柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究

趙叢姣　任 歡　常進(jìn)才　王雪敏　　高定偉（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

·研究·開(kāi)發(fā)·

柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究

趙叢姣1，2任 歡1，2常進(jìn)才1，2王雪敏1，2高定偉1，2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘要：以一臺(tái)柴油機(jī)為原型機(jī)，增加進(jìn)氣道噴射汽油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道預(yù)混噴射汽油缸內(nèi)直接噴射柴油引燃的燃燒模式，對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入的性能研究。研究結(jié)果顯示：隨著柴油主噴正時(shí)推后，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率第二峰值對(duì)應(yīng)相位隨之推后；同時(shí)，NOx排放隨著柴油主噴正時(shí)推后得到有效改善，Soot排放隨著柴油主噴正時(shí)推后有所惡化；柴油主噴正時(shí)的推后導(dǎo)致汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率上升。

關(guān)鍵詞：汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)柴油主噴正時(shí)缸內(nèi)燃燒壓力NOx排放

引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量逐年增加。汽車的急劇增加給人類帶來(lái)了資源匱乏和環(huán)境污染兩大難題。鑒于此，政府有關(guān)部門頒發(fā)了嚴(yán)格的油耗法規(guī)和排放法規(guī)。為此，內(nèi)燃機(jī)專家和學(xué)者提出了以HCCI（均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃）、LTC（低溫燃燒）和PCCI（部分預(yù)混充量壓縮點(diǎn)燃）為代表的新型燃燒模式[1-9]。

新型燃燒模式HCCI、LTC和PCCI均能夠在降低NOx排放和Soot排放的同時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率。但是，上述新型燃燒模式均存在著燃燒邊界條件苛刻或者工況范圍狹窄的不足。針對(duì)于此，威斯康辛大學(xué)Ritz教授提出了RCCI（活性控制壓縮點(diǎn)燃）新型燃燒模式。此燃燒模式采用進(jìn)氣道和缸內(nèi)噴入不同活性燃料，在不同負(fù)荷配比不同成分比例燃料而達(dá)到有效控制缸內(nèi)燃燒，進(jìn)而降低NOx排放和Soot排放，同時(shí)提高熱效率[10-11]。

本研究以傳統(tǒng)柴油機(jī)為原型機(jī)在進(jìn)氣道加裝汽油噴射系統(tǒng)，采用汽油預(yù)混柴油擴(kuò)散燃燒的新型燃燒模式，實(shí)現(xiàn)汽柴油雙燃料在缸內(nèi)混合燃燒降低有害排放物的目標(biāo)。本文主要研究柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，為汽柴油雙燃料技術(shù)廣泛推廣和應(yīng)用提供良好的技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原型機(jī)為長(zhǎng)城汽車公司生產(chǎn)的4D20型柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

如圖1所示，在原有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套進(jìn)氣道汽油噴射的供油系統(tǒng)，來(lái)形成進(jìn)氣道噴射汽油燃料，缸內(nèi)噴射柴油燃料的雙燃料燃燒模式。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的兩種燃料的噴射軌壓、噴射正時(shí)、噴射持續(xù)期以及兩種燃料的供給比例均可以靈活調(diào)節(jié)。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖和實(shí)物圖

在此試驗(yàn)研究中，采用AVL公司生產(chǎn)的AVL GH13P壓電式傳感器連接AVL 4P3G電荷放大器進(jìn)行缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)的測(cè)取；采用AVL 622燃燒分析儀對(duì)測(cè)取的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析；采用HORIBA 7500DEGR排放設(shè)備對(duì)NOx，THC和CO常規(guī)排放物進(jìn)行檢測(cè)；采用AVL 415S煙度計(jì)對(duì)尾氣中的PM進(jìn)行檢測(cè)；試驗(yàn)中所用汽油為93#牌號(hào)，柴油為0#，歐五柴油。

本文中所提到的汽柴油比例，燃油消耗率，EGR率均指以下定義：

其中：CO2int即EGR管路和新鮮空氣混合后氣體的CO2濃度；CO2exh即發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣里的CO2濃度；CO2bkg即空氣里的CO2濃度。

SOI（Startof Injection）為燃油起始噴射時(shí)刻；滯燃期為燃油噴射時(shí)刻到燃料開(kāi)始放熱時(shí)刻為止所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)；CA50為燃料放熱量50%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

