 %負荷，試驗中汽油和柴油的噴射量根據CE和PR計算得出。由于 RCCI發動機受到失火、壓力升高率過高、排放超量程等因素的限制，本文試驗中設置 SOI為?5～?35 °CA ATDC（After Top Dead Cetner）。另外，電動增壓器由于高速電機轉速的限制，設置 IP為 101～125 kPa。本試驗以5 kPa的IP步長進行，處理數據后發現，IP對各燃燒和排放特征參數的影響規律單一，其中110和125 kPa下的IP對各燃燒和排放特征參數的影響規律較為明顯，更具有代表性，因此本文只選用110和125 kPa下的2個IP點進行分析，詳細的試驗參數見表3。

表3 試驗參數Table 3 Test parameters

2 結果與分析

由于SOI和IP量綱不同，單位SOI或IP的改變引起的燃燒和排放特征參數的變化不能用來評判控制參數對 RCCI發動機特征參數的影響程度。因此本文從實際物理意義出發，確定了SOI與IP的變化范圍，即SOI∈[?5, ?35] °CA ATDC，IP∈[110, 125] kPa，本文的影響程度反映的是負荷的增加導致的某個控制參數對燃燒和排放特性調整能力的變化，調節范圍增加即影響程度增加。本文以SOI和IP作為控制參數，在不同CE下進行試驗，通過對比試驗結果，明確出CE的增加使這2個控制參數對RCCI燃燒下的各燃燒和排放特征參數調節范圍的變化，即影響程度是否隨CE的增加而改變，為今后制定合理的RCCI燃燒模式的控制策略提供數據支撐。

2.1 不同CE下SOI與IP對燃燒特性的影響

對于發動機缸內的燃燒特征參數而言，可以直接獲取的是由缸壓傳感器采集的缸內壓力的瞬時變化值，其余燃燒特征參數均基于缸內壓力在離線燃燒分析系統計算得出。由于本文試驗工況不存在缸內壓力過高的問題，燃燒特征參數主要通過放熱率分析得出，因此本文未分析缸內壓力，而是重點分析放熱率以及據此計算出的燃燒特征參數。

圖2為RCCI燃燒的2個主要放熱階段，第1階段是低溫放熱（Low Temperature Heat Release，LTHR）過程，也稱為冷焰反應過程，主要是指溫度在 800～850 K之間，大分子過氧化物分解為多個自由基，大量自由基進行鏈分支反應而放熱的過程[29]，在 RCCI發動機中，LTHR過程的放熱率峰值（Maximum Heat Release Rate of LTHR Process，LTHRmax）對整體放熱過程和燃油經濟性起著重要作用[30]，第 2階段的高溫放熱（High Temperature Heat Release，HTHR）過程是直噴的高活性燃料夾雜缸內低活性燃料的燃燒，也是 RCCI燃燒的主要放熱過程，HTHR過程的放熱率峰值（Maximum Heat Release Rate of HTHR Process，HTHRmax）在一定程度上反映出燃燒的劇烈程度，降低 HTHRmax有助于降低壓力升高率和拓展發動機工況，此外，HTHRmax對應相位會影響燃燒重心，燃燒重心對缸內溫度、壓力升高率和油耗等有很大影響[31]。因此，圖3中SOI與IP對燃燒放熱過程的影響主要分析了不同CE下SOI與IP對LTHRmax和 HTHRmax及其對應相位的影響規律和程度。

圖2 RCCI燃燒模式的放熱過程Fig.2 Heat release process of Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) combustion mode

