汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機性能影響的研究

史曉剛　李旭聰　康志強　趙衛平　王　　超　趙中芹　高定偉（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

·研究·開發·

汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機性能影響的研究

史曉剛1，2李旭聰1，2康志強1，2趙衛平1，2王超1，2趙中芹1，2高定偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：以一臺柴油機為原型機，增加進氣道汽油噴射系統，實現進氣道預混噴射汽油缸內直接噴射柴油引燃的燃燒模式，對汽柴油雙燃料發動機性能進行深入的研究。研究顯示：汽柴油雙燃料發動機缸內燃燒壓力和放熱率峰值隨著汽柴油比例的升高逐漸降低，并且CA50依次推后；雙燃料發動機燃油消耗率呈現先降低后升高的趨勢，并且在汽柴油比例65%左右取得最低值；NOx排放和Soot排放隨著汽柴油比例的升高呈現單調降低趨勢，并且在汽柴油比例85%左右接近零排放。

關鍵詞：汽柴油雙燃料汽柴油比例噴油正時發動機性能

引言

飛漲的石油價格和惡化的大氣污染推動著發動機向節能減排的趨勢發展。壓燃式內燃機因其高熱效率越來越得到廣泛關注，但是傳統柴油機固有的燃燒特性而產生諸多Soot和NOx有害排放物。近年來，為消除Soot和NOx排放物，柴油機尾氣管加裝大量的后處理設備。消除排放物的同時，后處理設備加裝會帶來油耗的提升和二次能源的消耗。所以，為了使發動機效率最大化，后處理設備必須盡量簡化甚至不用。

為了能夠在機內凈化有害排放物，內燃機專家學者進行了諸多試驗和模擬研究。目前，絕大多數內燃機燃燒模式均能夠歸為預混低溫燃燒（LTC）模式。LTC模式其較低的燃燒溫度可以抑制NO的生成而減少NOx排放物[1～3]。再者，LTC可以延長燃料滯燃期為燃料與空氣混合提供充分的時間形成更為均質的混合氣，進而有效降低Soot排放。許多專家推薦HCCI和PCCI燃燒模式，可以同時降低NOx和Soot排放。相比于傳統的擴散燃燒，預混的LTC燃燒不僅可以大幅降低NOx和Soot排放，同時還可以提升熱效率。其熱效率提升主要有兩條重要因素：

1）預混LTC燃燒通常工作混合氣較?。ɑ旌蠚獾南♂屚ǔ２捎迷鰤哼M氣或者增加EGR率等手段）的工況范圍。缸內稀混合氣燃燒溫度會得到有效降低，進而減少傳熱損失，提升發動機熱效率；

2）發動機熱效率還可以通過改善著火和燃燒結束正時手段提升。相比于傳統擴散燃燒，預混LTC燃燒期受控于化學反應進程而得到有效縮短。

預混壓縮點燃PCI（Premixed Compression Ignition）燃燒方式能夠同時有效降低Soot、NOx排放并提升發動機熱效率，具有光明的應用前景。然而，若實現上述良好效果，需要精確耦合燃料噴射正時和燃燒相位之間的關系而形成合適的混合氣充量。而傳統柴油機的燃料噴射策略不能滿足PCI要求。因為PCI燃燒受控于燃料化學反應進程，對進氣溫度要求十分苛刻。為了能夠在發動機運行全工況范圍內滿足PCI燃燒要求，可以通過改變缸內燃料化學特性實現[4～7]。近年來，威斯康辛大學提出了RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）新型燃燒方式，可以通過進氣道噴入汽油預混，再通過缸內直接噴入柴油引燃的方式實現預混壓縮點燃。

本研究以傳統柴油機為原型機在進氣道加裝汽油噴射系統，采用汽油預混柴油擴散燃燒的新型燃燒模式，實現汽柴油雙燃料在缸內混合燃燒降低有害排放物的目標。本文主要研究汽柴油比例和EGR率對汽柴油雙燃料發動機性能影響，為汽柴油雙燃料技術廣泛推廣和應用提供良好的技術支持。

圖1　發動機臺架示意圖

1　試驗設備與方法

試驗原型機為長城汽車公司生產的4D20型柴油機，其主要技術參數見表1。試驗裝置系統如圖1所示。

如圖1所示，在原柴油機的基礎上增加了一套進氣道汽油噴射的供油系統，來形成進氣道噴射汽油燃料，缸內噴射柴油燃料的雙燃料燃燒模式。雙燃料發動機的兩種燃料的噴射軌壓、噴射正時、噴射持續期以及兩種燃料的供給比例均可以靈活調節。

在此試驗研究中，發動機與AVL公司生產的電渦流測功機相連，采用AVL公司生產的AVL GH13P壓電式傳感器連接AVL 4P3G電荷放大器進行缸內燃燒壓力數據的測??；采用AVL燃燒分析儀對測取的燃燒數據進行整理分析；采用 HORIBA 7500DEGR排放設備對NOx，THC和CO常規排放物進行檢測；采用AVL 415S煙度計對尾氣中的PM進行檢測；試驗中所用汽油牌號為93#，柴油牌號為0#歐五。

