噴油定時與進(jìn)氣壓力對RCCI特征參數(shù)的影響

韓偉強，田小聰，李 邱，李博侖，盧 耀，潘鎖柱，張 鵬

（1. 流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學(xué)），成都610039； 2. 汽車測控與安全四川省重點實驗室（西華大學(xué)），成都 610039； 3. 交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室（長安大學(xué)），西安 710061）

0 引 言

低溫燃燒策略可以使燃燒過程避開 NOx和顆粒物的生成區(qū)，同時實現(xiàn)2種排放物的超低排放[1-3]。其中由于均質(zhì)充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）和預(yù)混充量壓燃（Premixed Charge Compressed Ignition，PCCI）[4-8]燃燒模式的燃燒過程由燃料自身的理化性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)所決定，使燃燒的可控性差，發(fā)動機運行負(fù)荷范圍窄。隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)通過控制缸內(nèi)混合氣的分層來控制燃燒的著火時刻和反應(yīng)速率可以達(dá)到提高發(fā)動機效率、降低排放以及拓展發(fā)動機負(fù)荷的作用[9-13]。由此，Kokjohn等[14-15]提出了活性控制壓燃（Rreactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）的燃燒模式，通過進(jìn)氣道噴射低活性燃料，在缸內(nèi)形成低活性燃料的均質(zhì)混合氣，缸內(nèi)直噴高活性燃料，形成混合氣分層，實現(xiàn)燃燒過程可控的分層燃燒[16-17]。RCCI燃燒模式已被證明在較寬的負(fù)荷范圍內(nèi)可以實現(xiàn)接近60%的超高熱效率與超低NOx和顆粒物排放[18-22]。

RCCI燃燒過程可以通過合理調(diào)整控制參數(shù)來形成適度的缸內(nèi)混合氣分層，實現(xiàn)高效低排放的燃燒，其中進(jìn)氣壓力（Inlet Pressure，IP）、高活性燃料的噴油定時（Start of Injection，SOI）等控制參數(shù)對RCCI燃燒過程有很大影響。IP的改變會導(dǎo)致混合氣的溫度和分子間的碰撞頻率改變，從而影響化學(xué)反應(yīng)的速率[23]。Krishnan等[24]在單缸發(fā)動機上研究了IP對丙烷/柴油RCCI燃燒過程的影響，發(fā)現(xiàn)IP增加使缸內(nèi)總當(dāng)量比降低，缸內(nèi)峰值壓力變大，點火延遲縮短。Li等[25]基于多維仿真和遺傳算法對RCCI發(fā)動機的參數(shù)優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)奶岣?IP會改善燃燒過程、提高熱效率，但過高的 IP會導(dǎo)致局部燃料/空氣混合物過稀，降低燃燒速率，抑制自燃過程。韓偉強等[26]在低速低負(fù)荷下研究了SOI對乙醇/柴油RCCI燃燒和排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著 SOI的提前，缸內(nèi)的活性和當(dāng)量比分層逐漸增強，點火延遲時間變長。隨著SOI進(jìn)一步提前，缸內(nèi)混合氣的不均勻性降低，使燃燒速度變慢，局部高溫區(qū)域減少，導(dǎo)致 NOx排放降低[27]。Benajes等[28]使用了不同的低活性燃料研究了SOI對RCCI燃燒和排放的影響，發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷下，更提前的SOI會導(dǎo)致僅1個階段的熱釋放，而延遲的SOI會導(dǎo)致2個階段的熱釋放，但在中、高負(fù)荷下，由于柴油噴油量的增加，提前或延遲的SOI都會出現(xiàn)2個階段的熱釋放。

綜上所述，RCCI燃燒由于具備燃燒可控的優(yōu)勢，在眾多低溫燃燒策略中更具有研究潛力，同時，IP、SOI等參數(shù)的改變對RCCI燃燒和排放特性有很大影響。但這些研究大多是在某個特定負(fù)荷下進(jìn)行，當(dāng)負(fù)荷改變時，SOI和IP對RCCI燃燒和排放特性的影響是否會發(fā)生改變尚未可知。為制定合理的 RCCI燃燒模式的控制策略，首先應(yīng)探明不同燃燒邊界條件（如 SOI、IP等）對 RCCI燃燒與排放特性的影響。為此，本文在一臺六缸重型柴油機上通過進(jìn)氣道噴射汽油，缸內(nèi)直噴柴油，實現(xiàn)RCCI燃燒，研究了不同循環(huán)能量（Cycle Energy，CE）下SOI與IP對汽油/柴油RCCI燃燒排放特性的影響規(guī)律和影響程度，為制定合理的 RCCI燃燒模式的控制策略提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗燃料和試驗裝置