不同CE下SOI與IP對HTHR過程的影響如圖3a～3b所示。從圖3a、圖3b中可看出，在所有的IP下，當CE較小時，HTHRmax隨著SOI的提前整體呈先增后降的趨勢，而當CE增加為1 700 J時，HTHRmax隨SOI提前從先增后降的趨勢變為一直升高，這可能是由于在較小的CE下，過大的SOI會使得缸內燃料混合的更均勻，局部高活性區域減少，使燃燒放熱緩慢，HTHRmax下降，而CE增加后，相同SOI下缸內混合氣的局部高活性區域增加，HTHRmax增加，所以在較大CE下，只有在更提前的SOI下HTHRmax才會出現下降趨勢。此外，SOI的提前使HTHRmax對應相位逐漸提前，且CE的增加不改變 SOI對 HTHRmax對應相位的影響規律和程度。在不同CE和SOI下，IP的增加使HTHRmax整體呈下降趨勢，并且CE增加后，IP對HTHRmax的影響程度增加，使 HTHRmax下降更明顯。例如，當 CE為885 J時，IP增加15 kPa使HTHRmax在所有SOI下整體平均降低約2.35 J/°CA，而當CE為1 700 J時，IP增加15 kPa使 HTHRmax在所有 SOI下整體平均降低約為23.64 J/°CA，CE的增加使IP對HTHRmax的調節范圍增加約21 J/°CA。此外，在不同CE下，IP對HTHRmax對應相位的影響在不同 SOI下表現略微不同，當 SOI為?5～?20 °CA ATDC時，IP對HTHRmax對應相位幾乎沒有影響，而當SOI為?20～?30 °CA ATDC時，IP對HTHRmax對應相位的影響在不同CE下有略微的差異，但影響很小。總體上，不同CE下IP對HTHRmax對應相位幾乎沒有影響。CE的增加不改變SOI對HTHRmax及其對應相位的影響規律和程度，也不改變 IP對HTHRmax的影響規律和對HTHRmax對應相位的影響規律和程度，但使IP對HTHRmax的影響程度增加，即IP對HTHR過程的調整能力增強。

不同CE下SOI與IP對LTHR過程的影響如圖3c和圖3d所示。從圖3c和圖3d中可看出，LTHR只有在更提前的SOI下才出現，在不同CE和IP下，隨著SOI的提前，LTHRmax增加，LTHRmax對應相位提前，而SOI對LTHRmax的影響程度在不同CE下表現不同。例如，在IP為125 kPa下，當CE為1 380 J時，SOI從?25 °CA ATDC 提前到?30 °CA ATDC，LTHRmax 增加了5.24 J/°CA，而當CE增加到1 700 J時，LTHRmax在相同SOI提前量下增加了12.9 J/°CA。這可能是由于CE的增加導致噴油量增加，在相同的 SOI提前量下，缸內形成的大分子過氧化物量更多，此時 SOI的改變使LTHRmax變化量更大。而SOI對LTHRmax對應相位的影響在不同 CE下沒有明顯的規律性。此外，IP對LTHRmax及其對應相位的影響在不同CE下都很小。例如，當CE為885 J時，IP增加15 kPa僅使LTHRmax對應相位產生 0.5 °CA左右的變化，而當 CE增加為1 380 和1 700 J時，IP增加15 kPa不改變LTHRmax對應相位。總體上，CE的增加，使SOI對LTHRmax的影響程度增加，使SOI對LTHR過程的調整能力增強，而在所有CE下，IP對LTHRmax及其相位的影響程度都很小，不適合作為調整LTHR過程的控制參數。

圖3 不同CE下SOI與IP對放熱過程的影響Fig.3 Effects of SOI and IP on heat release process under different CE

不同CE下SOI與IP對滯燃期的影響如圖4所示。滯燃期作為發動機燃燒過程的重要參數，對缸內可燃混合氣的形成、燃燒放熱過程和排放等有很大影響。

圖4 不同CE下SOI與IP對滯燃期的影響Fig.4 Effects of SOI and IP on ignition delay under different CE

從圖4中可看出，在不同CE和IP下，滯燃期隨著SOI的提前而增加，CE的增加基本不改變SOI對滯燃期的影響規律和程度。從圖 4中還可看出，在不同 CE和SOI下，IP的增加使滯燃期略微減小，CE的增加基本不改變IP對滯燃期的影響規律和程度，且IP對滯燃期的影響程度小于SOI。例如，當CE為885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，滯燃期在所有SOI下都幾乎不變，在IP為 110 kPa 下，SOI 從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC，滯燃期從 4.5 °CA 增長到 15.1 °CA，增加了約10.5 °CA；而當CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，滯燃期在所有SOI下也都幾乎不變，在相同SOI提前量下，滯燃期從3.5 °CA增長到13 °CA，增加了9.5°CA，滯燃期的變化量與小CE下相當。總體上，SOI對滯燃期的影響程度比IP更大，但影響程度不隨CE的增加而改變，而IP對滯燃期的影響程度在所有CE下都很小，因此，SOI在任何CE下都可以作為調整滯燃期的控制參數，而IP對滯燃期的調整能力較弱，不適合用來調整滯燃期，此外，SOI和IP對滯燃期的影響規律不隨CE的增加而改變。