圖2　不同柴油主噴正時(shí)缸內(nèi)燃燒特性

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究在不同EGR率條件下柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，本文以1300 r/min，30 N·m工況點(diǎn)為例進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)中，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)柴油噴射采用預(yù)噴和主噴兩次噴射策略，柴油預(yù)噴用于引燃進(jìn)氣道噴入的汽油，柴油主噴用于彌補(bǔ)汽油和預(yù)噴柴油不足的功率。

汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2所示。汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力保持為115 kPa，柴油共軌壓力為10MPa，柴油主噴油量為5mg，汽油噴射時(shí)刻為240°CA BTDC。

表2　汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

2.1柴油主噴正時(shí)對(duì)缸內(nèi)燃燒特性的影響

不同柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒放熱率和CA50的影響如圖2所示。由圖所示，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同柴油主噴正時(shí)工況下缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率曲線均具有雙峰值。缸內(nèi)燃燒壓力曲線第二個(gè)峰值隨著主噴正時(shí)的推后，其對(duì)應(yīng)相位逐漸推后并且降低。同時(shí)，隨著柴油主噴正時(shí)推后，放熱率曲線第二峰值呈現(xiàn)出依次推后的現(xiàn)象。再有，相同EGR率條件下，柴油主噴正時(shí)推后的工況點(diǎn)CA50也隨之推后。

汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在此工況點(diǎn)采用進(jìn)氣道噴射汽油預(yù)混缸內(nèi)直噴柴油擴(kuò)散的新型燃燒模式，并且缸內(nèi)直噴柴油分為預(yù)噴和主噴兩次噴油。缸內(nèi)噴入兩次柴油在此新型燃燒模式中分別起到引燃汽油和提升扭矩的作用。其中，預(yù)噴柴油和進(jìn)氣道噴入的汽油燃燒形成燃燒壓力和燃燒放熱率第一峰，主噴柴油燃燒生成燃燒壓力和放熱率第二峰，如圖2 a）和b）所示。在此工況點(diǎn)，汽油量較少并且預(yù)噴柴油量和預(yù)噴正時(shí)相同，進(jìn)而第一峰值相差不大；雖然柴油主噴油量相同，但是主噴正時(shí)不同會(huì)導(dǎo)致壓力曲線第二峰值的變化。隨著主噴正時(shí)的推后，活塞開(kāi)始下行，進(jìn)而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值下降。在相同EGR率下，主噴正時(shí)的推后導(dǎo)致CA50推后，正如圖2 c）所示。

2.2柴油主噴正時(shí)對(duì)排放特性的影響

為了探究柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響，本試驗(yàn)分別測(cè)試了NOx、PM、THC 和CO常規(guī)排放物。

圖3為不同主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的影響。如圖所示，不同主噴正時(shí)工況下的汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放均隨著EGR率的增加呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢(shì)。同時(shí)，在相同EGR率條件下，柴油主噴正時(shí)愈推后，其對(duì)應(yīng)的NOx排放愈低。

圖3　不同主噴正時(shí)NOx排放特性

在發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx中占?jí)旱苟鄶?shù)的是NO，其主要來(lái)源是參與燃燒的空氣中的氮。空氣中的氮生成NO的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的澤爾多維奇機(jī)理。NO的生成隨溫度的提高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加。當(dāng)溫度低于1800 K時(shí)，NO的生成速率極低；到2000 K就達(dá)到很高的速率。故發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)所達(dá)到的最高燃燒溫度為影響NOx生成量的最重要因素。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)EGR率的增加能夠有效抑制缸內(nèi)燃燒溫度降低。故隨著EGR率的增加，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放得到有效降低，如圖3所示。同時(shí)，在此工況點(diǎn)下燃料放熱做功比例中，主噴柴油占有較大比重。隨著主噴正時(shí)的推后，缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒溫度下降，進(jìn)而NOx排放降低，如圖3所示。

圖4為汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同柴油主噴正時(shí)工況下Soot排放曲線。如圖所示，整體來(lái)看不同柴油主噴正時(shí)下的汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放水平均維持在一極低水平，其數(shù)值基本均低于0.02 g/（kW·h）。同時(shí)，在相同EGR率下，柴油主噴正時(shí)推后的工況點(diǎn)，其Soot排放數(shù)值會(huì)升高。

發(fā)動(dòng)機(jī)Soot排放主要由燃料中含有的碳產(chǎn)生，其生成條件是高溫缺氧。雖然汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)總體是富氧燃燒，但是噴入缸內(nèi)的柴油因其擴(kuò)散燃燒局部缺氧還是會(huì)導(dǎo)致Soot的生成。

