冷態下噴油策略對雙燃料發動機燃燒特性影響的可視化研究

曹禮軒,王 謙,鐘汶君,劉 旭,何志霞

(江蘇大學 能源與動力工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

內燃機因其高效性能廣泛應用于能源領域,但隨著全球環境污染問題的不斷加劇,內燃機排放污染問題日益嚴重。低溫燃燒是一種最新的發動機技術,可以減少氮氧化物(NOx)和碳煙的排放,同時保持較高的熱效率[1]。活性控制壓燃(RCCI)作為一種新型內燃機燃燒模式,屬于內燃機低溫燃燒技術。區別于傳統壓燃方式,RCCI模式使用2種活性迥異的燃料,通過缸內直噴高活性燃料,進氣道噴射低活性燃料,在缸內形成濃度梯度和活性梯度,使燃燒沿梯度進行[2-4]。Seyed等[5]研究缸內噴射時刻對柴油/汽油RCCI燃燒及排放特性的影響,發現提前噴射時刻會增加點火延遲期,進而調整燃燒相位,且對NOx和碳煙的排放也有顯著影響。Ma等[6]研究了不同缸內分段噴射策略下柴油/汽油RCCI燃燒表現,發現多次噴射策略可以增加缸內混合氣分層,影響燃燒過程。劉海峰等[7]對RCCI燃燒模式進行光學診斷研究,發現隨著高活性燃料比例的上升,缸內燃燒從火焰傳播與自燃相結合轉變為沿活性梯度順序自燃,進而影響燃燒表現。上述研究表明RCCI燃燒模式可以通過調整預混比和噴射策略,達到控制燃燒相位與優化燃燒過程的效果。

眾所周知,發動機暖機前必須經歷起動初始階段,即冷態起動階段,此時發動機未達到理想運行溫度,燃料燃燒效果較差。國內外在提升發動機冷態起動性能方面開展了眾多研究。莫瑋等[8]分析低溫下柴油機著火困難的因素,提出采用預熱方式提高進氣溫度和冷卻液溫度是改善車輛冷起動性能的有效手段。雖然采用預熱裝置能提升冷態起動表現,但難免會增加發動機裝置的復雜程度,還可通過改善發動機噴射策略來提升冷態起動表現。Brown等[9]發現2次噴射策略能減少冷態下柴油機失火循環的概率。Chartier等[10]比較噴射策略對冷態下柴油機噴霧著火特性的影響,發現多次噴射策略能夠改善點火穩定性。劉國慶[11]進行冷態下不同噴射策略在缸內直噴汽油機上的燃燒及排放特性研究,發現適當調整第2次噴油時刻有利于提高燃燒穩定性,過遲噴射會導致碳煙排放明顯增加,過早噴射會造成缸內失火,HC排放增加。上述冷態起動研究選用燃料多為柴油,柴油冷態燃燒易產生失火和不完全燃燒問題[12]。

試驗所采用的高活性燃料為加氫催化生物柴油(hydrogenated catalytic biodiesel,HCB),屬于第二代生物柴油,具有超高的反應活性(十六烷值約為103)[13]。相較柴油,其反應活性更高,著火性能更佳。Broatch等[14]研究了柴油/生物柴油混合燃料在直噴柴油機上的燃燒表現,發現添加高活性生物柴油可以明顯改善發動機的起動能力。

