摻混比例對雙燃料燃燒影響的可視化研究

李騰騰，任爍今，馬 躍，王建昕，景曉軍

摻混比例對雙燃料燃燒影響的可視化研究

李騰騰1，任爍今1，馬 躍2，王建昕3，景曉軍1

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.上海船用柴油機研究所，上海 201108； 3.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

汽柴油雙燃料燃燒模式可以降低柴油機中小負荷的氮氧化物和碳煙排放并提高有效效率。文章在一臺光學發動機上，采用高速攝影的方法對汽柴油均質混合氣引燃（HCII）燃燒進行了解析，針對汽油比例對HCII燃燒的影響開展了可視化研究。研究結果表明，HCII燃燒的過程是火焰首先隨著柴油噴束從汽缸中央向四周延展，同時點燃周圍的汽油混合氣產生藍色火焰，藍色火焰逐漸發展至整個燃燒室范圍。汽油火焰在多點被同時點燃，火焰面積在極短時間內迅速增加，覆蓋幾乎所有缸內范圍，相對于傳統汽油機，HCII燃燒速度明顯增加。隨著汽油比例的增加，缸內藍色火焰比例明顯增加，火焰亮度降低，從而實現低溫燃燒。

雙燃料燃燒；高速攝影；摻混比例；可視化研究

均質混合氣引燃（Homogeneous Charge Induced Ignition, HCII）燃燒同時使用高辛烷值燃料（如汽油）和高十六烷值燃料（如柴油），高辛烷值燃料向進氣道噴射，在進氣和壓縮過程中形成均質混合氣，高十六烷值燃料缸內直接噴射引燃[1]。該燃燒方式能夠獲得接近柴油機的熱效率，同時降低發動機排放。針對未來能源多元化的趨勢，該技術可以使用不同來源的燃料，適應不同燃料的特點。因此，HCII燃燒一直是研究的熱點，在某些研究工作中，HCII燃燒也被稱為雙燃料燃燒。汽油和柴油仍然是目前使用量最大、應用范圍最廣的燃料，因此，提高汽油和柴油的能量利用率具有很大的節能減排社會效益[2]。

2014年清華大學YU等[3]對比了HCII燃燒與汽柴混合燃料燃燒模式。研究結果表明，兩種燃燒模式都能體現汽油和柴油的優點，實現高熱效率和低排放。同時，兩種燃燒模式中汽油比例的增加能夠加強油氣混合，縮短滯燃期從而降低碳煙排放。使用大量廢氣再循環（Exhaust Gas Recir- culation, EGR）在兩種模式下都能實現超低碳煙和氮氧化物（NOX）排放。他們還對HCII燃燒的三種不同順序放熱模式進行了試驗研究，分別是緩慢單階段放熱、兩階段放熱和快速單階段放熱。清華大學任爍今的研究結果表明，汽油比例是汽柴油雙燃料燃燒最為敏感的參數之一，當負荷較小時，汽油比例可在0～90 %范圍內變化，升高汽油比例能夠提高缸內預混燃燒比例，有利于獲得超低的NOX和碳煙排放以及更高的熱效率[4]。

光學診斷技術作為一種非接觸式的測試技術，可以在不影響燃燒的情況下對火焰中多種組分的濃度和分布進行二維測量，且具有直觀、響應快、分辨率高等優勢，是臺架試驗和模擬計算的重要補充。高速攝影操作方便，結果直觀，是進行定性對比的常用方法。為了進一步研究基本控制參數對HCII燃燒的影響，本文研究了在一臺光學發動機上，采用高速攝影方法對HCII的燃燒過程進行解析，針對汽油比例對汽柴油雙燃料燃燒的影響開展了可視化研究。

1 試驗設備方法

1.1 試驗設備

進行可視化試驗的試驗裝置主要包括可視化發動機、測功機、發動機電控系統、缸壓采集系統、燃油供給系統和高速相機6個部分，圖1給出了高速攝影系統示意圖，圖2為光學發動機系統實物圖。發動機的圖像采集和燃油噴射系統，由易控公司的電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）進行控制。能夠實現對燃油噴射時刻、噴射脈寬、圖像采集周期的精確控制。

圖1 燃燒室計算網格

圖2 光學發動機系統實物圖

本光學發動機使用一款2.0 L四缸柴油機的缸蓋來進行進排氣系統，噴油系統、冷卻系統、潤滑系統及正時系統的改造。光學發動機采用下置式活塞視窗，使用45°反射鏡，將光學信號反射呈水平方向進行測量，可以實現缸壁的全透明測量。調試完成后，該發動機能夠在1 200 r/min以下各轉速中穩定運轉。光學發動機的主要參數如表1所示。

表1 光學發動機的主要參數

項目參數值 缸徑/mm83 活塞行程/mm105 連桿長度/mm215 壓縮比17 活塞凹坑形式平頂 活塞頂視窗直徑/mm58 冷卻方式水冷

試驗用油為北京市場95#汽油和0#柴油，汽油采用進氣道噴射，柴油采用缸內直噴。試驗所用的高速相機為日本Photron公司FASTCAM SA-X2型高速攝像機，最高拍攝速度可達100萬幀/秒。發動機所采用的燃燒分析儀為Kistler公司的KiBox To Go 2893A，能夠實現對缸壓和放熱率的采集。試驗采用設備的型號如表2所示。每個工況采10個循環的缸內光學圖像，結束后對光學視窗進行清潔。