不同CE下SOI與IP對最大累計放熱量的影響如圖5所示。最大累計放熱量可以反映燃燒放熱的基本情況。從圖5中可看出，在不同CE和IP下，最大累計放熱量隨著SOI的提前而增加，且SOI對最大累計放熱量的影響程度隨CE的增加而增加。從圖5中還可看出，在不同CE和SOI下，最大累計放熱量隨IP增加而變化的規律不明顯，IP對最大累計放熱量的影響程度很小，且CE的增加基本不改變 IP對最大累計放熱量的影響程度。例如，當CE為885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，最大累計放熱量在所有SOI下都幾乎不變，SOI從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC 時，最大累積放熱量在所有IP下整體平均增加約150 J；當CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，最大累計放熱量在所有SOI下也都幾乎不變，而在相同 SOI提前量下，最大累計放熱量在所有IP下整體平均增加約250 J。總體上，SOI對最大累計放熱量的影響程度比IP更大，CE的增加使SOI對最大累計放熱量的影響程度增加，而IP對最大累計放熱量的影響程度在所有CE下都很小，此外，CE的增加不改變SOI和IP對最大累計放熱量的影響規律。

圖5 不同CE下SOI與IP對最大累計放熱量的影響Fig.5 Effects of SOI and IP on maximum cumulative heat release under different CE

不同CE下SOI與IP對缸內平均溫度峰值的影響如圖 6所示。缸內平均溫度峰值反映缸內溫度的高低，缸內溫度對NOx、HC等排放物的生成有很大影響。從圖6中可看出，在不同CE和IP下，缸內平均溫度峰值隨著SOI的提前而增加，CE增加后，缸內平均溫度峰值隨SOI提前而變化的規律基本不變，但 SOI對缸內平均溫度峰值的影響程度略微增加。例如，當CE為885 J時，SOI從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC，缸內平均溫度峰值在所有IP下整體平均增加約150 K；而當CE增加為1 700 J時，在相同SOI提前量下，缸內平均溫度峰值在所有IP下整體平均增加約280 K，CE的增加使SOI對缸內平均溫度峰值的調節范圍增加約130 K。從圖6中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使缸內平均溫度峰值降低，且 CE增加后，IP對缸內平均溫度峰值的影響程度增加。例如，當 CE為 885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，缸內平均溫度峰值在所有SOI下整體平均降低約70 K；而當CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，缸內平均溫度峰值在所有SOI下整體平均降低約140 K，CE的增加使IP對缸內平均溫度峰值的調節范圍增加約 70 K。總體上，在不同 CE下，SOI和IP對缸內平均溫度峰值的影響程度都較大，因此SOI和 IP均可作為調整缸內溫度的控制參數。CE增加后，SOI和IP對缸內平均溫度峰值的影響規律不變，但會使SOI和IP對缸內平均溫度峰值的影響程度增加，使SOI和IP對缸內溫度的調整能力增強。

圖6 不同CE下SOI與IP對缸內平均溫度峰值的影響Fig.6 Effects of SOI and IP on average temperature peak in cylinder under different CE

不同CE下SOI與IP對壓力升高率峰值的影響如圖7所示。壓力升高率峰值與燃燒穩定性、燃燒噪聲等有直接聯系。從圖7中可看出，在不同CE和IP下，壓力升高率峰值隨著 SOI的提前先增加后降低，只不過在更大的 CE下，壓力升高率峰值出現下降趨勢時的轉折點所對應的SOI會更提前，CE增加后，SOI對壓力升高率峰值的影響程度增加。例如，在IP為125 kPa下，當CE為885 J時，在相同SOI提前量下，壓力升高率峰值最大變化約 0.15 MPa/°CA，此時轉折點對應的 SOI約為?15°CA ATDC；當 CE增加為 1 700 J時，SOI從?5 °CA ATDC提前到?28 °CA ATDC，壓力升高率峰值最大變化約 0.28 MPa/°CA，并且轉折點所對應的 SOI提前到?24°CA ATDC，CE的增加使125 kPa 下的SOI對壓力升高率峰值的調節范圍增加約0.13 MPa/°CA。從圖7中還可看出，在較小的 CE下，IP對壓力升高率峰值的影響規律不明顯，但當CE增加為1 700 J時，IP對壓力升高率峰值的影響程度增加，使壓力升高率峰值略微降低。例如，當CE為885 J時，IP從110增加到125 kPa，壓力升高率峰值在所有SOI下整體平均變化約0.006 MPa/°CA；而當CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，壓力升高率峰值在所有 SOI下整體平均變化約 0.06 MPa/°CA，CE的增加使IP對壓力升高率峰值的調節范圍增加約0.054 MPa/°CA。總體上，在不同CE下，SOI對壓力升高率峰值的影響程度比 IP更大，可以作為調整壓力升高率的控制參數，而IP對壓力升高率峰值的影響只有在更大的CE下才更明顯，且總體上對壓力升高率峰值的影響程度較小，只能用來略微調整壓力升高率的大小，CE的增加使SOI和IP對壓力升高率峰值的影響程度增加，即SOI和IP對壓力升高率的調整能力增強。