使用缸內(nèi)直噴系統(tǒng)噴射柴油，進(jìn)氣道上加裝噴油器噴射汽油，實現(xiàn) RCCI燃燒。試驗過程中保持汽油能量預(yù)混比（Gasoline Energy Premixing Ratio，PR）為65%，其中PR的定義如式（1）所示。由于較高PR下的RCCI燃燒有助于降低 NOx和顆粒物排放，更具有研究價值，65%是汽油/柴油 RCCI燃燒試驗中所能達(dá)到的最大 PR值，因此本試驗選定PR為65%。試驗用發(fā)動機具體參數(shù)如表1所示，試驗用燃料理化性質(zhì)見表2。

式中Q1和Q2分別表示汽油和柴油的能量，J；Hu1和Hu2分別表示汽油和柴油的低熱值，J/mg；m1和m2分別表示汽油和柴油的噴射量，mg。

表1 試驗用柴油機參數(shù)Table 1 Parameters of test diesel engine

表2 燃料性質(zhì)Table 2 Fuel properties

圖 1為六缸重型柴油機試驗平臺示意圖，主要包括試驗發(fā)動機、試驗測試設(shè)備、燃燒排放分析設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。試驗中發(fā)動機的缸壓信號由缸壓傳感器（Kistler 6125C）實時感知并通過電荷放大器（Kistler 5011B）放大，再使用NI-USB6353采集卡進(jìn)行采集。每個工況下采集50個循環(huán)的缸壓曲線，每個循環(huán)下缸壓的采集步長為0.5 °CA，采集完成后通過LabView編寫的離線燃燒分析系統(tǒng)進(jìn)行燃燒分析。使用Horiba-MEXA7100DEGR多組分分析儀測量氣態(tài)排放物，使用Cambustion DMS 500 Mk II測量顆粒物的尺寸分布和顆粒物濃度。

圖1 試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of test platform

1.2 試驗方法

試驗中保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和PR為65%，選定885、1 380和1 700 J共3個CE，CE表示當(dāng)前工況下進(jìn)氣道噴射燃料和缸內(nèi)直噴燃料的能量總和。以 CE作為負(fù)荷指標(biāo)，更方便研究不同燃料組合的 RCCI燃燒模式下燃燒和排放特性的異同。本試驗設(shè)置的 885、1 380和1 700 J的CE分別對應(yīng)原機的10%、20 %和30 %負(fù)荷，試驗中汽油和柴油的噴射量根據(jù)CE和PR計算得出。由于 RCCI發(fā)動機受到失火、壓力升高率過高、排放超量程等因素的限制，本文試驗中設(shè)置 SOI為?5～?35 °CA ATDC（After Top Dead Cetner）。另外，電動增壓器由于高速電機轉(zhuǎn)速的限制，設(shè)置 IP為 101～125 kPa。本試驗以5 kPa的IP步長進(jìn)行，處理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，IP對各燃燒和排放特征參數(shù)的影響規(guī)律單一，其中110和125 kPa下的IP對各燃燒和排放特征參數(shù)的影響規(guī)律較為明顯，更具有代表性，因此本文只選用110和125 kPa下的2個IP點進(jìn)行分析，詳細(xì)的試驗參數(shù)見表3。

表3 試驗參數(shù)Table 3 Test parameters

2 結(jié)果與分析

由于SOI和IP量綱不同，單位SOI或IP的改變引起的燃燒和排放特征參數(shù)的變化不能用來評判控制參數(shù)對 RCCI發(fā)動機特征參數(shù)的影響程度。因此本文從實際物理意義出發(fā)，確定了SOI與IP的變化范圍，即SOI∈[?5, ?35] °CA ATDC，IP∈[110, 125] kPa，本文的影響程度反映的是負(fù)荷的增加導(dǎo)致的某個控制參數(shù)對燃燒和排放特性調(diào)整能力的變化，調(diào)節(jié)范圍增加即影響程度增加。本文以SOI和IP作為控制參數(shù)，在不同CE下進(jìn)行試驗，通過對比試驗結(jié)果，明確出CE的增加使這2個控制參數(shù)對RCCI燃燒下的各燃燒和排放特征參數(shù)調(diào)節(jié)范圍的變化，即影響程度是否隨CE的增加而改變，為今后制定合理的RCCI燃燒模式的控制策略提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 不同CE下SOI與IP對燃燒特性的影響

