汽油/柴油混合燃料對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及超細(xì)微粒排放的影響*

孫萬(wàn)臣,杜家坤，郭 亮, 肖森林, 范魯艷, 李國(guó)良, 譚滿(mǎn)志

(吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130025)

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2015191

汽油/柴油混合燃料對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及超細(xì)微粒排放的影響*

孫萬(wàn)臣,杜家坤，郭 亮, 肖森林, 范魯艷, 李國(guó)良, 譚滿(mǎn)志

(吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130025)

對(duì)一臺(tái)高壓共軌增壓中冷壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油/柴油混合燃料的燃燒和排放特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同汽油摻入比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和微粒排放粒度分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明，燃用汽油/柴油混合燃料改善了燃料的揮發(fā)性，有助于加快油氣混合，增大預(yù)混合燃燒量，顯著降低排氣煙度，但會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加，在較大負(fù)荷工況下更為明顯。引入適當(dāng)?shù)膹U氣再循環(huán)，可同時(shí)降低NOx和微粒排放。隨汽油摻入比例的增加，燃燒持續(xù)期縮短，有利于改善燃燒定容性，配合EGR、噴油參數(shù)等燃燒邊界條件的控制，合理匹配燃燒相位，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。但過(guò)大的汽油摻入比例易導(dǎo)致燃料著火性變差，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒相位過(guò)于推遲，熱效率有所降低。燃用汽油/柴油混合燃料時(shí)，微粒數(shù)量濃度分布曲線中核態(tài)微粒與積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度峰值均向小粒徑方向移動(dòng)。隨著負(fù)荷的增加，預(yù)混合燃燒量減少，汽油摻入比例對(duì)微粒排放濃度的影響加大。在中等負(fù)荷工況下，汽油摻入比例在40%以上的混合燃料能夠有效降低積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度。

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)；汽油/柴油混合燃料；燃燒；微粒排放粒度分布

前言

隨著全球范圍內(nèi)對(duì)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)的不斷重視，提高內(nèi)燃機(jī)的燃燒熱效率、降低燃油消耗和減少溫室氣體CO2排放受到普遍重視。以柴油機(jī)為代表的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)由于熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、功率范圍寬廣等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用。但由于柴油機(jī)混合氣形成時(shí)間短，缸內(nèi)混合氣均質(zhì)性較差，不可避免地存在局部過(guò)濃區(qū)和高溫區(qū)，導(dǎo)致NOx和微粒排放較高。針對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)上述問(wèn)題，積極導(dǎo)入預(yù)混合化的燃燒模式將是實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的有效手段[1]。

為促進(jìn)油氣混合氣形成，提高燃料揮發(fā)性是促進(jìn)油氣混合的有效手段[2]。文獻(xiàn)[3]中研究了燃料著火性、揮發(fā)性和芳烴含量對(duì)燃燒及排放的影響規(guī)律。結(jié)果表明，通過(guò)改善燃料揮發(fā)性，降低著火性，能夠有效降低微粒排放，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在更寬廣負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒并有助于拓展實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的工況范圍。英國(guó)伯明翰大學(xué)通過(guò)將汽油與柴油進(jìn)行混合制取了著火性與揮發(fā)性介于二者之間的燃料，命名為“dieseline”，研究發(fā)現(xiàn)采用汽油改善燃料揮發(fā)性并延長(zhǎng)滯燃期，有助于實(shí)現(xiàn)高效清潔的部分預(yù)混壓燃模式[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究者也針對(duì)汽/柴油混合燃料開(kāi)展了相關(guān)研究工作，取得了一些有意義的研究成果[5-9]。

現(xiàn)有研究主要針對(duì)汽油/柴油混合燃料燃燒和微粒質(zhì)量排放特性開(kāi)展工作，對(duì)于微粒數(shù)量排放的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道。已有研究表明柴油機(jī)排氣微粒絕大多數(shù)為超細(xì)微粒(粒徑小于100nm)[10]，這種細(xì)顆粒物體積小，質(zhì)量輕，能長(zhǎng)時(shí)間懸浮在大氣中，燃燒過(guò)程產(chǎn)生的苯并芘等致癌物質(zhì)易附著在其表面而深入人體肺泡，對(duì)環(huán)境及人類(lèi)的健康造成極大危害[11]。因此，有必要開(kāi)展進(jìn)一步的研究。本文中針對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒優(yōu)化及降低排放污染物的需求，試驗(yàn)研究了汽油/柴油混合燃料及EGR對(duì)燃燒及超細(xì)微粒排放特性的影響規(guī)律，為內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒模式提供了新的思路。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料