圖7 不同CE下SOI與IP對壓力升高率峰值的影響Fig.7 Effects of SOI and IP on peak pressure rise rate under different CE

不同CE下SOI與IP對熱效率的影響如圖8所示，從圖8中可看出，在不同CE和IP下，熱效率隨著SOI的提前整體呈先增后降的趨勢，只不過隨著 CE的增加，熱效率出現下降趨勢時的轉折點所對應的 SOI會更靠近上止點，而CE的增加基本不改變SOI對熱效率的影響程度。例如，當CE為885 J時，隨著SOI的提前，熱效率最大變化約 5%，此時熱效率出現下降趨勢時的轉折點對應的SOI為?20 °CA ATDC左右；而當CE增加為1 700 J時，隨著SOI的提前，熱效率的最大變化量與小CE下相當，但此時熱效率出現下降趨勢時的轉折點對應的SOI推遲到了?8 °CA ATDC左右。

圖8 不同CE下SOI與IP對熱效率的影響Fig.8 Effects of SOI and IP on thermal efficiency under different CE

從圖8中還可看出，在不同CE和SOI下，IP對熱效率的影響規律較為復雜，但可以看出的是，隨著 CE的增加，IP對熱效率的影響程度略微增加。例如，在SOI為?20 °CA ATDC下，當 CE為 885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，熱效率基本不變；而當CE增加為 1 700 J時，在相同 IP增加量下，熱效率增加了約1%。總體上，SOI對熱效率的影響程度比IP更大，對熱效率的調整能力更強。隨著CE的增加，SOI對熱效率的影響規律和程度基本不變，而IP對熱效率的影響程度會略微增加。

2.2 不同CE下SOI與IP對排放特性的影響研究

不同CE下SOI與IP對HC排放的影響如圖9a所示。從圖9a中可看出，在不同CE和IP下，HC排放隨著SOI的提前而降低，且SOI對HC排放的影響程度隨著CE的增加而降低。例如，當 CE為 885 J時，SOI從?5 °CA ATDC提前到?28 °CA ATDC，HC排放在所有IP下整體降低約89 g/(kW·h)；而當CE增加為1 700 J時，在相同SOI提前量下，HC排放在所有IP下都幾乎不變，CE的增加使SOI對HC排放的調節范圍減小約89 g/(kW·h)。從圖9a中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使HC排放增加，且IP對HC排放的影響程度隨CE的增加而降低。例如，當CE為885 J時，IP增加15 kPa使HC排放在所有SOI下整體平均增加約13.65 g/(kW·h)；而當CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，HC排放在所有SOI下都幾乎不變, CE的增加使IP對HC排放的調節范圍減小約13.65 g/(kW·h)。總體上，SOI對HC排放的影響程度比IP更大，在較小的CE下，SOI和IP均可作為調整HC排放的控制參數，CE增加后，SOI和IP對HC排放的影響程度均降低，使SOI和IP都不再適用于調整HC的排放，此外，CE的增加不改變SOI和IP對HC排放的影響規律。

不同CE下SOI與IP對CO排放的影響如圖9b所示。從圖9b中可看出，在所有IP下，CE的增加使SOI對CO排放的影響規律發生改變。例如，當CE為885 J時，CO排放隨著SOI的提前先降低后增加；而當CE增加為1 380和1 700 J時，CO排放隨著SOI的提前一直降低。這可能是由于，在 CE較低時，柴油噴油量較少，SOI=?28 °CA ATDC時滯燃期太長，使柴油與汽油的混合時間過長，出現了較多的貧燃區域，CO排放反而會增加，而CE增加后，噴油量增多，在相同的SOI下，摻混入低活性區域的柴油量增加，使低活性區域燃燒改善，所以即使在?30 °CA ATDC的噴油定時下，缸內也不會出現大面積的貧燃區，因此在較大的CE下，CO的排放會隨著SOI的提前一直降低。從圖9b中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使CO排放增加，且IP對CO排放的影響規律和程度不隨CE的增加而改變。例如，當CE為885 J時，IP從110增加到125 kPa，CO排放在所有SOI下整體平均增加約 15 g/(kW·h)；而當 CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，CO排放在所有SOI下的整體平均增加量也約為15 g/(kW·h)。總體上，CE的增加使SOI對CO排放的影響規律發生改變，但不改變IP對CO排放的影響規律和程度。