對于發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒特征參數(shù)而言，可以直接獲取的是由缸壓傳感器采集的缸內(nèi)壓力的瞬時變化值，其余燃燒特征參數(shù)均基于缸內(nèi)壓力在離線燃燒分析系統(tǒng)計算得出。由于本文試驗工況不存在缸內(nèi)壓力過高的問題，燃燒特征參數(shù)主要通過放熱率分析得出，因此本文未分析缸內(nèi)壓力，而是重點分析放熱率以及據(jù)此計算出的燃燒特征參數(shù)。

圖2為RCCI燃燒的2個主要放熱階段，第1階段是低溫放熱（Low Temperature Heat Release，LTHR）過程，也稱為冷焰反應(yīng)過程，主要是指溫度在 800～850 K之間，大分子過氧化物分解為多個自由基，大量自由基進(jìn)行鏈分支反應(yīng)而放熱的過程[29]，在 RCCI發(fā)動機中，LTHR過程的放熱率峰值（Maximum Heat Release Rate of LTHR Process，LTHRmax）對整體放熱過程和燃油經(jīng)濟(jì)性起著重要作用[30]，第 2階段的高溫放熱（High Temperature Heat Release，HTHR）過程是直噴的高活性燃料夾雜缸內(nèi)低活性燃料的燃燒，也是 RCCI燃燒的主要放熱過程，HTHR過程的放熱率峰值（Maximum Heat Release Rate of HTHR Process，HTHRmax）在一定程度上反映出燃燒的劇烈程度，降低 HTHRmax有助于降低壓力升高率和拓展發(fā)動機工況，此外，HTHRmax對應(yīng)相位會影響燃燒重心，燃燒重心對缸內(nèi)溫度、壓力升高率和油耗等有很大影響[31]。因此，圖3中SOI與IP對燃燒放熱過程的影響主要分析了不同CE下SOI與IP對LTHRmax和 HTHRmax及其對應(yīng)相位的影響規(guī)律和程度。

圖2 RCCI燃燒模式的放熱過程Fig.2 Heat release process of Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) combustion mode

不同CE下SOI與IP對HTHR過程的影響如圖3a～3b所示。從圖3a、圖3b中可看出，在所有的IP下，當(dāng)CE較小時，HTHRmax隨著SOI的提前整體呈先增后降的趨勢，而當(dāng)CE增加為1 700 J時，HTHRmax隨SOI提前從先增后降的趨勢變?yōu)橐恢鄙?，這可能是由于在較小的CE下，過大的SOI會使得缸內(nèi)燃料混合的更均勻，局部高活性區(qū)域減少，使燃燒放熱緩慢，HTHRmax下降，而CE增加后，相同SOI下缸內(nèi)混合氣的局部高活性區(qū)域增加，HTHRmax增加，所以在較大CE下，只有在更提前的SOI下HTHRmax才會出現(xiàn)下降趨勢。此外，SOI的提前使HTHRmax對應(yīng)相位逐漸提前，且CE的增加不改變 SOI對 HTHRmax對應(yīng)相位的影響規(guī)律和程度。在不同CE和SOI下，IP的增加使HTHRmax整體呈下降趨勢，并且CE增加后，IP對HTHRmax的影響程度增加，使 HTHRmax下降更明顯。例如，當(dāng) CE為885 J時，IP增加15 kPa使HTHRmax在所有SOI下整體平均降低約2.35 J/°CA，而當(dāng)CE為1 700 J時，IP增加15 kPa使 HTHRmax在所有 SOI下整體平均降低約為23.64 J/°CA，CE的增加使IP對HTHRmax的調(diào)節(jié)范圍增加約21 J/°CA。此外，在不同CE下，IP對HTHRmax對應(yīng)相位的影響在不同 SOI下表現(xiàn)略微不同，當(dāng) SOI為?5～?20 °CA ATDC時，IP對HTHRmax對應(yīng)相位幾乎沒有影響，而當(dāng)SOI為?20～?30 °CA ATDC時，IP對HTHRmax對應(yīng)相位的影響在不同CE下有略微的差異，但影響很小。總體上，不同CE下IP對HTHRmax對應(yīng)相位幾乎沒有影響。CE的增加不改變SOI對HTHRmax及其對應(yīng)相位的影響規(guī)律和程度，也不改變 IP對HTHRmax的影響規(guī)律和對HTHRmax對應(yīng)相位的影響規(guī)律和程度，但使IP對HTHRmax的影響程度增加，即IP對HTHR過程的調(diào)整能力增強。

