進氣壓力、預混比和噴油定時對低負荷活性控制壓燃燃燒與排放特性的影響

韓偉強，唐國強，汪 欣，羅 強，陸遠國

(1.汽車測控與安全四川省重點實驗室(西華大學)，四川 成都 610039；2.四川省南充市生態環境局，四川 南充 637000；3.四川啟涅科技有限公司，四川 廣元 628000)

NOx會導致酸雨和光化學煙霧等污染，顆粒物是導致霧霾天氣的主要原因，二者對大氣環境造成的污染已不容忽視.柴油機的大量使用是產生NOx和顆粒物最主要的來源之一，通過改善柴油機的排放來減少環境污染是內燃機領域一個極為重要的議題.而內燃機的排放主要取決于缸內燃料的燃燒過程等.近年來，廢氣再循環(exhaust gas recalculation，EGR)、噴油策略、燃料優化和新型燃燒模式等技術的提出和發展使得內燃機減排方式趨向多元化[1-5].其中，新型燃燒模式在高效燃燒和清潔排放上潛力巨大，如均質充量壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)已被證明能夠同時實現NOx和顆粒物的近零排放[6-9].然而，HCCI主要受化學動力學驅動，存在著火時刻和燃燒速率難以控制等問題，并且不能擴展到高負荷工況.隨著研究的不斷深入，學者們發現當HCCI在不同負荷下工作時，所需的最佳總燃料反應性是不同的[10-12].當HCCI發動機在小負荷(如平均有效壓力<200 kPa)下工作時，可使用具有良好自燃性的柴油(十六烷值約45)來改善燃燒；當負荷增加時，可以通過降低總燃料反應性(十六烷值約27)來減緩化學反應速度，從而將HCCI發動機的平均有效壓力擴展到1.6 MPa[13-14].基于此，Kokjohn等[15]提出了一種新的燃燒模式——活性控制壓燃(reactivity controlled compression ignition，RCCI).這種燃燒模式通過進氣道噴射低活性燃料和缸內直噴高活性燃料的方式能夠實現混合氣溫度、當量比和活性的分層，從而實現著火時刻和燃燒速率的控制，在拓展負荷工況的范圍上更具潛力[16-19].此外，由于其獨特的燃燒組織形式，RCCI模式下的缸內混合氣溫度、當量比及活性的分布和分層是影響和改變燃燒過程和尾氣排放的根本原因[20-22].

大量研究表明，缸內混合氣的分布和分層受噴油定時(start of injection，SOI)、進氣壓力(inlet pressure，IP)和預混比(premixing ratio，PR)的影響很大.Benajes等[23]在柴油機上對汽油/柴油RCCI的試驗和仿真研究發現，增加PR會降低整體反應活性，導致滯燃期減小，混合氣分層得到改善，從而降低顆粒物排放.Ma等[24]在一臺改進過的單缸柴油機上研究了噴油策略對燃燒和排放的影響，結果表明，在RCCI燃燒模式中，采用較高的PR可以實現NOx和顆粒物的超低排放，且噴油策略和SOI共同影響混合氣的活性分層和當量比分層.金超等[25]對柴油機的仿真研究發現，IP有助于混合氣的分層，通過對縮口直噴燃燒室內氣流特性、軌壓和IP的優化匹配，可以有效地控制滯燃期、預混合燃燒比例和擴散燃燒過程，有效地降低NOx和顆粒物的排放.在RCCI燃燒模式中，陳楨皓等[26]在一臺單缸柴油機上研究了IP對柴油微引燃乙醇發動機的影響，結果表明：隨著IP的增加，柴油噴入氣缸內的溫度和壓力增大，柴油燃燒更充分，導致滯燃期減小，燃燒持續期延長；此外，NOx排放降低，但碳氫化合物(hydrocarbon,HC)與CO排放有所增加.韓偉強等[20]在一臺改裝過的六缸發動機下研究了SOI對乙醇/柴油RCCI燃燒和排放的影響，結果表明：隨著SOI的提前，燃料混合時間變長，缸內混合氣活性和當量比梯度減小，滯燃期增大；隨著SOI進一步提前，缸內局部高活性區域減少，燃燒速度緩慢，局部高溫區域減少，導致NOx排放降低.Kokjohn等[27]在一臺光學發動機上結合缸內平面激光誘導熒光技術對混合氣進行研究，結果表明在RCCI模式中，點火延遲和放熱率主要由活性和當量比的分層共同決定：過早的SOI將導致分層不足，而太晚的SOI可能導致分層過度，不充分或過量的分層將會導致過高的放熱率和壓力升高率.