圖9 不同CE下SOI與IP對排放特性的影響Fig.9 Effects of SOI and IP on emission performance under different CE

不同CE下SOI與IP對NOx排放的影響如圖9c所示。從圖9c中可看出，在不同CE和IP下，隨著SOI的提前，NOx排放呈先增后降的趨勢，CE的增加不改變SOI對 NOx排放的影響規律和程度。例如，當 CE為885 J時，SOI從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC，NOx排放在所有IP下最大變化約19 g/(kW·h)；而當CE增加為1 700 J時，在相同SOI提前量下，NOx排放在所有IP下最大變化約18 g/(kW·h)，CE的增加基本不改變SOI對NOx排放的調節范圍。從圖9c中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使NOx排放降低，且隨著CE的增加，IP對NOx排放的影響規律不變，而IP對NOx排放的影響程度略微增加。例如，當CE為885 J時，IP從110增加到125 kPa，NOx排放在所有SOI下整體平均降低約1 g/(kW·h)；而當CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，NOx排放在所有 SOI下整體平均降低約4 g/(kW·h)，CE的增加使IP對NOx排放的調節范圍增加約3 g/(kW·h)。總體上，SOI對NOx排放的影響程度比IP更大，CE的增加基本不改變SOI對NOx排放的影響規律和程度，也不改變IP對NOx排放的影響規律，但會使IP對NOx排放的影響程度略微增加，即IP對NOx排放的調整能力略微增強。

圖10a和圖10b為核態顆粒物的排放特性。從圖10a和圖10b中可看出，在所有IP下，核態顆粒物平均粒徑隨SOI的變化規律在不同CE下表現不同。當CE為885 J時，隨著 SOI的提前，核態顆粒物平均粒徑整體呈先增后降的趨勢，而當CE增加為1 380和1 700 J時，隨著SOI的提前，核態顆粒物平均粒徑降低。此外，在不同CE和IP下，核態顆粒物數量濃度隨SOI的提前而降低，CE增加后，SOI對核態顆粒物平均粒徑和數量濃度的影響程度均降低。從圖12a和圖12b中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使核態顆粒物平均粒徑和數量濃度均增加，并且CE的增加不改變IP對核態顆粒物平均粒徑和數量濃度的影響規律，但會使IP對核態顆粒物平均粒徑和數量濃度的影響程度均降低。

圖10c和圖10d為聚集態顆粒物的排放特性。從圖10c和圖10d中可看出，在所有IP下，隨著CE的增加，聚集態顆粒物平均粒徑隨著 SOI的提前從保持恒定變為先增后降。在不同CE和IP下，聚集態顆粒物數量濃度隨著 SOI的提前呈先降后增的趨勢，SOI對聚集態顆粒物平均粒徑和數量濃度影響程度的變化無明顯規律性。從圖10c和圖10d中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使聚集態顆粒物平均粒徑降低，而IP對聚集態顆粒物數量濃度的影響無明顯規律性。例如，當CE為885和1 700 J時，IP的增加使聚集態顆粒物數量濃度降低，而CE為1 380 J時，IP的增加使聚集態顆粒物數量濃度大幅度增加。

圖10 不同CE下SOI與IP對核態和聚集態顆粒物平均粒徑和數量濃度的影響Fig.10 Effects of SOI and IP on average particle size and number concentration of nuclear and aggregate particles under different CEs

不同CE下SOI與IP對顆粒物總質量濃度的影響如圖11所示。從圖11中可看出，在不同CE和IP下，顆粒物總質量濃度隨 SOI的提前呈相似的變化規律，即當SOI=?5～?12 °CA ATDC 和 SOI=?20～?30 °CA ATDC時，顆粒物總質量濃度隨 SOI提前而變化的幅度很小，而當SOI=?12～?20 °CA ATDC時，顆粒物總質量濃度隨SOI的提前而降低。此外，CE的增加基本不改變SOI對顆粒物總質量濃度的影響規律和程度，而在不同 CE和SOI下，IP的改變對顆粒物總質量濃度的影響無明顯規律性。