表2 試驗設備及型號

試驗設備型號 柴油噴油器Delphi 1 100 100-ED01七孔 高速相機Photron FASTCAM SA-X2 燃燒分析儀KiBox To Go 2 893 A

1.2 試驗方法

本次研究采用普通攝影法進行試驗。普通攝影法所需的光學設備僅包含光源和高速相機，由光源將被攝物照亮，高速相機記錄下被攝物的變化。在拍攝火焰時，依靠火焰的自發光，不需要配置光源。普通攝影法有時間分辨率和空間分辨率兩項指標，時間分辨率由相機的連拍速度和快門速度決定，空間分辨率則由相機感光元件的像素、采用鏡頭的焦距以及與被攝物的距離決定。由于燃燒過程迅速，因此，對于高速相機的拍攝速度有較高的要求，目前實驗室的高速相機的最高拍攝速度為100萬幀/秒。

1.3 試驗條件

試驗工況如表3所示。固定柴油噴射壓力、噴射時刻和脈寬，通過增加汽油噴射量來增加汽油比例。光學發動機轉速為1 200 r/min，沒有EGR。高速相機光圈選擇F5.6，拍攝幀率選擇14 400。

表3 試驗工況參數

工況燃油噴射壓力/bar噴射時刻/(°)噴油脈寬/ms噴油量/mg汽油比例/% 1汽油4.540000 柴油1 00045503.8 2汽油4.5402 50011.876 柴油1 00045503.8 3汽油4.5404 5002587 柴油1 00045503.8

2 結果及分析

2.1 缸壓和放熱率

3種工況的缸壓和放熱率曲線如圖3所示。汽油比例為0時，由于柴油噴射的時刻較晚（上止點前4°CA），燃燒主要發生在上止點后，缸壓在上止點后約5°CA才開始脫離純壓縮線。汽油比例為76 %和87 %時，由于在進氣道噴入了汽油，因此，缸壓曲線和放熱率曲線相比于工況1更高，發動機的負荷更大。

2.2 缸內燃燒圖像

3種工況得到的火焰直拍圖像如圖4所示。汽油比例為0時，從上止點后4°CA開始，可以觀察到柴油燃燒產生的火焰，由于柴油的噴射量較少，局部空燃比較大，柴油燃燒的火焰主要呈藍色。在上止點后約10°CA處，汽缸外側的火焰基本消失，噴油器尖端處由于后滴，還存在明顯的擴散燃燒火焰，這一火焰的持續時間較長。從圖3的放熱率曲線中可以觀察到雙峰放熱，兩個放熱峰分別對應主噴燃燒和噴油器的后滴燃燒。由于該工況沒有噴入汽油，因此，燃燒主要發生在柴油噴霧的末端，汽缸外側的區域。

圖4 缸內燃燒圖像

汽油比例為76 %時，由于進氣道汽油揮發吸熱，進氣溫度下降，柴油的滯燃期增長，因此，從上止點后5°CA開始，才可以觀察到柴油燃燒產生的火焰。在上止點后約13.5°CA處，在汽缸內的火焰才基本消失，這是由于汽油的加入使得燃燒持續期增長所致。本工況下，噴油器尖端處由于后滴，亦存在明顯的擴散燃燒火焰，這一火焰持續的時間較長。從圖3的放熱率曲線中可以仍可以觀察到雙峰放熱，兩個放熱峰分別對應主噴的柴油以及被引燃的汽油的燃燒和噴油器的后滴燃燒。由于該工況噴入了汽油，因此，不僅能觀察到柴油火焰（噴霧末端，汽缸外側區域），同時在汽缸的中心也能夠觀察到汽油的燃燒。

汽油比例為87 %時，由于進氣溫度下降，柴油的滯燃期增長，從上止點后6°CA開始，才可以觀察到柴油燃燒產生的火焰。本工況下，由于噴入的汽油量更多，因此，在燃燒開始后，火焰占據的范圍相比于前兩個工況更大，可以明顯地觀察到汽缸中心的汽油火焰。相比與前兩個工況，本工況后滴產生的擴散燃燒火焰較少。

2.3 火焰面積

根據火焰直拍圖像，計算得到的火焰面積曲線如圖5所示。由曲線可以看到，汽油比例為0時，從上止點后4°CA附近，火焰面積從0開始急劇擴大，在約上止點后7°CA處達到峰值，之后主噴火焰消失，火焰面積迅速下降至0.6×10-4m2后，下降速度放緩，這是噴油器后滴燃燒所引起的。

圖5 火焰面積

汽油比例為76 %時，相比與工況1，從上止點后6°CA附近，火焰面積才開始急劇擴大，在約上止點后9°CA處才達到峰值，燃燒的相位有所推遲，這是由于進氣道噴射汽油，進氣溫度下降所致。由于汽油參與了燃燒，火焰的峰值面積為1×10-3m2，相比與工況1增大了近1倍。上止點后15°CA后，火焰面積下降速度放緩，此時的火焰主要來源于噴油器的后滴燃燒。