研究中采用一臺(tái)高壓共軌增壓中冷柴油機(jī)，噴油時(shí)刻和噴油量采用開(kāi)放式電控燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)中選取國(guó)IV-10#柴油與97#汽油作為基礎(chǔ)燃料，試驗(yàn)燃料理化特性如表2所示。按不同體積比進(jìn)行配比，獲取了不同理化特性的試驗(yàn)燃料。文中將純柴油記為G0，汽油含量為20%，30%，40%和50%的混合燃料分別記為G20，G30，G40和G50。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)燃料理化特性

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與稀釋取樣系統(tǒng)

試驗(yàn)中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要由南峰機(jī)電設(shè)備公司生產(chǎn)的CW160程控式電渦流測(cè)功機(jī)、HORIBA 7100DEGR排氣分析儀、AVL439消光煙度計(jì)、日本小野DS-9100燃燒分析儀和日本小野數(shù)字油耗儀等組成。缸壓測(cè)量采用Kistler 6052C型缸壓傳感器，轉(zhuǎn)角信號(hào)由Kistler 6124B型編碼器輸出，采樣分辨率為0.25°CA，每個(gè)工況點(diǎn)示功圖均采集100個(gè)循環(huán)進(jìn)行平均以消除測(cè)量誤差。為使排氣在引入粒度儀前得到充分稀釋?zhuān)芯恐胁捎门艢舛?jí)稀釋系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行稀釋與降溫。圖1為試驗(yàn)臺(tái)架示意圖。

1.3 試驗(yàn)方案

選取典型的發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(1 800r/min)工況，燃油噴射模式采用單段噴射，噴油時(shí)刻(Tinj)為11°CA BTDC。本文中定義累積放熱量為總放熱量的10%和90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒始點(diǎn)和燃燒終點(diǎn)，分別以CA10和CA90表示。滯燃期定義為燃燒始點(diǎn)與噴油始點(diǎn)之差。燃燒持續(xù)期定義為燃燒終點(diǎn)與燃燒始點(diǎn)之差。粒徑小于50nm為核態(tài)微粒，50nm以上為積聚態(tài)微粒，粒徑小于100nm的為超細(xì)微粒，核態(tài)微粒比例定義為核態(tài)微粒數(shù)量占總微粒數(shù)量的百分比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 汽油/柴油混合燃料排放特性分析

為探究不同混合氣濃度條件下汽油摻入比例對(duì)排放的影響規(guī)律，試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整噴油脈寬來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，不同負(fù)荷下平均指示壓力分別為0.32，0.51，0.72，0.91，1.09和1.31MPa，對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率分別為15%，30%，47%，60%，75%和85%。圖2為不同負(fù)荷工況下燃用汽油/柴油混合燃料排放特性對(duì)比。由圖可見(jiàn)，燃用汽油/柴油混合燃料可顯著降低排氣煙度，在大負(fù)荷工況下更為明顯。隨汽油摻入比例增大，CO及HC排放增加，但增幅隨負(fù)荷增大而減小，主要原因在于，汽油具有較好的揮發(fā)性，隨摻入比例增大，燃料揮發(fā)性得到改善，有利于在著火前形成更為均勻的混合氣。負(fù)荷較小時(shí)，由于缸內(nèi)燃燒過(guò)程主要以預(yù)混合燃燒為主，改善燃料揮發(fā)性不僅對(duì)提升混合氣均質(zhì)性的作用有限，反而揮發(fā)性過(guò)強(qiáng)易導(dǎo)致局部混合氣過(guò)稀，HC及CO等未完全燃燒產(chǎn)物增加。大負(fù)荷時(shí)擴(kuò)散燃燒過(guò)程比例增加，改善燃料揮發(fā)性能夠有效減少局部過(guò)濃區(qū)，有利于降低微粒排放。同時(shí)，預(yù)混合燃燒量增加使得燃燒溫度升高，有助于HC及CO等物質(zhì)在循環(huán)后期的高溫氧化，但對(duì)NOx排放會(huì)產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致NOx排放增加。