不同CE下SOI與IP對LTHR過程的影響如圖3c和圖3d所示。從圖3c和圖3d中可看出，LTHR只有在更提前的SOI下才出現(xiàn)，在不同CE和IP下，隨著SOI的提前，LTHRmax增加，LTHRmax對應(yīng)相位提前，而SOI對LTHRmax的影響程度在不同CE下表現(xiàn)不同。例如，在IP為125 kPa下，當(dāng)CE為1 380 J時，SOI從?25 °CA ATDC 提前到?30 °CA ATDC，LTHRmax 增加了5.24 J/°CA，而當(dāng)CE增加到1 700 J時，LTHRmax在相同SOI提前量下增加了12.9 J/°CA。這可能是由于CE的增加導(dǎo)致噴油量增加，在相同的 SOI提前量下，缸內(nèi)形成的大分子過氧化物量更多，此時 SOI的改變使LTHRmax變化量更大。而SOI對LTHRmax對應(yīng)相位的影響在不同 CE下沒有明顯的規(guī)律性。此外，IP對LTHRmax及其對應(yīng)相位的影響在不同CE下都很小。例如，當(dāng)CE為885 J時，IP增加15 kPa僅使LTHRmax對應(yīng)相位產(chǎn)生 0.5 °CA左右的變化，而當(dāng) CE增加為1 380 和1 700 J時，IP增加15 kPa不改變LTHRmax對應(yīng)相位?？傮w上，CE的增加，使SOI對LTHRmax的影響程度增加，使SOI對LTHR過程的調(diào)整能力增強，而在所有CE下，IP對LTHRmax及其相位的影響程度都很小，不適合作為調(diào)整LTHR過程的控制參數(shù)。

圖3 不同CE下SOI與IP對放熱過程的影響Fig.3 Effects of SOI and IP on heat release process under different CE

不同CE下SOI與IP對滯燃期的影響如圖4所示。滯燃期作為發(fā)動機燃燒過程的重要參數(shù)，對缸內(nèi)可燃混合氣的形成、燃燒放熱過程和排放等有很大影響。

圖4 不同CE下SOI與IP對滯燃期的影響Fig.4 Effects of SOI and IP on ignition delay under different CE

從圖4中可看出，在不同CE和IP下，滯燃期隨著SOI的提前而增加，CE的增加基本不改變SOI對滯燃期的影響規(guī)律和程度。從圖 4中還可看出，在不同 CE和SOI下，IP的增加使滯燃期略微減小，CE的增加基本不改變IP對滯燃期的影響規(guī)律和程度，且IP對滯燃期的影響程度小于SOI。例如，當(dāng)CE為885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，滯燃期在所有SOI下都幾乎不變，在IP為 110 kPa 下，SOI 從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC，滯燃期從 4.5 °CA 增長到 15.1 °CA，增加了約10.5 °CA；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，滯燃期在所有SOI下也都幾乎不變，在相同SOI提前量下，滯燃期從3.5 °CA增長到13 °CA，增加了9.5°CA，滯燃期的變化量與小CE下相當(dāng)?？傮w上，SOI對滯燃期的影響程度比IP更大，但影響程度不隨CE的增加而改變，而IP對滯燃期的影響程度在所有CE下都很小，因此，SOI在任何CE下都可以作為調(diào)整滯燃期的控制參數(shù)，而IP對滯燃期的調(diào)整能力較弱，不適合用來調(diào)整滯燃期，此外，SOI和IP對滯燃期的影響規(guī)律不隨CE的增加而改變。

不同CE下SOI與IP對最大累計放熱量的影響如圖5所示。最大累計放熱量可以反映燃燒放熱的基本情況。從圖5中可看出，在不同CE和IP下，最大累計放熱量隨著SOI的提前而增加，且SOI對最大累計放熱量的影響程度隨CE的增加而增加。從圖5中還可看出，在不同CE和SOI下，最大累計放熱量隨IP增加而變化的規(guī)律不明顯，IP對最大累計放熱量的影響程度很小，且CE的增加基本不改變 IP對最大累計放熱量的影響程度。例如，當(dāng)CE為885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，最大累計放熱量在所有SOI下都幾乎不變，SOI從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC 時，最大累積放熱量在所有IP下整體平均增加約150 J；當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，最大累計放熱量在所有SOI下也都幾乎不變，而在相同 SOI提前量下，最大累計放熱量在所有IP下整體平均增加約250 J?？傮w上，SOI對最大累計放熱量的影響程度比IP更大，CE的增加使SOI對最大累計放熱量的影響程度增加，而IP對最大累計放熱量的影響程度在所有CE下都很小，此外，CE的增加不改變SOI和IP對最大累計放熱量的影響規(guī)律。