目前，學者們針對SOI、IP或PR等單一因素對RCCI發動機燃燒和排放特性的影響展開了研究，但多因素對RCCI燃燒和排放的共同影響卻少有涉及.事實上，多因素共同研究是提出最優燃燒控制策略的基礎.而目前針對低溫燃燒(low temperature combustion，LTC)、HCCI和預混充量壓然(premixed charge compressed ignition,PCCI)等燃燒方式的多因素共同作用對發動機燃燒和排放的綜合影響研究較多.但值得注意的是，RCCI燃燒模式從本質上不同于上述燃燒模式，其高效清潔燃燒的本質是燃燒從單純的多點自燃轉變為火焰傳播與自燃共存[28].傳統燃燒模式和LTC模式只存在溫度和當量比2種分層；而RCCI燃燒模式存在溫度、當量比和活性3種分層，其中活性分層是影響RCCI燃燒的最主要因素.這就可能使得SOI、IP和PR的共同作用對RCCI發動機燃燒和排放特性的影響與其他燃燒方式有所不同.因此，本文基于一臺改裝的六缸重型柴油機，研究了不同SOI、IP和PR對低負荷汽油/柴油RCCI燃燒和排放特性的共同影響，旨在豐富SOI、IP和PR的共同作用對低負荷RCCI燃燒和排放的認識，為探索RCCI低負荷區域的最優燃燒控制策略提供數據支撐.

1 設備及方案

1.1 實驗平臺

對一臺六缸四沖程渦輪增壓柴油機進行改造以滿足RCCI燃燒模式的實驗要求，該發動機的壓縮比為17.5，排量為8.484 L.RCCI的燃料系統提供兩種活性不同的燃料，高活性(高十六烷值)燃料柴油通過缸內直噴提供，而低活性(高辛烷值)燃料汽油則經進氣道噴射提供.兩種燃料的理化特性如表1所示.因此，為了實現RCCI燃燒，在原發動機的進氣管上增加了一套燃料供給系統，使得汽油可以通過進氣道噴射進入氣缸參與燃燒，其噴射壓力和噴射時刻分別為500 kPa和-360° CA ATDC(上止點后曲軸轉角)，噴射脈寬由電子控制單元(electronic control unit，ECU)控制.

表1 燃料性質Tab.1 Fuel properties

圖1為實驗平臺的示意圖.使用電渦流測功機DW630對發動機的工況進行控制；缸壓數據通過壓電式壓力傳感器Kistler 6125C進行測量，并經電荷放大器Kistler 5011B放大后由采集卡NI-USB 6353實時采集，最后經由LabVIEW編寫的離線燃燒分析系統計算出放熱率和缸壓等燃燒參數.

實驗所得的排放數據主要通過兩臺設備測量與分析，其中Horiba-MEXA7100DEGR主要測量分析常規氣體排放，包括HC、CO、NOx等，設備的精度范圍為±1.0%；Cambustion DMS 500 Mk Ⅱ主要測量分析顆粒物的粒徑分布，設備的精度范圍為±3.0%.兩臺設備都安裝在排氣口附近的尾氣取樣處，如圖1所示.

1.溫度壓力信號；2.采集卡；3.電腦；4.電動機；5.壓縮機； 6.空氣流量計；7.空氣濾清器；8.高壓共軌；9.增壓器；10.顆粒 物分析儀；11.渦輪機；12.氣體分析儀；13.柴油油箱；14.油耗儀； 15.柴油濾清器；16.缸壓傳感器；17.汽油濾清器；18.汽油油箱； 19.背壓控制閥；20.空氣中冷器；21.汽油油軌；22.進氣道 噴油器；23.電渦流測功機；24.ECU；25.電荷放大器.圖1 實驗平臺示意圖Fig.1 Schematic of test platform

Horiba-MEXA7100DEGR檢測結果為氣體排放的質量濃度數據，HC、NOx、CO的質量排放量分別由式(1)～(3)求得[29]：

Me(HC)=4.79×10-4×φwet(HC)×

GEXHW/P，

(1)

Me(NOx)=1.587×10-3×φwet(NOx)×

GEXHW/P，

(2)

Me(CO)=9.66×10-4×φwet(CO)×GEXHW/P.