2.2 汽油/柴油混合燃料對(duì)燃燒特性的影響

先前的研究表明，EGR與噴油參數(shù)的合理選擇可有效控制燃燒過(guò)程，調(diào)整燃燒相位，通過(guò)燃料特性與EGR協(xié)同控制，有助于調(diào)節(jié)預(yù)混合燃燒量，優(yōu)化缸內(nèi)活化氛圍和熱氛圍，配合燃料特性的改變，可同時(shí)降低NOx和微粒排放[8]。為深入研究汽油/柴油混合燃料及燃燒邊界條件對(duì)燃燒及排放的影響規(guī)律，本文中選取兩種典型的負(fù)荷工況(IMEP為0.43和0.72MPa，分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)以預(yù)混合燃燒過(guò)程為主的小負(fù)荷工況及以擴(kuò)散燃燒過(guò)程主導(dǎo)的中等負(fù)荷工況)。試驗(yàn)中通過(guò)引入冷卻廢氣，調(diào)節(jié)缸內(nèi)活化氛圍及熱氛圍，同時(shí)配合燃油噴射參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而優(yōu)化燃燒相位。本文中選定EGR率為30%，噴油定時(shí)選為11°CA BTDC，研究EGR條件下汽油摻入比例對(duì)燃燒特性的影響。圖3為燃用不同摻入比例汽油/柴油混合燃料時(shí)燃燒特性的對(duì)比。從圖中可以看出，混合燃料中汽油摻入比例對(duì)燃燒過(guò)程存在顯著影響，且不同負(fù)荷工況下的變化規(guī)律有所不同。小負(fù)荷工況下，由于空燃比較大，燃燒過(guò)程呈現(xiàn)單一的預(yù)混合燃燒模式。此時(shí)隨摻入比例增加，滯燃期明顯延長(zhǎng)，當(dāng)摻入比例達(dá)到50%時(shí)，由于燃燒過(guò)分推遲，燃燒過(guò)程處于活塞下行階段，做功能力下降，導(dǎo)致放熱率峰值降低。當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，缸內(nèi)混合氣濃度增大，由于柴油揮發(fā)性相對(duì)較差，燃燒過(guò)程以擴(kuò)散燃燒占主導(dǎo)。隨汽油摻入比例增加，放熱率曲線的擴(kuò)散燃燒部分逐漸消失，燃燒過(guò)程由擴(kuò)散燃燒向預(yù)混合燃燒模式轉(zhuǎn)變。

圖4為燃用汽油/柴油混合燃料時(shí)主要燃燒特征參數(shù)對(duì)比。由圖4(a)可見(jiàn)，小負(fù)荷工況下平均溫度峰值和最大壓升率均隨汽油摻入比例增加而降低；在中等負(fù)荷工況下汽油摻入比例對(duì)缸內(nèi)燃燒平均溫度峰值影響不大。由圖4(b)可見(jiàn)，小負(fù)荷工況下由于燃燒過(guò)程預(yù)混合燃燒占主導(dǎo)，同時(shí)混合燃料十六烷值較低，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒相位(CA50)相對(duì)推遲，放熱過(guò)程主要位于活塞下行膨脹階段，壓力升高率峰值隨摻入比例增大而稍有降低；中等負(fù)荷工況下，雖燃燒過(guò)程有所推遲，但由于混合氣均質(zhì)性得到改善，燃燒過(guò)程預(yù)混合燃燒比例增加，放熱速率加快，壓升率相應(yīng)升高，汽油摻入比例在40%以?xún)?nèi)時(shí)，壓升率峰值以每10%摻入比例0.06MPa/(°CA)的幅度升高。但不論負(fù)荷大小，當(dāng)摻入比例從40%繼續(xù)升高時(shí)，壓升率峰值都將反而下降。由圖4(d)可見(jiàn)，小負(fù)荷工況下汽油摻入比例對(duì)燃燒持續(xù)期影響不大；中等負(fù)荷工況下，隨著汽油摻入比例的增加，燃燒持續(xù)期明顯縮短。當(dāng)汽油摻入比例達(dá)到40%時(shí)，燃燒持續(xù)期較柴油縮短約4.5°CA，可明顯提高燃燒定容度，有助于改善燃燒熱效率。但從圖4(f)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽油摻入比例提高至30%時(shí)，熱效率開(kāi)始下降。主要原因在于熱效率受定容性與燃燒相位兩方面制約，雖然采用較高汽油摻入比例混合燃料燃燒定容性有所改善，但燃燒相位過(guò)分推遲導(dǎo)致放熱過(guò)程做功能力下降，使得熱效率降低。