圖5 不同CE下SOI與IP對最大累計放熱量的影響Fig.5 Effects of SOI and IP on maximum cumulative heat release under different CE

不同CE下SOI與IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的影響如圖 6所示。缸內(nèi)平均溫度峰值反映缸內(nèi)溫度的高低，缸內(nèi)溫度對NOx、HC等排放物的生成有很大影響。從圖6中可看出，在不同CE和IP下，缸內(nèi)平均溫度峰值隨著SOI的提前而增加，CE增加后，缸內(nèi)平均溫度峰值隨SOI提前而變化的規(guī)律基本不變，但 SOI對缸內(nèi)平均溫度峰值的影響程度略微增加。例如，當(dāng)CE為885 J時，SOI從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC，缸內(nèi)平均溫度峰值在所有IP下整體平均增加約150 K；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同SOI提前量下，缸內(nèi)平均溫度峰值在所有IP下整體平均增加約280 K，CE的增加使SOI對缸內(nèi)平均溫度峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約130 K。從圖6中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使缸內(nèi)平均溫度峰值降低，且 CE增加后，IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的影響程度增加。例如，當(dāng) CE為 885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，缸內(nèi)平均溫度峰值在所有SOI下整體平均降低約70 K；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，缸內(nèi)平均溫度峰值在所有SOI下整體平均降低約140 K，CE的增加使IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約 70 K?？傮w上，在不同 CE下，SOI和IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的影響程度都較大，因此SOI和 IP均可作為調(diào)整缸內(nèi)溫度的控制參數(shù)。CE增加后，SOI和IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的影響規(guī)律不變，但會使SOI和IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的影響程度增加，使SOI和IP對缸內(nèi)溫度的調(diào)整能力增強。

圖6 不同CE下SOI與IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的影響Fig.6 Effects of SOI and IP on average temperature peak in cylinder under different CE

不同CE下SOI與IP對壓力升高率峰值的影響如圖7所示。壓力升高率峰值與燃燒穩(wěn)定性、燃燒噪聲等有直接聯(lián)系。從圖7中可看出，在不同CE和IP下，壓力升高率峰值隨著 SOI的提前先增加后降低，只不過在更大的 CE下，壓力升高率峰值出現(xiàn)下降趨勢時的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的SOI會更提前，CE增加后，SOI對壓力升高率峰值的影響程度增加。例如，在IP為125 kPa下，當(dāng)CE為885 J時，在相同SOI提前量下，壓力升高率峰值最大變化約 0.15 MPa/°CA，此時轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的 SOI約為?15°CA ATDC；當(dāng) CE增加為 1 700 J時，SOI從?5 °CA ATDC提前到?28 °CA ATDC，壓力升高率峰值最大變化約 0.28 MPa/°CA，并且轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的 SOI提前到?24°CA ATDC，CE的增加使125 kPa 下的SOI對壓力升高率峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約0.13 MPa/°CA。從圖7中還可看出，在較小的 CE下，IP對壓力升高率峰值的影響規(guī)律不明顯，但當(dāng)CE增加為1 700 J時，IP對壓力升高率峰值的影響程度增加，使壓力升高率峰值略微降低。例如，當(dāng)CE為885 J時，IP從110增加到125 kPa，壓力升高率峰值在所有SOI下整體平均變化約0.006 MPa/°CA；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，壓力升高率峰值在所有 SOI下整體平均變化約 0.06 MPa/°CA，CE的增加使IP對壓力升高率峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約0.054 MPa/°CA?？傮w上，在不同CE下，SOI對壓力升高率峰值的影響程度比 IP更大，可以作為調(diào)整壓力升高率的控制參數(shù)，而IP對壓力升高率峰值的影響只有在更大的CE下才更明顯，且總體上對壓力升高率峰值的影響程度較小，只能用來略微調(diào)整壓力升高率的大小，CE的增加使SOI和IP對壓力升高率峰值的影響程度增加，即SOI和IP對壓力升高率的調(diào)整能力增強。

圖7 不同CE下SOI與IP對壓力升高率峰值的影響Fig.7 Effects of SOI and IP on peak pressure rise rate under different CE