(3)

式中：Me(HC)、Me(NOx)、Me(CO)分別表示HC、NOx、CO的校正排放濃度，g/(kW·h)；φwet(HC)、φwet(NOx)、φwet(CO)分別表示HC、NOx、CO的濕基排放濃度，10-6；GEXHW表示發動機排出廢氣的平均分子質量流量，g/h；P表示發動機的有效功率，kW.

1.2 實驗方法

實驗控制參數如表2所示，本研究的實驗發動機在轉速1 500 r/min下運行，每次循環輸入氣缸的總能量為1 700 J.實驗過程中，冷卻水溫與機油溫度分別保持在(80±1) ℃和(85±1) ℃.為研究不同SOI、IP和RP對RCCI柴油機燃燒和排放特性的共同影響，設置SOI為-8°～-20° CA ATDC，其中，選取兩種IP和PR進行對比和分析，IP分別為125和135 kPa，而PR分別為40%和65%.PR定義為進氣道噴射的低活性燃料即汽油所含的能量占每循環總輸入能量的比例，如式(4)所示：

(4)

式中：m1為進氣道噴射燃料汽油的質量流量，kg/h；Q1為汽油的低熱值，MJ/kg；m2為缸內直噴燃料柴油的質量流量，kg/h；Q2為缸內直噴柴油的低熱值，MJ/kg.

表2 實驗控制參數Tab.2 Control parameters of test

2 結果與分析

2.1 對燃燒特性的影響

在RCCI燃燒過程中，當缸內未達到汽油開始自燃的條件時，SOI會影響柴油噴入氣缸時缸內的溫度和壓力，從而影響達到符合著火條件(當量比、溫度和壓力)所需的時間.而IP和PR同樣會對缸內的整體當量比、溫度和壓力造成影響，從而改變燃燒過程.

圖2為RCCI燃燒過程，可以看出，由于特殊的燃料供給方式，汽油/柴油RCCI的高溫放熱主要由兩個階段組成：第一階段主要是包括大部分柴油的預混燃燒和少量汽油的燃燒，這一階段釋放了大量的熱量，是RCCI燃燒的主要放熱階段；第二階段主要是由少量柴油的擴散燃燒和大部分汽油的預混燃燒組成.滯燃期是累積放熱率為10%對應的曲軸轉角，其對放熱率和缸壓等有重要影響.缸壓對發動機的燃燒穩定性和噪聲等有直接影響，研究缸壓峰值可以在一定程度上反映缸內燃燒情況.因此，下文將分別分析SOI、IP和PR對RCCI放熱過程、燃燒滯燃期及缸壓峰值的影響規律.

圖2 RCCI燃燒過程 Fig.2 RCCI combustion process

圖3顯示了SOI、IP和PR對放熱過程和滯燃期的影響，其中，SOI、IP和PR對第一階段放熱率峰值的影響如圖3(a)所示，可以看出：隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值逐漸增加，這是因為隨著SOI的提前，缸內滯燃期增大(圖3(e))，導致缸內燃料與空氣混合時間變長，活性梯度下降，柴油局部當量比降低，著火所需環境溫度增加，從而使混合氣燃燒更加劇烈.IP的增大會使第一階段放熱率峰值小幅下降，對其影響程度在較小PR條件下更大，并且還會導致滯燃期減小.增大PR不會改變IP對滯燃期的影響規律，但會改變IP對滯燃期的影響程度，特別是在SOI靠近上止點時，如：在PR=40%時，IP對滯燃期的影響程度隨SOI的推遲而減弱；而在PR=65%時，IP對滯燃期的影響程度隨SOI的推遲而增強.PR增大后，第一階段放熱率峰值減小，這主要是因為PR的增大降低了柴油擴散燃燒比例，缸內燃燒變得緩和.而PR對滯燃期的影響稍顯復雜：在SOI=-20°～-12° CA ATDC時，PR對滯燃期幾乎沒有影響.在SOI=-12°～-8° CA ATDC、IP=125 kPa時，增大PR后滯燃期增大；而在IP=135 kPa時，PR的增大反而使滯燃期減小.

SOI、IP和PR對第一階段放熱率峰值所對應相位的影響如圖3(b)所示，可以看出：第一階段放熱率峰值所對應相位主要受SOI的影響，隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值所對應相位不斷提前，這是因為滯燃期增大，燃燒更加完全，在較早的曲軸轉角下完成燃燒放熱，使得燃燒重心提前；PR和IP的改變不影響第一階段放熱率峰值所對應相位隨SOI的變化規律.