目前基于RCCI雙燃料燃燒模式的相關研究已開展眾多,但多處于熱態工況,冷態下RCCI模式的燃燒表現尚未有深入研究。本文針對RCCI模式濃度和活性分層特性,研究冷態條件下不同HCB噴射策略對RCCI模式燃燒特性的影響,同時結合光學診斷技術探究不同HCB噴射策略下RCCI冷態燃燒的火焰發展機制。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗光學發動機基于一臺四缸四沖程直噴柴油機進行改造,保留第3缸搭建全視窗光路,并且在進氣道上安裝汽油噴射器完成缸內直噴與氣道噴射相結合的雙燃料噴射模式。發動機由電力測功機倒拖至恒定轉速后開始噴油燃燒試驗。可視化系統如圖1所示,燃燒室內火焰輻射光通過石英玻璃視窗經45°反射鏡形成光路,最終被高速相機捕獲。HCB通過高壓噴油器直接噴入氣缸,汽油通過進氣道噴油器噴射后與進氣混合形成可燃混合氣進入氣缸。燃油噴射ECU與汽油噴油器和HCB噴油器相連,由控制和采集PC發出指令進而改變噴射參數實現不同噴射策略。缸壓傳感器獲取壓力信號后傳入燃燒分析儀分析處理最終傳入控制和采集PC。可視化區域如圖2所示,相機拍攝區域為燃燒室內區域。

圖1 發動機可視化系統示意圖

圖2 可視化區域示意圖

高速攝像機型號為Photron公司生產的FASTCAM SA-Z ,采用200 mm中長焦微距鏡頭,光圈設置為f/4,相機拍攝速率為45 000幀/s(1 200 r/min轉速下圖像間隔為0.16°CA),曝光時間為7.5 μs,照片分辨率為512×512,單個像素點尺寸為0.12 mm。

為了便于分析自發光圖像的火焰發展及碳煙分布,使用Matlab軟件jet色帶依據照片像素點灰度值進行偽彩色處理。擴散燃燒時高溫碳粒燃燒導致碳煙生成較多,火焰呈現亮黃色且光強較高;預混燃燒時碳煙生成較少,火焰呈現藍色且光強較低[15]。處理后光強較高像素點呈現亮紅色,光強較低像素點呈現淡藍色。

實驗室模擬冷態運行環境比較困難,本試驗通過控制冷卻水溫和進氣溫度模擬常溫下的冷態起動工況。光學發動機相較正常發動機壓縮比較低,模擬冷態起動條件需要更高的外部運行條件。最終將冷卻水溫定為60 ℃,進氣溫度定為50 ℃,此時發動機轉速在1 200 r/min下壓縮上止點溫度由燃燒分析儀計算約為782 K(壓縮比為15的柴油機上止點溫度約為820 K[16]),可以模擬冷態運行環境。表1、2分別為光學發動機主要參數和RCCI模式冷態運行參數。

表1 光學發動機主要參數

表2 RCCI模式冷態運行參數

1.2 試驗燃料及方案

試驗高活性燃料為HCB,低活性燃料為92#汽油(簡稱汽油),表3為HCB、汽油和0#柴油(簡稱柴油)的理化特性。由表3可知,HCB相較0#柴油具有更高的十六烷值和更低的燃點,對于冷態燃燒具有更大的優勢。

表3 HCB、柴油和汽油的主要理化特性

發動機每循環噴油總能量為1 300 J,其中HCB缸內直噴能量占比為30%,汽油進氣道噴射能量占比為70%,不同噴射參數下HCB缸內直噴能量和汽油進氣道噴射能量均不變,即噴油量不變。汽油噴射時刻為-300°CA ATDC(以下將°CA ATDC記為°)。缸內直噴HCB分單次噴射和2次噴射,2種噴射策略的HCB總能量相同。試驗方案如表4所示,編號規則HCB單次噴射以S-30/100%為例:“S(單次噴射)/-30(HCB噴射時刻)/100%(HCB噴射能量占比)。HCB兩次噴射以D-35/-25/70%為例:“D(兩次噴射)/-35(預噴時刻)/-25(主噴時刻)/70%(預噴HCB能量占比)”。

HCB主噴時刻不選用-30°的原因是:在80 MPa的噴射壓力下,預噴量為70%HCB的噴射脈寬為495 μs,對應曲軸轉角為3.56°CA,導致預噴和主噴間隔曲軸轉角過小,2次噴射近似為單次噴射。