不同CE下SOI與IP對熱效率的影響如圖8所示，從圖8中可看出，在不同CE和IP下，熱效率隨著SOI的提前整體呈先增后降的趨勢，只不過隨著 CE的增加，熱效率出現(xiàn)下降趨勢時的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的 SOI會更靠近上止點，而CE的增加基本不改變SOI對熱效率的影響程度。例如，當(dāng)CE為885 J時，隨著SOI的提前，熱效率最大變化約 5%，此時熱效率出現(xiàn)下降趨勢時的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的SOI為?20 °CA ATDC左右；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，隨著SOI的提前，熱效率的最大變化量與小CE下相當(dāng)，但此時熱效率出現(xiàn)下降趨勢時的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的SOI推遲到了?8 °CA ATDC左右。

圖8 不同CE下SOI與IP對熱效率的影響Fig.8 Effects of SOI and IP on thermal efficiency under different CE

從圖8中還可看出，在不同CE和SOI下，IP對熱效率的影響規(guī)律較為復(fù)雜，但可以看出的是，隨著 CE的增加，IP對熱效率的影響程度略微增加。例如，在SOI為?20 °CA ATDC下，當(dāng) CE為 885 J時，IP從110 kPa增加到125 kPa，熱效率基本不變；而當(dāng)CE增加為 1 700 J時，在相同 IP增加量下，熱效率增加了約1%?？傮w上，SOI對熱效率的影響程度比IP更大，對熱效率的調(diào)整能力更強。隨著CE的增加，SOI對熱效率的影響規(guī)律和程度基本不變，而IP對熱效率的影響程度會略微增加。

2.2 不同CE下SOI與IP對排放特性的影響研究

不同CE下SOI與IP對HC排放的影響如圖9a所示。從圖9a中可看出，在不同CE和IP下，HC排放隨著SOI的提前而降低，且SOI對HC排放的影響程度隨著CE的增加而降低。例如，當(dāng) CE為 885 J時，SOI從?5 °CA ATDC提前到?28 °CA ATDC，HC排放在所有IP下整體降低約89 g/(kW·h)；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同SOI提前量下，HC排放在所有IP下都幾乎不變，CE的增加使SOI對HC排放的調(diào)節(jié)范圍減小約89 g/(kW·h)。從圖9a中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使HC排放增加，且IP對HC排放的影響程度隨CE的增加而降低。例如，當(dāng)CE為885 J時，IP增加15 kPa使HC排放在所有SOI下整體平均增加約13.65 g/(kW·h)；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，HC排放在所有SOI下都幾乎不變, CE的增加使IP對HC排放的調(diào)節(jié)范圍減小約13.65 g/(kW·h)?？傮w上，SOI對HC排放的影響程度比IP更大，在較小的CE下，SOI和IP均可作為調(diào)整HC排放的控制參數(shù)，CE增加后，SOI和IP對HC排放的影響程度均降低，使SOI和IP都不再適用于調(diào)整HC的排放，此外，CE的增加不改變SOI和IP對HC排放的影響規(guī)律。

不同CE下SOI與IP對CO排放的影響如圖9b所示。從圖9b中可看出，在所有IP下，CE的增加使SOI對CO排放的影響規(guī)律發(fā)生改變。例如，當(dāng)CE為885 J時，CO排放隨著SOI的提前先降低后增加；而當(dāng)CE增加為1 380和1 700 J時，CO排放隨著SOI的提前一直降低。這可能是由于，在 CE較低時，柴油噴油量較少，SOI=?28 °CA ATDC時滯燃期太長，使柴油與汽油的混合時間過長，出現(xiàn)了較多的貧燃區(qū)域，CO排放反而會增加，而CE增加后，噴油量增多，在相同的SOI下，摻混入低活性區(qū)域的柴油量增加，使低活性區(qū)域燃燒改善，所以即使在?30 °CA ATDC的噴油定時下，缸內(nèi)也不會出現(xiàn)大面積的貧燃區(qū)，因此在較大的CE下，CO的排放會隨著SOI的提前一直降低。從圖9b中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使CO排放增加，且IP對CO排放的影響規(guī)律和程度不隨CE的增加而改變。例如，當(dāng)CE為885 J時，IP從110增加到125 kPa，CO排放在所有SOI下整體平均增加約 15 g/(kW·h)；而當(dāng) CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，CO排放在所有SOI下的整體平均增加量也約為15 g/(kW·h)。總體上，CE的增加使SOI對CO排放的影響規(guī)律發(fā)生改變，但不改變IP對CO排放的影響規(guī)律和程度。

圖9 不同CE下SOI與IP對排放特性的影響Fig.9 Effects of SOI and IP on emission performance under different CE