SOI、IP和PR對第二階段放熱率峰值的影響如圖3(c)所示，可以看出：在PR=40%時，隨著SOI的提前第二階段放熱率峰值逐漸降低，而IP的增加對第二階段放熱率峰值影響較小；而在PR=65%時，隨著SOI的提前第二階段放熱率峰值先增加后小幅降低，而IP的增加明顯使放熱率峰值大幅降低.PR增大后，第二階段放熱率峰值增加，且對第二階段放熱率峰值的影響程度隨SOI的提前逐漸增強，這主要是因為PR的增大提高了預混燃燒的比例，而第二階段的放熱率又主要是由大部分汽油燃燒所致.而隨著SOI的進一步提前，PR對第二階段放熱率峰值的影響程度不斷增強，這可能是SOI與PR共同作用的結果.

SOI、IP和PR對第二階段放熱率峰值所對應相位的影響如圖3(d)所示，可以看出：與第一階段放熱率峰值所對應相位相似，第二階段放熱率峰值所對應相位也主要受SOI的影響，隨著SOI的提前第二階段放熱率峰值所對應相位逐漸提前，原因與第一階段放熱率峰值所對應相位的一致.同樣地，PR和IP的改變也不影響第二階段放熱率峰值所對應相位隨SOI的變化規律.

(a)和(b)分別為第一階段放熱率峰值及其對應相位；(c)和(d)分別為第二階段放熱率峰值及其對應相位；(e)為滯燃期.圖3 SOI、IP和PR對放熱過程和滯燃期的影響Fig.3 Effects of SOI,IP and PR on heat release process and ignition delay

SOI、IP和PR對缸壓峰值的影響如圖4(a)所示，可以看出：隨著SOI的提前缸壓峰值逐漸增加，這是因為隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值不斷增加(圖3(a))，這一階段釋放了大量熱量，缸壓峰值隨之增大.IP的增大使缸壓峰值增加，且在較小PR條件下，IP對缸壓峰值的影響程度更大.例如，在SOI=-20° CA ATDC、PR=65%時，IP的增加使缸壓峰值從8.77 MPa增加到9.00 MPa，增加了0.23 MPa；而在PR=40%時，增大IP后，缸壓峰值從8.92 MPa增加到9.52 MPa，增加了0.60 MPa.PR增大使缸壓峰值降低，這是因為PR的增加降低了柴油燃燒比例，第一階段放熱率峰值減小(圖3(a))，缸壓峰值隨之降低.

圖4 SOI、IP、PR對缸壓峰值(a)、最大累積放熱量(b)、缸內平均溫度峰值(c)、壓力升高率峰值(d)和有效熱效率(e)的影響Fig.4 Effects of SOI、IP、PR on peak cylinder pressure (a),maximum cumulative heat release (b),average temperature peak in cylinder (c),peak pressure rise rate (d) and effective thermal efficiency (e)

SOI、IP和PR對最大累積放熱量的影響如圖4(b)所示.最大累計放熱量為放熱率與曲軸轉角的積分，能在一定程度上反映缸內燃燒基本情況.可以看出：隨著SOI的提前，最大累積放熱量逐漸增加，這是因為隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值不斷增加(圖3(a))，這一階段釋放了大量熱量.在不同PR條件下，IP對最大累積放熱量的影響規律不同：在PR=40%時，IP增大使最大累積放熱量增加；而PR=65%時，IP增大反而使最大累積放熱量減少，且減少幅度隨SOI的提前逐漸增大.PR增大使最大累積放熱量減少，IP和PR的變化不改變最大累積放熱量隨SOI的變化規律，但IP的增大會使PR對最大累積放熱量的影響程度增強.例如：在SOI=-12° CA ATDC、IP=125 kPa時，PR的增大使最大累積放熱量從1 290.50 J減少到1 251.31 J，減少了39.19 J；而在IP=135 kPa時，PR增加使最大累積放熱量從1 353.09 J減少到1 248.69 J，減少量高達104.40 J.