表4 試驗方案

2 結果與討論

2.1 HCB單次噴射策略對RCCI冷態燃燒的影響

圖3為不同HCB噴射時刻的缸壓和放熱率曲線。圖4為對應噴射時刻下的燃燒相位。其中CA10、CA50、CA90分別為累計放熱量為10%、50%、90%對應的曲軸轉角。隨著噴射時刻的推遲(-30°～-15°),缸壓和放熱率曲線峰值點明顯后移,著火時刻推遲,缸壓峰值和放熱率峰值先升高后降低。噴射時刻為-25°時缸壓峰值和放熱率峰值最高,分別為3.67 MPa和43.30 J/(°CA),燃燒持續期(9.44°,為CA10～CA90之間的曲軸轉角)最短,CA50(6.60°)較為靠近上止點,燃燒效率計算后相較噴射時刻為-30°、-20°和-15°分別提升1.23%、1.54%和8.32%,為HCB單次噴射策略下最優噴射時刻。分析認為噴射時刻為-25°時HCB有一定的預混時間,提升燃燒室的整體反應性的同時局部有較高的濃度和活性梯度,燃燒效果最佳。

圖5為單次噴射策略下不同HCB噴射時刻的燃燒過程。

圖3 單次噴射策略下不同HCB噴射時刻的缸壓及放熱率

圖5 單次噴射策略下不同HCB噴射時刻的燃燒過程

圖像選取原則為:第1張圖像為單張最大光強圖像光強值5%對應圖像,第3張圖像為70%對應圖像,其余為CA10、CA50、CA90對應曲軸轉角的圖像。隨著噴射時刻的推遲,初始火核位置由燃燒室邊緣區域向燃燒室中心區域移動。噴射時刻為-30°時初始火核出現在燃燒室左下方區域,CA10燃燒室左上方邊緣區域出現新的自燃點,2.6°燃燒室邊緣區域火焰面積不斷擴大并向中心區域傳播 ,最終并未傳播至燃燒室中心區域。噴射時刻為-25°時的燃燒過程與噴射時刻為-30°時相似,初始火核在燃燒室邊緣區域,但在CA10燃燒室中心區域出現自燃點,CA50相較噴射時刻為-25°時,燃燒室邊緣區域呈現更明顯的分區燃燒現象。分析可能是HCB預混時間縮短導致燃燒室邊緣區域局部當量比沒有主噴時刻為-30°時均勻。噴射時刻為-20°和-15°時初始火核均遠離燃燒室邊緣,CA10均有火焰沿噴霧油束方向發展的現象,相較另外2種噴射時刻,燃燒更集中在中心區域。分析認為HCB預混時間的進一步縮短導致噴霧油束附近區域燃料局部當量比進一步提高,形成更高的濃度分層和活性分層,使燃燒沿梯度進行。

HCB因其超高的反應活性和較低的燃點,可以實現冷態條件下的壓燃。S-25/100%相較其他3種HCB單次噴射方案,燃燒效率最高,燃燒持續期最短,燃燒相位較為靠近上止點,在單次噴射策略中燃燒效果最佳。但整體火焰面積較小,火焰區域光強較高,碳煙排放高,燃燒表現需要優化。

在此基礎上提出HCB兩次噴射策略,通過將原來單次噴射的HCB分成2次噴射,保證HCB總量和噴射壓力不變,探究HCB兩次噴射策略對RCCI冷態燃燒效果的影響。

2.2 HCB兩次噴射策略對RCCI冷態燃燒的影響

圖6為預噴比例為70%時不同HCB主噴時刻的缸壓和放熱率曲線。圖7預噴比例為30%時不同HCB主噴時刻的缸壓和放熱率曲線。圖8為不同HCB主噴時刻的燃燒相位(圖中70%代表預噴比例為70%,30%代表預噴比例為30%)。預噴比例為70%時,主噴時刻為-20°的缸壓及放熱率峰值最高,分別為3.93 MPa和53.72 J/(°CA),主噴時刻為-25°的缸壓和放熱率峰值最低。主噴時刻-20°時燃燒效率計算后相較單次噴射最佳工況S-25/100%提升1.92%,主噴時刻為-25°和-15°時分別下降1.98%和和0.34%。分析認為主噴時刻為-25°時HCB預混時間過長且該工況下預噴比例較高,局部濃度和活性梯度不足,燃燒持續期(12.64°)最長,燃燒效果最差。主噴時刻為-15°時雖然局部濃度及活性梯度較高,但著火時刻(0.68°)較晚,燃燒過程因活塞下行冷卻作用,燃燒效果不佳。