2.3 汽油/柴油混合燃料對(duì)超細(xì)微粒排放特性的影響

為進(jìn)一步探究汽油/柴油混合燃料對(duì)超細(xì)微粒排放的影響規(guī)律，選取IMEP 為0.43和0.72MPa兩種負(fù)荷工況下，分析不同摻入比例混合燃料對(duì)微粒排放粒度分布的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖可見(jiàn)，不同負(fù)荷工況下微粒排放粒度分布特征存在明顯差異，小負(fù)荷時(shí)核態(tài)微粒峰值主要位于30～50nm之間，積聚態(tài)微粒峰值位于150nm附近，絕大多數(shù)微粒均處于300nm以下；隨著負(fù)荷的增大，微粒粒徑分布范圍向大粒徑方向擴(kuò)展，粒徑大于300nm的微粒數(shù)量有所增加。微粒排放粒度分布特征與預(yù)混合燃燒量之間存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，小負(fù)荷工況下空燃比較大，汽油摻入比例對(duì)預(yù)混合燃燒量影響不大，因此對(duì)微粒排放粒度分布的影響不明顯。隨負(fù)荷增大，缸內(nèi)空燃比降低，預(yù)混合燃燒量減少，汽油摻入比例對(duì)微粒排放濃度的影響加大。隨汽油摻入比例增加，核態(tài)及積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度、表面積濃度和體積濃度峰值升高并向小粒徑方向移動(dòng)，且積聚態(tài)微粒濃度峰值顯著降低。對(duì)于不同燃料，表面積濃度和體積濃度峰值所對(duì)應(yīng)的粒徑范圍相對(duì)于微粒數(shù)量濃度峰值均向大粒徑方向移動(dòng)，核態(tài)微粒表面積濃度和體積濃度峰值均位于50nm附近。

圖6為燃用混合燃料時(shí)不同模態(tài)微粒數(shù)量濃度及所占比例。從圖中可以看出，小負(fù)荷工況下，排氣中絕大多數(shù)微粒為核態(tài)微粒，積聚態(tài)微粒數(shù)量所占比例較小。與柴油相比燃用汽油/柴油混合燃料核態(tài)微粒與總微粒數(shù)量均有所減少，其大部分為核態(tài)微粒，其中核態(tài)微粒和超細(xì)微粒比例均保持在99%和97%以上。中等負(fù)荷工況下，隨汽油摻入比例增加，積聚態(tài)微粒數(shù)量明顯降低，汽油添加比例超過(guò)40%時(shí)積聚態(tài)微粒數(shù)量降低達(dá)50%以上，主要原因在于燃用汽油/柴油混合燃料有助于降低缸內(nèi)局部濃混合氣區(qū)當(dāng)量比，增大預(yù)混合燃燒量，抑制高溫區(qū)顆粒物生成，降低排氣顆粒物初始載體數(shù)量，進(jìn)而使積聚態(tài)微粒數(shù)量降低。對(duì)于核態(tài)微粒，由于燃用混合燃料時(shí)HC及CO排放增加，在排氣冷卻過(guò)程中部分大分子的HC成分易于達(dá)到飽和狀態(tài)冷凝形成核態(tài)微粒，尤其是當(dāng)汽油摻入比例達(dá)到40%以上時(shí)，燃燒過(guò)程主要發(fā)生在膨脹沖程，不完全燃燒損失增大，HC排放對(duì)核態(tài)微粒數(shù)量的影響更為明顯。同時(shí)，積聚態(tài)微粒數(shù)量顯著降低使具有較強(qiáng)吸附作用的大粒徑微粒對(duì)小粒徑核態(tài)微粒的吸附效果減弱，進(jìn)而導(dǎo)致核態(tài)微粒比例由柴油的58.7%升高到燃用G40時(shí)的75.74%。