SOI、IP和PR對缸內平均溫度峰值的影響如圖4(c)所示.缸內平均溫度峰值可以在一定程度上反映缸內溫度的高低，其對NOx與顆粒物的生成有直接關系.可以看出：缸內平均溫度峰值隨著SOI的提前而增加，這是因為隨著SOI的提前，著火延遲增加，缸內混合氣更加均勻，柴油與空氣的充分混合提高了預混燃燒比例，從而提高了燃燒速率，最終導致缸內平均溫度增加.IP的增大使缸內平均溫度峰值減小，增大PR不會改變缸內平均溫度峰值隨IP的變化規律，但會使IP對缸內平均溫度峰值的影響程度增強.以SOI=-20° CA ATDC為例，在PR=40%時，IP增大使缸內平均溫度峰值從1 535.73 K減小到1 460.20 K，減小了75.53 K；而在PR=65%時，缸內平均溫度峰值從1 547.95 K減小到1 426.62 K，減小了121.33 K.在不同IP和SOI條件下，PR對缸內平均溫度峰值的影響表現出不同的規律：在IP=125 kPa時，PR增大使缸內平均溫度峰值增大；而在IP=135 kPa時，PR增大反而使缸內平均溫度峰值減小.

圖5 SOI、IP和PR對氣體排放特性的影響Fig.5 Effects of SOI,IP and PR on gas emission characteristics

SOI、IP和PR對壓力升高率峰值的影響如圖4(d)所示.壓力升高率峰值反映了缸內壓力的變化速率，對缸內燃燒性能、噪聲和油耗等有較大影響.可以看出：壓力升高率峰值隨著SOI的提前而增大，這是因為隨著SOI的提前，缸內混合氣混合更加均勻，燃燒相位提前，導致更多熱量集中在上止點前釋放，壓力升高率峰值陡增.IP的增大使壓力升高率峰值降低，PR增大不改變IP對壓力升高率峰值的影響規律，但在較小PR條件下，IP對壓力升高率峰值的影響程度更強.例如：在SOI=-15° CA ATDC、PR=40%時，增大IP后，壓力升高率峰值從0.89 MPa/(° CA)減小到0.86 MPa/(° CA)，減小了0.03 MPa/(° CA)；而在PR=65%時，IP的增大使壓力升高率峰值從0.70 MPa/(° CA)減小到0.69 MPa/(° CA)，僅減小0.01 MPa/(° CA).PR增大使壓力升高率峰值降低，這主要是因為PR的增大降低了柴油預混燃燒部分，第一階段放熱率大幅減少(圖3(a))，燃燒變得緩和，從而降低了壓力升高率峰值.

SOI、IP和PR對有效熱效率的影響如圖4(e)所示，可以看出：隨著SOI的提前有效熱效率先緩慢增加后減小.例如：在IP=125 kPa、PR=40%、SOI=-12°～-8° CA ATDC時，有效熱效率從23.81%增加到24.28%；而在SOI=-20°～-12° CA ATDC時，有效熱效率從24.28%減小到22.77%.IP的增加對有效熱效率基本無影響；而PR增大使有效熱效率顯著降低.這是因為在小負荷RCCI下，混合氣的著火模式為柴油引燃汽油，PR增大后，一方面混合氣中汽油增加，柴油減少，汽油搶奪由柴油產生的自由基能力增強，導致滯燃期增大(圖3(e))；另一方面，較少的柴油導致混合氣著火點減少，進而引起第一放熱率峰值下降(圖3(a))，而第二放熱率峰值增加(圖3(c))，導致集中放熱程度下降，有效熱效率降低[30-31].

2.2 對排放特性的影響

SOI、IP和PR對HC排放的影響如圖5(a)所示，可以看出：HC排放整體上隨SOI的提前而降低，這是因為隨著SOI的提前，燃料和空氣的混合時間延長，柴油被壓燃后大幅度地促進了低活性汽油的燃燒，提高了燃燒質量，缸內燃燒溫度不斷增加(圖4(c))，從而促進了HC的氧化.IP的增加整體上使HC排放增加，僅在SOI為-10°～-8° CA ATDC和PR=40%時，IP的增加使HC排放降低.在不同IP和SOI條件下，PR增大使HC排放大幅度增加，特別是在較晚的SOI條件下，如SOI為-8° CA ATDC時，PR由40%增加到65%，在兩種IP下HC排放平均增加了12.3 g/(kW·h).雖然隨著SOI的提前，PR的增加使HC的排放增幅減小，但是在兩種IP下PR的增加也導致HC排放平均增加了5.1 g/(kW·h).