汽油比例為87 %時，從上止點后6°CA附近，火焰面積才開始急劇擴大，在約上止點后9°CA處才達到峰值，燃燒的相位有所推遲，這是由于進氣道噴射汽油，進氣溫度下降所致。由于汽油的噴射量進一步增加，火焰的峰值面積為1.4×10-3m2。上止點后18°CA后，火焰面積下降速度放緩，此時的火焰主要來源于噴油器的后滴燃燒。

火焰的平均亮度隨曲軸轉角的變化曲線如圖6所示。汽油比例為0時，曲線呈雙峰形狀，在上止點后10°CA處為波谷。曲線的兩個峰分別對應主噴火焰貢獻的亮度和后滴火焰貢獻的亮度，由于后滴火焰中碳煙含量高，為明亮的黃色擴散燃燒火焰，而主噴火焰碳煙濃度低，亮度較為暗淡，因此雙峰的亮度區別不大。

圖6 火焰平均亮度

汽油比例為76 %時，由于汽油參與了燃燒，負荷增大，火焰的平均亮度相比與工況1有大幅的增加，同時噴油器的后滴相比與工況1顯得更為嚴重。

汽油比例為87 %時，由于汽油參與了燃燒，負荷增大，火焰的平均亮度相比與工況1有大幅的增加。工況3的噴油器后滴并不嚴重，產生的擴散燃燒火焰較少。

3 結論

本研究在一臺光學發動機上，采用高速攝影方法對HCII的燃燒過程進行解析，主要研究了汽油比例對HCII燃燒的影響，得到如下結論：

1）小負荷條件下的純柴油燃燒也有可能發生兩階段放熱現象，兩個放熱峰分別對應主噴燃燒和噴油器的后滴燃燒。

2）從燃燒圖像中可以看出，HCII燃燒的過程是火焰首先隨著噴油束從汽缸中央向四周延展，同時點燃了周圍的汽油混合氣產生藍色火焰，藍色火焰逐漸發展至整個燃燒室。此時缸內火焰變得十分明亮，柴油火焰（火焰集中，火焰較明亮）以及汽油火焰（遍布燃燒室，亮度降低），能夠較為明顯區分。

3）從火焰面積變化看出，汽油火焰在多點被同時點燃，火焰面積在極短時間內迅速增加，覆蓋幾乎所有缸內范圍。相對于純柴油燃燒，雙燃料模式火焰面積增加1倍左右。相對于傳統汽油機，燃燒速度明顯增加。

4）從火焰亮度可以看出，汽油火焰的亮度明顯小于柴油火焰，隨著汽油比例的增加，缸內藍色預混火焰比例明顯增加，從而實現低溫燃燒。

[1] JIANG H F,WANG J X,SHUAI S J.Visualization and Performance Analysis of Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition by Diesel[C]//SAE 2005 World Congress & Exhibition.Washington:American Society of Automotive Engineers,2005-01-0136.

[2] 張丹,任爍今,李騰騰,等.噴油時刻對汽柴油雙燃料燃燒影響的模擬研究[J].柴油機設計與制造,2022, 28(3):21-26.

[3] YU C,WANG J X,WANG Z,et al.Comparative Study on Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition (HCII) by Diesel and Gasoline/Diesel Blend Fuels (GDBF) Combustion [J].Fuel,2013,106:470-477.

[4] 任爍今.重型發動機均質混合氣引燃燃燒的試驗研究和數值模擬[D].北京:清華大學,2018.

Optical Investigation of the Effects of Blending Ratio on Dual fuel Combustion

LI Tengteng1, REN Shuojin1, MA Yue2, WANG Jianxin3, JING Xiaojun1

( 1.CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China; 2.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108, China; 3.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

The gasoline-diesel dual fuel combustion mode can reduce the nitrogen oxide and particulate matter emissions of diesel engine and improve the effective efficiency. The gasoline-diesel homogeneous charge induced ignition (HCII) combustion is studied using the high-speed photograph method on an optical engine and the effects of blending ratio on HCII combustion is investigated optically. The results of the study show that the combustion process of HCII started with the flame propagation from the center of the cylinder to the edge with the diesel fuel sprays, igniting the surrounding gasoline mixture. Blue flames are generated and then occupied the entire combustion chamber. The gasoline mixture is ignited at multi-points and the flame area increased rapidly covering almost all the combustion chamber. Compared with conventional gasoline engines, the flame speed of HCII increased obviously. With the increase of gasoline blending ratio, the blue flame ratio in the cylinder increased and the flame brightness decreased obviously resulting in low-temperature combustion.

Dual fuel combustion; High-speed photograph; Blending ratio; Optical investigation

TK429

A

1671-7988(2023)19-138-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.027

李騰騰（1985－），男，碩士，高級工程師，研究方向為整車及發動機排放測試評價，E-mail:litengteng@ catarc.ac.cn。