圖6 不同HCB主噴時刻的缸壓及放熱率(HCB預噴比例為70%)

圖7 不同HCB主噴時刻的缸壓及放熱率(HCB預噴比例為30%)

預噴比例為30%時,缸壓峰值和放熱率峰值均大于單次噴射最佳工況S-25/100%。主噴時刻為-15°和-25°時缸壓和放熱率曲線差別不大,其中主噴為-15°時缸壓峰值和放熱率峰值最高,分別為3.94 MPa和58.39 J/(°CA),主噴時刻為-20°時缸壓和放熱率峰值最低。主噴時刻為-25°、-20°、-15°燃燒效率計算后相較單次噴射最佳工況S-25/100%分別提升3.08%、2.86%、2.31%。分析認為預噴比例的降低導致燃燒室燃料局部當量比升高,燃燒更加迅速,但主噴時刻推遲導致著火時刻推遲,受活塞下行冷卻作用影響,主噴時刻為-15°時,雖然缸內最大壓力較高,但燃燒效率不高。

相較單次噴射最佳工況S-25/100%,2次噴射策略下缸壓和放熱率曲線峰值點均前移,放熱過程均提前。分析認為2次噴射策略相較單次噴射策略,通過預噴HCB進行預混提升燃燒室整體反應性,主噴HCB后形成更多富燃區域,濃度和活性分層更顯著,最終著火時刻提前,燃燒放熱過程提前。

圖8顯示出相同主噴時刻下,預噴比例為70%相較30%時,著火時刻提前,燃燒持續期增加(主噴時刻為-20°時增加0.32°)。分析認為預噴比例為70%時燃燒室整體反應性更高,著火時刻提前,但燃料局部當量比相較預噴比例為30%時降低,燃燒過程緩慢,燃燒持續期增加,進一步說明預主噴比例對燃燒室的整體反應性和局部反應性影響更為顯著。

圖8 不同HCB主噴時刻的燃燒相位

圖9為預噴比例為70%時不同HCB噴射時刻的燃燒過程。圖像選取原則:第1張和第2張圖像為單張最大光強圖像的5%和10%,第4張圖像為30%,第6張圖像為100%,其余為CA10、CA50、CA90對應曲軸轉角的圖像。主噴時刻為-25°時,初始火核出現在燃燒室左下方邊緣區域,1.96°燃燒室邊緣區域和中心區域出現更多自燃點,CA50燃燒室中心區域火焰進一步向四周傳播,燃燒過程相較S-25/100%火焰光強及火焰面積均減少。推遲主噴時刻至-20°,初始火核位于燃燒室右側邊緣區域,中心區域也出現少量自燃點,CA10燃燒室中心區域火焰沿近似噴霧油束方向進一步發展,CA50燃燒室中心區域火焰面積進一步擴大,邊緣區域分區燃燒現象相較單次噴射策略明顯減弱。主噴時刻為-15°時,初始火核更加接近燃燒室中心區域,-0.44°燃燒室中心區域出現更多自燃點,CA10火焰明顯沿噴霧油束方向燃燒并向四周擴散傳播,CA50火焰進一步傳播至燃燒室邊緣區域。