不同CE下SOI與IP對NOx排放的影響如圖9c所示。從圖9c中可看出，在不同CE和IP下，隨著SOI的提前，NOx排放呈先增后降的趨勢，CE的增加不改變SOI對 NOx排放的影響規(guī)律和程度。例如，當(dāng) CE為885 J時，SOI從?5 °CA ATDC 提前到?28 °CA ATDC，NOx排放在所有IP下最大變化約19 g/(kW·h)；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同SOI提前量下，NOx排放在所有IP下最大變化約18 g/(kW·h)，CE的增加基本不改變SOI對NOx排放的調(diào)節(jié)范圍。從圖9c中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使NOx排放降低，且隨著CE的增加，IP對NOx排放的影響規(guī)律不變，而IP對NOx排放的影響程度略微增加。例如，當(dāng)CE為885 J時，IP從110增加到125 kPa，NOx排放在所有SOI下整體平均降低約1 g/(kW·h)；而當(dāng)CE增加為1 700 J時，在相同IP增加量下，NOx排放在所有 SOI下整體平均降低約4 g/(kW·h)，CE的增加使IP對NOx排放的調(diào)節(jié)范圍增加約3 g/(kW·h)?？傮w上，SOI對NOx排放的影響程度比IP更大，CE的增加基本不改變SOI對NOx排放的影響規(guī)律和程度，也不改變IP對NOx排放的影響規(guī)律，但會使IP對NOx排放的影響程度略微增加，即IP對NOx排放的調(diào)整能力略微增強。

圖10a和圖10b為核態(tài)顆粒物的排放特性。從圖10a和圖10b中可看出，在所有IP下，核態(tài)顆粒物平均粒徑隨SOI的變化規(guī)律在不同CE下表現(xiàn)不同。當(dāng)CE為885 J時，隨著 SOI的提前，核態(tài)顆粒物平均粒徑整體呈先增后降的趨勢，而當(dāng)CE增加為1 380和1 700 J時，隨著SOI的提前，核態(tài)顆粒物平均粒徑降低。此外，在不同CE和IP下，核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨SOI的提前而降低，CE增加后，SOI對核態(tài)顆粒物平均粒徑和數(shù)量濃度的影響程度均降低。從圖12a和圖12b中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使核態(tài)顆粒物平均粒徑和數(shù)量濃度均增加，并且CE的增加不改變IP對核態(tài)顆粒物平均粒徑和數(shù)量濃度的影響規(guī)律，但會使IP對核態(tài)顆粒物平均粒徑和數(shù)量濃度的影響程度均降低。

圖10c和圖10d為聚集態(tài)顆粒物的排放特性。從圖10c和圖10d中可看出，在所有IP下，隨著CE的增加，聚集態(tài)顆粒物平均粒徑隨著 SOI的提前從保持恒定變?yōu)橄仍龊蠼?。在不同CE和IP下，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨著 SOI的提前呈先降后增的趨勢，SOI對聚集態(tài)顆粒物平均粒徑和數(shù)量濃度影響程度的變化無明顯規(guī)律性。從圖10c和圖10d中還可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使聚集態(tài)顆粒物平均粒徑降低，而IP對聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的影響無明顯規(guī)律性。例如，當(dāng)CE為885和1 700 J時，IP的增加使聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度降低，而CE為1 380 J時，IP的增加使聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度大幅度增加。

圖10 不同CE下SOI與IP對核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物平均粒徑和數(shù)量濃度的影響Fig.10 Effects of SOI and IP on average particle size and number concentration of nuclear and aggregate particles under different CEs

不同CE下SOI與IP對顆粒物總質(zhì)量濃度的影響如圖11所示。從圖11中可看出，在不同CE和IP下，顆粒物總質(zhì)量濃度隨 SOI的提前呈相似的變化規(guī)律，即當(dāng)SOI=?5～?12 °CA ATDC 和 SOI=?20～?30 °CA ATDC時，顆粒物總質(zhì)量濃度隨 SOI提前而變化的幅度很小，而當(dāng)SOI=?12～?20 °CA ATDC時，顆粒物總質(zhì)量濃度隨SOI的提前而降低。此外，CE的增加基本不改變SOI對顆粒物總質(zhì)量濃度的影響規(guī)律和程度，而在不同 CE和SOI下，IP的改變對顆粒物總質(zhì)量濃度的影響無明顯規(guī)律性。

圖11 不同CE下SOI與IP對顆粒物總質(zhì)量濃度的影響Fig.11 Effects of SOI and IP on total particulate mass concentration under different CE