3 結(jié)論

(1) 燃料特性對(duì)燃燒及排放均有顯著影響，通過(guò)向柴油中摻入一定比例汽油，能夠改善燃料揮發(fā)性，有助于加快缸內(nèi)油氣混合過(guò)程，增大預(yù)混合燃燒量，顯著降低排氣煙度，但會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加，在大負(fù)荷工況下影響更為明顯。隨汽油摻入比例增大CO及HC排放增加，但增幅隨負(fù)荷增大而減小。

(2) 隨汽油摻入比例增加，燃燒持續(xù)期縮短，定容度提升，配合EGR等燃燒邊界條件的控制，并合理匹配燃燒相位，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。當(dāng)汽油摻入比例大于40%時(shí)，由于燃料十六烷值過(guò)低，滯燃期較長(zhǎng)，燃燒相位過(guò)于推遲，熱效率有所降低。

(3) 微粒排放粒度分布特征與預(yù)混合燃燒量之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，小負(fù)荷工況下空燃比較大，汽油摻入比例對(duì)預(yù)混合燃燒量影響不大。隨負(fù)荷增大，缸內(nèi)空燃比降低，預(yù)混合燃燒量減少，微粒排放粒度分布特征對(duì)汽油摻入比例的敏感性提升。

(4)燃用汽油/柴油混合燃料時(shí)，核態(tài)微粒與積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度峰值均向小粒徑方向移動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒超細(xì)化程度更高。隨汽油摻入比例增加積聚態(tài)微粒數(shù)量明顯降低，汽油添加比例超過(guò)40%時(shí)積聚態(tài)微粒數(shù)量降低達(dá)50%以上。

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The Effects of Gasoline/diesel Blend Fuels on the Combustion and Ultra-fine Particulate Emission of a Compression Ignition Engine

Sun Wanchen, Du Jiakun，Guo Liang, Xiao Senlin, Fan Luyan, Li Guoliang & Tan Manzhi

JilinUniversity，StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025

An experimental study on the combustion and emission characteristics of a high-pressure common-rail turbocharged intercooled compression ignition engine fueled with gasoline/diesel blend fuel is conducted to analyze the law of influence of different gasoline proportions on the combustion process and emitted particulate size distribution of engine. The results indicate that the blending of gasoline and diesel fuel improves the volatility of fuel, being conducive to quick mixing of fuel and air, increases the proportion of premixed combustion and hence greatly reduces the opacity of exhaust gas, but may increase the emission of NOx, especially in larger load conditions, and the introduction of reasonable exhaust gas recirculation (EGR) can reduce both NOxand particulate emissions. With the increase of gasoline proportion, the combustion duration shortens, conducive to enhancing the extent of constant-volume combustion. Combined with the control of combustion boundary conditions including EGR and fuel injection parameters and proper combustion phase, the thermal efficiency of engine can be improved. However, too large a gasoline proportion may result in the deterioration of fuel flammability, and hence the extension of delayed burning period, the delay of combustion phase and the drop of thermal efficiency. When gasoline/diesel blend fuel is used, the peaks of number concentration distribution curves for both nucleation and accumulation mode particulates move towards small size direction. With the increase of load, the proportion of premixed combustion reduces and the effects of gasoline proportion on the concentration of particulate emission become apparent. In medium loading condition, the blend fuel with a gasoline proportion larger than 40% can effectively reduce the number concentration of accumulation mode particulates.

compression ignition engine; gasoline/diesel blend fuel; combustion; emitted particulate size distribution

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51176064)和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140204012GX)資助。

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月20日。