圖10為預噴比例為30%時不同HCB噴射時刻的燃燒過程,圖像選取原則與圖9相同。相同主噴時刻下火焰發展過程與預噴比例為70%類似。主噴時刻為-25°時,初始火核位于燃燒室邊緣區域,CA10燃燒室邊緣區域出現更多自燃點,火焰進一步向燃燒室中心區域發展。CA50中心區域自燃點不斷增多,火焰面積不斷擴大,邊緣區域火焰傳播至燃燒室中心區域。整個過程相較預噴比例為70%時火焰面積明顯增大,燃燒效果提升。主噴時刻為-20°時初始火核出現在燃燒室中心區域附近,CA10中心區域出現更多自燃點,火焰沿噴霧油束方向傳播至燃燒室邊緣,CA50火焰覆蓋燃燒室大部分區域。主噴時刻為-15°時初始火核出現在燃燒室左上方,遠離邊緣區域。0.04°中心區域沿油束方向出現更多自燃點,火焰依靠自燃點進一步發展,CA10觀察到明顯火焰沿噴霧油束方向燃燒的現象,CA50火焰充滿整個燃燒室,邊緣區域火焰光強較高。

2次噴射工況下燃燒室邊緣區域和中心區域火焰光強較高,說明這些區域存在碳煙輻射。除了因噴射策略的改變導致燃燒室局部當量比分布變化外,燃燒室邊緣區域碳煙輻射高的原因還有部分預噴HCB因高噴射壓力附著在壁面,冷態條件下壁面溫度低,HCB無法有效蒸發混合。從圖10也可看出,預噴比例為30%,主噴時刻為-15°時,燃燒室邊緣區域碳煙輻射信號最明顯。中心區域碳煙輻射高是因為噴油結束后針閥下落使得瞬時壓力降低且HCB黏度較高,少量HCB沒有完全霧化,噴孔附近的燃油局部當量比很高,隨著壓力和溫度的上升燃油汽化燃燒出現碳煙輻射,導致光強較高。

圖9 2次噴射策略下不同HCB主噴時刻的燃燒過程(預噴比例為70%)

圖10 2次噴射策略下不同HCB主噴時刻的燃燒過程(預噴比例為30%)

綜合來看,調整預主噴比例和主噴時刻可以改變RCCI冷態燃燒的火焰發展機制,且主噴時刻的影響更為顯著。隨著主噴時刻的推遲,火焰發展機制由四周多點自燃向中心傳播轉變為沿噴霧油束向四周傳播。結合燃燒放熱表現,預噴比例為30%,主噴時刻為-25°時的缸壓和放熱率峰值僅次于主噴時刻為-15°時,但其燃燒效率相較單次噴射最佳工況S-25/100%提升最顯著。由圖10可知,此時的碳煙輻射信號相較主噴時刻為-15°時也有明顯減弱,為2次噴射策略下的最優工況。

3 結論

1) RCCI冷態燃燒采用HCB單次噴射策略時,隨著噴射時刻的推遲,著火時刻推遲,缸壓峰值和放熱率峰值先升高后降低,-25°為單次噴射策略下最優噴射時刻,但整體火焰面積小且光強較高,碳煙排放較高,燃燒效果不佳。

2) HCB兩次噴射策略相較單次噴射策略最佳工況S-25/100%,著火時刻提前,缸壓和放熱率曲線峰值點前移。預噴比例為30%時缸壓和放熱率峰值均有提升;預噴比例為70%時,主噴時刻為-20°時缸壓和放熱率峰值提升。其中預噴比例為30%,主噴時刻為-25°時燃燒效率提升最顯著且碳煙排放較低,為2次噴射策略下最佳工況。

3) HCB兩次噴射策略通過改變預主噴比例和主噴時刻調整燃燒室整體反應性和局部反應性,進而優化燃燒效果。其中預主噴比例對燃燒相位影響顯著,預噴比例越低,著火時刻越晚,燃燒持續期越短。主噴時刻對火焰發展模式影響顯著,隨著主噴時刻的推遲,火焰發展由四周多點自燃向中心傳播轉變為沿噴霧油束向四周傳播。