圖11 不同CE下SOI與IP對顆粒物總質量濃度的影響Fig.11 Effects of SOI and IP on total particulate mass concentration under different CE

3 討 論

通過梳理傳統柴油燃燒（Conventional Diesel Combustion，CDC）的相關文獻，并結合本文研究結果發現：RCCI的燃燒與排放特征參數隨SOI與IP的變化和CDC的存在諸多異同。一方面，RCCI與CDC相比，SOI的變化范圍更大。一般來說，對于單次噴射，CDC的SOI調整范圍多在?25～5 °CA ATDC之間[32-33]，過早或過晚的 SOI都會造成燃燒不良，使排放惡化、發動機效率降低[34-35]。而 RCCI由于具有缸內混合氣活性分層的特點，使其SOI的調整范圍拓展到?90～5 °CA ATDC之間[36-37]。不僅如此，與CDC相比，SOI對RCCI燃燒與排放特征參數的影響程度可能更大。如在相同 SOI提前量下，RCCI滯燃期的變化量比CDC更大[26]。而RCCI的燃燒與排放特征參數隨SOI的變化規律與CDC類似[26]。另一方面，IP受爆震、工藝技術等因素的限制，使IP的變化范圍在不同燃燒模式下區別不大，且通過文獻對比發現，IP對RCCI和CDC燃燒與排放特征參數的影響規律類似。如隨著IP的增大，顆粒物排放總質量均呈減小趨勢[38-39]，這可能是由于進氣壓力增加后，缸內混合氣的當量比下降，缸內氧氣量增加，從而降低了碳煙排放。由此可見，SOI對RCCI的燃燒與排放特性的影響和CDC存在明顯差異，而IP的影響不明顯。

4 結 論

本文在發動機轉速為1 000 r/min和汽油能量預混比為 65%的條件下，試驗研究了不同循環能量（Cycle Energy，CE）下噴油定時（Start of Injection，SOI）與進氣壓力（Inlet Pressure，IP）對汽油/柴油RCCI燃燒和排放特性的影響，主要結論如下：

1）對于燃燒特性，SOI和IP對所有燃燒特征參數的影響規律基本都不隨CE的增加而改變。但當CE從885增加到 1 700 J時，SOI對低溫放熱過程、對累計放熱量、對缸內溫度和壓力升高率等的影響程度增加，CE從885增加到1 700 J后，SOI對缸內平均溫度峰值的調節范圍增加約130 K，125 kPa下的SOI對壓力升高率峰值的調節范圍增加約0.13 MPa/°CA；IP對高溫放熱過程、對缸內溫度、對壓力升高率和熱效率的影響程度增加，CE從885增加到1 700 J后，IP對高溫放熱過程的放熱率峰值的調節范圍增加約21 J/°CA，IP對缸內平均溫度峰值的調節范圍增加約 70 K。然而，CE的增加不改變SOI和IP對滯燃期的影響程度，也不改變SOI對高溫放熱過程及熱效率和IP對累計放熱量的影響程度。

2）對于氣體排放物，CE的增加使 CO排放隨 SOI提前而變化的規律從先降后增變為一直降低，而其余氣體排放物隨SOI和IP而變化的規律不受CE的影響。但CE的增加使SOI和IP對HC排放的影響程度均大幅降低，在1 700 J的CE下，SOI和IP的改變幾乎都不使HC排放變化，因此在大CE下SOI和IP不再適用于調整HC的排放；CE的增加還使IP對NOx排放的影響程度略微增加，CE從885 增加到1 700 J使IP對NOx排放的調節范圍增加約 3 g/(kW·h)。然而，CE的增加不改變 IP對CO排放和SOI對NOx排放的影響程度。

3）對于顆粒物排放，當CE從885增加到1 700 J時，核態顆粒物平均粒徑隨 SOI提前而變化的規律從先增后降變為一直降低，聚集態顆粒物平均粒徑隨 SOI提前而變化的規律從保持恒定變為先增后降，CE的增加使SOI和IP對核態顆粒物的影響程度均降低，在1 700 J的CE下，核態顆粒物平均粒徑和數量濃度幾乎都不隨 SOI和IP的改變而變化。然而，CE的增加不改變SOI對顆粒物總質量濃度的影響程度。