SOI、IP和PR對CO排放的影響如圖5(b)所示，可以看出：隨著SOI的提前，CO排放不斷降低，原因與HC排放一致，PR的增加會加強SOI對CO的影響程度，在PR=65%時，隨著SOI的提前，CO排放平均降低了34.62 g/(kW·h)；而在PR=40%時，CO排放平均只降低了9.50 g/(kW·h).CO排放隨SOI的變化規律不隨IP和PR的改變而變化.IP的增大使CO排放增加，這是因為增加IP后，缸內燃燒溫度降低，燃燒變得惡劣，不利于后期CO的氧化.同時還發現，PR的增加不改變IP對CO排放的影響規律，但會導致IP對CO排放的影響程度增強，如：在PR=65%時，IP增加使得CO排放平均增加18.32 g/(kW·h)；而在PR=40%時，IP增加僅使得CO排放平均增加4.43 g/(kW·h)，約為PR=65%時的1/4.在不同IP和SOI條件下，PR的增加在整體上使CO排放增加，較大的IP會加強PR對CO排放的影響程度，且PR對CO排放的影響程度會隨SOI的提前而減弱.

圖6 SOI、IP和PR對核態(a)和聚集態(b)顆粒物的數量濃度及顆粒物總質量濃度(c)的影響Fig.6 Effects of SOI,IP and PR on number concentration of nuclear (a) and aggregate particles (b) and total mass concentration (c)

SOI、IP和PR對NOx排放的影響如圖5(c)所示，可以看出：NOx排放隨著SOI的提前而增加，這主要是因為隨著SOI的提前，缸內平均溫度峰值不斷增大(圖4(c))，有利于NOx的生成.其他兩個因素的變化不改變SOI對NOx排放的影響規律.IP對NOx排放的影響無明顯規律.在PR=65%和SOI=-20°～-12° CA ATDC時，IP的增加使NOx排放減少，而在SOI=-8° CA ATDC時，IP的增加反而使NOx排放增加；在PR=40%時，IP對NOx排放幾乎沒有影響.由此可知，PR的增大會導致IP對NOx排放的影響程度增強.增加PR使NOx排放減少，這主要是因為PR的增加降低了柴油含量，減少了擴散燃燒比例，抑制了缸內局部高溫區的形成，使得NOx的排放減少.同時還發現，PR對NOx排放的影響程度會隨SOI的提前先減弱再增強，并且在較小IP時，這種趨勢更加明顯.

SOI、IP和PR對核態顆粒物數量濃度的影響如圖6(a)所示，可以看出：核態顆粒物數量濃度隨SOI提前的變化規律受到IP和PR的共同影響.在PR=65%時，隨著SOI的提前，核態顆粒物數量濃度均先減小后略微增大；在PR=40%時，不同IP條件下SOI對核態顆粒物數量濃度的影響表現出相反的規律，在IP=125 kPa時核態顆粒物數量濃度隨SOI的提前逐漸增大，而在IP=135 kPa時核態顆粒物數量濃度則隨SOI的提前而減小.在不同PR條件下，IP對核態顆粒物數量濃度的影響隨SOI的提前表現出不同的規律.在PR=65%時，隨著SOI的提前，IP的增加對核態顆粒物數量濃度的影響程度不大；而在PR=40%時，IP增大使核態顆粒物數量濃度增加，且對其影響程度會隨SOI的提前逐漸減弱.PR的增加使核態顆粒物數量濃度減少，這是因為PR的增加降低了柴油擴散燃燒比例，進一步減少了核態顆粒物的生成.

SOI、IP和PR對聚集態顆粒物數量濃度的影響如圖6(b)所示，可以看出：聚集態顆粒物數量濃度隨SOI提前的變化規律受到IP和PR的共同影響.在PR=65%、IP=125 kPa時，隨著SOI的提前，聚集態顆粒物數量濃度逐漸減小；而在IP=135 kPa時聚集態顆粒物數量濃度先增加后減小.在PR=40%時，對所有的IP，聚集態顆粒物數量濃度均隨SOI的提前先減小后略微增大.IP的增加使聚集態顆粒物數量濃度減少，這是因為增加IP后，缸內溫度降低，抑制了聚集態顆粒物的生成，從而減少了聚集態顆粒物數量濃度.同時，PR的增加還會使IP對聚集態顆粒物數量濃度的影響程度增強，SOI越靠近上止點附近，這種影響越明顯.在SOI=-12°～-20° CA ATDC時，對所有的IP，PR的增加均使聚集態顆粒物數量濃度增加；僅在SOI=-8° CA ATDC時，PR增加反而出現聚集態顆粒物數量濃度減少的趨勢.