圖4　不同主噴正時(shí)Soot排放

汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴入汽油預(yù)混缸內(nèi)直噴柴油擴(kuò)散相結(jié)合的新型燃燒模式。在此燃燒模式工況下，進(jìn)氣道噴入的預(yù)混燃燒模式汽油占總?cè)剂媳壤s為34.1%~46.6%，其燃燒基本不會(huì)產(chǎn)生Soot排放。Soot排放主要產(chǎn)生于擴(kuò)散燃燒模式的柴油，且主要來(lái)自于主噴柴油。故Soot排放的產(chǎn)生關(guān)鍵在于主噴柴油與缸內(nèi)混合氣混合均勻與否。柴油主噴正時(shí)愈推后，其滯燃期愈短，其與缸內(nèi)混合氣混合不均勻，導(dǎo)致Soot排放上升。

圖5和6分別為汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同柴油主噴正時(shí)THC排放和CO排放曲線圖。如圖所示，THC排放和CO排放整體排放數(shù)值相對(duì)于傳統(tǒng)柴油機(jī)高出許多。同時(shí)，在相同EGR率工況下，隨著柴油主噴正時(shí)的推后，THC排放和CO排放均出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。

正如上文所示，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射汽油預(yù)混缸內(nèi)直噴柴油引燃新型燃燒模式。進(jìn)氣道噴入的汽油有足夠時(shí)間在缸內(nèi)與空氣形成均質(zhì)混合氣，并且進(jìn)入缸內(nèi)各種罅隙中。故汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)THC排放和CO排放遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)純柴油機(jī)。柴油主噴正時(shí)提前，其缸內(nèi)較高的燃燒溫度在一定程度上可以降低THC排放和CO排放。

圖5 不同主噴正時(shí)THC排放

圖6 不同主噴正時(shí)CO排放

圖7 不同主噴正時(shí)燃油效率

圖7為汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同主噴正時(shí)燃油消耗率曲線。如圖所示，在相同EGR率工況下，柴油主噴正時(shí)推后會(huì)導(dǎo)致燃油消耗率升高。

如上文所述，柴油主噴正時(shí)推后，燃料燃燒放熱時(shí)刻活塞處于下行期間，其放熱做功能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致燃料消耗率惡化。同時(shí)，柴油主噴正時(shí)推后，會(huì)造成THC排放和CO排放惡化，燃燒效率降低，也會(huì)導(dǎo)致燃料消耗率上升。

3　結(jié)論

在本文研究條件下，在1300r/min@30N·m工況點(diǎn)通過(guò)研究柴油主噴正時(shí)對(duì)汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，得出以下結(jié)論：

1）隨著柴油主噴正時(shí)的推后，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率第二峰值依次降低并且對(duì)應(yīng)相位依次推后，CA50也相應(yīng)推后。

2）隨著柴油主噴正時(shí)的推后，汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放依次降低，Soot排放依次升高；THC排放和CO排放整體高出傳統(tǒng)柴油機(jī)許多。

3）隨著柴油主噴正時(shí)的推后，燃料做功能力和燃燒效率的下降導(dǎo)致汽柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗率上升。

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中圖分類號(hào)：TK421+.28

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）05-0001-06

收稿日期：（2015-04-14）

作者簡(jiǎn)介：趙叢姣（1986-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。

A Study on the Effectsof DieselM ain Injection Tim ing on the Performanceof Gasoline/DieselDual Fuel Engine

Zhao Congjiao1,2,Ren Huan1,2,Chang Jincai1,2,Wang Xuem in1,2,Gao Dingwei1,2
1-Technical Center,GreatWallMotor Company Limited(Baoding,Hebei,071000,China)
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：A prototype diesel engine was modified into dual-fuel engine,towhich gasoline injection system was added for realizing the premixed combustion model.The performance of gasoline/diesel dual-fuel engine was studied deeply,depending on gasoline injected into intake manifold and ignited by diesel directly injected into cylinders.The result indicated:as dieselmain injection is retarded,the relative crank angles of second peaks of combustion pressure in-cylinder and heat release rate also are retarded; meanwhile,NOxemission is improved and soot emission deteriorates with diesel main injection being retarded;the retard of dieselmain injection results in increase of fuel consumption of gasoline/diesel dual fuelengine.

Keywords：Gasoline/dieseldual fuelengine,Dieselmain injection timing,Combustion pressure in-cylinder,NOxemission