3 討 論

通過梳理傳統(tǒng)柴油燃燒（Conventional Diesel Combustion，CDC）的相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：RCCI的燃燒與排放特征參數(shù)隨SOI與IP的變化和CDC的存在諸多異同。一方面，RCCI與CDC相比，SOI的變化范圍更大。一般來說，對于單次噴射，CDC的SOI調(diào)整范圍多在?25～5 °CA ATDC之間[32-33]，過早或過晚的 SOI都會造成燃燒不良，使排放惡化、發(fā)動機效率降低[34-35]。而 RCCI由于具有缸內(nèi)混合氣活性分層的特點，使其SOI的調(diào)整范圍拓展到?90～5 °CA ATDC之間[36-37]。不僅如此，與CDC相比，SOI對RCCI燃燒與排放特征參數(shù)的影響程度可能更大。如在相同 SOI提前量下，RCCI滯燃期的變化量比CDC更大[26]。而RCCI的燃燒與排放特征參數(shù)隨SOI的變化規(guī)律與CDC類似[26]。另一方面，IP受爆震、工藝技術(shù)等因素的限制，使IP的變化范圍在不同燃燒模式下區(qū)別不大，且通過文獻(xiàn)對比發(fā)現(xiàn)，IP對RCCI和CDC燃燒與排放特征參數(shù)的影響規(guī)律類似。如隨著IP的增大，顆粒物排放總質(zhì)量均呈減小趨勢[38-39]，這可能是由于進(jìn)氣壓力增加后，缸內(nèi)混合氣的當(dāng)量比下降，缸內(nèi)氧氣量增加，從而降低了碳煙排放。由此可見，SOI對RCCI的燃燒與排放特性的影響和CDC存在明顯差異，而IP的影響不明顯。

4 結(jié) 論

本文在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和汽油能量預(yù)混比為 65%的條件下，試驗研究了不同循環(huán)能量（Cycle Energy，CE）下噴油定時（Start of Injection，SOI）與進(jìn)氣壓力（Inlet Pressure，IP）對汽油/柴油RCCI燃燒和排放特性的影響，主要結(jié)論如下：

1）對于燃燒特性，SOI和IP對所有燃燒特征參數(shù)的影響規(guī)律基本都不隨CE的增加而改變。但當(dāng)CE從885增加到 1 700 J時，SOI對低溫放熱過程、對累計放熱量、對缸內(nèi)溫度和壓力升高率等的影響程度增加，CE從885增加到1 700 J后，SOI對缸內(nèi)平均溫度峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約130 K，125 kPa下的SOI對壓力升高率峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約0.13 MPa/°CA；IP對高溫放熱過程、對缸內(nèi)溫度、對壓力升高率和熱效率的影響程度增加，CE從885增加到1 700 J后，IP對高溫放熱過程的放熱率峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約21 J/°CA，IP對缸內(nèi)平均溫度峰值的調(diào)節(jié)范圍增加約 70 K。然而，CE的增加不改變SOI和IP對滯燃期的影響程度，也不改變SOI對高溫放熱過程及熱效率和IP對累計放熱量的影響程度。

2）對于氣體排放物，CE的增加使 CO排放隨 SOI提前而變化的規(guī)律從先降后增變?yōu)橐恢苯档?，而其余氣體排放物隨SOI和IP而變化的規(guī)律不受CE的影響。但CE的增加使SOI和IP對HC排放的影響程度均大幅降低，在1 700 J的CE下，SOI和IP的改變幾乎都不使HC排放變化，因此在大CE下SOI和IP不再適用于調(diào)整HC的排放；CE的增加還使IP對NOx排放的影響程度略微增加，CE從885 增加到1 700 J使IP對NOx排放的調(diào)節(jié)范圍增加約 3 g/(kW·h)。然而，CE的增加不改變 IP對CO排放和SOI對NOx排放的影響程度。

3）對于顆粒物排放，當(dāng)CE從885增加到1 700 J時，核態(tài)顆粒物平均粒徑隨 SOI提前而變化的規(guī)律從先增后降變?yōu)橐恢苯档?，聚集態(tài)顆粒物平均粒徑隨 SOI提前而變化的規(guī)律從保持恒定變?yōu)橄仍龊蠼?，CE的增加使SOI和IP對核態(tài)顆粒物的影響程度均降低，在1 700 J的CE下，核態(tài)顆粒物平均粒徑和數(shù)量濃度幾乎都不隨 SOI和IP的改變而變化。然而，CE的增加不改變SOI對顆粒物總質(zhì)量濃度的影響程度。