SOI、IP和PR對顆粒物總質量濃度的影響如圖6(c)所示，可以看出：顆粒物總質量濃度與聚集態顆粒物數量濃度呈現相似的規律，這是因為顆粒物質量與粒徑呈正相關，而顆粒物總質量濃度主要由粒徑較大的聚集態顆粒物組成.在PR=65%、IP=125 kPa 時，隨著SOI的提前，顆粒物總質量濃度逐漸減少；而在IP=135 kPa時，顆粒物總質量濃度先增加后減少.在PR=40%時，對所有的IP，顆粒物總質量濃度均隨SOI的提前先減小后略微增加，IP的增加對顆粒物總質量濃度無顯著影響；但在PR=65%時，IP增加使顆粒物總質量濃度明顯減少，且對顆粒物總質量濃度的影響程度隨SOI的延遲逐漸增強.在不同IP和SOI條件下，PR的增加整體上使顆粒物總質量濃度增加，僅在IP=135 kPa、SOI=-8° CA ATDC時，增大PR反而使顆粒物總質量濃度減少.此外，PR對顆粒物總質量濃度的影響程度還會隨SOI的提前先增強后減弱，并且在較大IP條件下，這種趨勢更明顯.

通過分析SOI、IP、PR 3個因素對RCCI燃燒和排放特性影響規律的定量分析發現，3個因素對不同燃燒和排放特性參數的影響程度存在明顯不同，這有助于尋找清潔高效燃燒的具體方案.通過圖5(c)可知，NOx對SOI的變化最敏感，降低NOx的最有效措施是推遲SOI.如圖4(e)所示，有效熱效率對SOI不敏感但對PR敏感，而PR的降低對NOx的影響較小，因此可以通過降低PR來提高有效熱效率而不增加NOx的排放.同時從圖5(a)、(b)和圖6 (c)可以看出HC、CO和顆粒物總質量濃度均對PR敏感，通過降低PR可有效降低上述三者的排放，最終實現清潔高效燃燒.例如，將SOI由-12° CA ATDC推遲到-8° CA ATDC，PR由65%降低至40%，IP保持135 kPa不變時，有效熱效率從17.27%增加到23.81%，增加了6.54個百分點；同時，CO、HC和NOx的排放從54.53，13.29和18.73 g/(kW·h)降低到30.20，6.13 和12.51 g/(kW·h)，分別降低了44.62%，53.88% 和33.21%；顆粒物總質量濃度從1.00 ng/mL降低到0.59 ng/mL，降低了41.00%.

3 結 論

1) 燃燒特性方面：隨著SOI的提前，第一階段放熱率峰值逐漸增加，其對應相位隨之提前；PR的增加使第一階段放熱率峰值降低.缸內平均溫度峰值、壓力升高率峰值、滯燃期和最大累積放熱量均隨SOI的提前而增加，而有效熱效率隨SOI的提前先增加后減小；IP的增加會導致缸內平均溫度峰值、壓力升高率峰值和滯燃期減小，在不同的PR下對最大累積放熱量表現出相反的影響.PR增加使得壓力升高率峰值和最大累積放熱量降低，而對滯燃期和缸內平均溫度峰值的影響則略顯復雜，在不同的IP下表現出相反的影響規律.

2) 氣體排放方面：隨著SOI的提前，HC與CO排放降低，而IP和PR的增加均使HC和CO排放增加，且在較大PR條件下，IP的增加對CO排放影響程度更大.而NOx排放則主要受SOI的影響，隨SOI的提前逐漸增大，PR的增加使得NOx排放減少，且對其影響程度隨SOI的提前先減弱后增強.

3) 顆粒物排放方面：PR的增加使核態顆粒物數量濃度降低，而核態顆粒物數量濃度隨SOI的變化規律會受IP和PR的影響；聚集態顆粒物數量濃度與總質量濃度隨3個因素的變化規律基本一致.在較小PR下，兩者均隨SOI的提前呈下降趨勢，且均隨IP的增加基本保持不變；而在較大PR下，兩者均隨SOI的提前呈先增后降的趨勢，且均隨IP的增加明顯降低，除SOI=-8° CA ATDC外，其他工況下兩者均隨PR的增加明顯增大.