本文中所提到的汽柴油比例和油耗消耗率均指以下定義：

表1　發動機主要技術參數

汽柴油雙燃料發動機采用進氣道噴射汽油和缸內噴射柴油兩種供油方式，形成汽油預混柴油引燃的燃燒模式。其中進氣道噴入的汽油，在進氣行程中與空氣充分混合形成均質混合氣；缸內直噴柴油采用預噴和主噴兩次噴射，預噴柴油引燃預混汽油做功，主噴柴油彌補汽油燃燒不足的一部分功率。

2　試驗結果與分析

為了研究在不同增壓壓力下不同汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機性能的影響，本文以1800 r/min@50N·m工況為例進行試驗研究。汽柴油雙燃料發動機試驗工況具體運行參數見表2。試驗中，汽柴油雙燃料發動機不引入EGR，柴油噴射軌壓固定在50 MPa，主噴正時為28°CA BTDC。

2.1汽柴油比例對缸內燃燒特性的影響

為了探究不同汽柴油比例混合燃料在發動機缸內燃燒特性，本次試驗在1800 r/min@50 N·m工況點以增壓壓力0.11 MPa為例進行了五種汽柴油比例燃料缸內燃燒特性測試試驗和分析，如圖2所示。

表2　發動機運行參數

圖2　不同汽柴油比例缸內燃燒特性

上圖為汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機缸內燃燒壓力、燃燒放熱率和CA50的影響。從圖中可以看出，汽柴油雙燃料在發動機缸內燃燒的最大壓力隨著汽柴油比例的增加呈現出逐漸遞減的趨勢。對于放熱率，汽柴油混合燃料的放熱率峰值同樣呈現出隨著汽柴油比例的增加而降低的趨勢，并且峰值對應的曲軸轉角依次后推。同時，汽柴油混合燃料的放熱率峰值隨著汽柴油比例的升高由尖而窄的形狀逐漸變為鈍而寬的形狀。再者，汽柴油混合燃料CA50隨著汽柴油比例升高呈現單調升高的趨勢。

汽柴油混合燃料發動機采用進氣道噴射汽油預混柴油缸內直噴引燃的燃燒模式。因此汽柴油雙燃料發動機兼有預混燃燒和擴散燃燒二者的燃燒特性。由于汽油低十六烷值的固有物理化學特性，故汽油與空氣的混合氣并不能在缸內壓燃，需要柴油引燃著火。因而汽油預混柴油引燃燃燒模式采用柴油正時和柴油比例來控制燃燒特性。本試驗采用柴油單次噴射，且噴射時刻保持在-28°CA ATDC固定不變。因此，柴油比例即汽柴油比例對汽柴油混合燃料的燃燒特性影響很大。隨著汽油比例升高即柴油比例降低，燃料活性降低進而會延長混合燃料滯燃期，同時會降低混合燃料燃燒速率。如圖2所示，缸內混合氣的缸內燃燒壓力和放熱率最大峰值會隨著汽柴油比例的提升而降低。

2.2汽柴油比例對燃油消耗率的影響

圖3為汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機燃油消耗率的影響曲線。由圖可知，在不同增壓壓力工況下，燃油消耗率隨著汽柴油比例的增加呈現先降低后升高的趨勢。在相同汽柴油比例工況下，增壓壓力越大汽柴油雙燃料發動機燃油消耗率越高；同時，隨著汽柴油比例的增加汽柴油雙燃料發動機燃油消耗率呈現單調升高的趨勢。

圖3　汽柴油比例對燃油消耗率的影響

在本文試驗條件和試驗工況下，增壓壓力的提升會增加發動機的泵吸損失。因為提高增壓壓力是通過改變渦輪調節葉片從而減小廢氣流通截面積而實現的。因此，若使增壓壓力提高，則發動機排氣阻力增加，必然導致泵氣損失增加。因此在相同汽柴油比例條件下，增壓壓力越大，汽柴油雙燃料發動機的燃料消耗率越高。

汽柴油雙燃料發動機采用汽油預混柴油引燃的燃燒模式。在汽柴油比例較低時，混合燃料的預混燃燒比例較低會導致一定程度上的燃燒損失。汽柴油比例較大時，混合燃料中用于引燃的活性物質較少會導致滯燃期延長，進而燃料在活塞下行期間還繼續放熱導致此部分燃料燃燒做功能力下降，而使得燃油消耗率惡化。綜合上述因素，汽柴油雙燃料發動機燃油消耗率隨著汽柴油比例的升高而呈現出先降低后升高的趨勢。

2.3汽柴油比例對排放的影響

為了探究汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機排放性能的影響，本試驗分別測試了NOx、PM、THC和CO常規排放物。發動機具體運行參數見表2。

圖4為汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機NOx排放的影響。由圖可知，汽柴油雙燃料發動機在3種不同增壓壓力工況下均呈現隨著汽柴油比例的升高而單調降低的趨勢。同時，在汽柴油比例40%~65%之間，相同汽柴油比例條件下增壓壓力越大，汽柴油雙燃料發動機NOx排放越高。至于在汽柴油比例65%~85%之間，由于NOx排放數值很小，增壓壓力對其影響甚微。

圖4　汽柴油比例對NOx排放的影響

在發動機排放的NOx中占壓倒多數的是NO，其主要來源是參與燃燒的空氣中的氮?？諝庵械牡蒒O的化學機理是擴展的澤爾多維奇機理。NO的生成隨溫度的提高而呈指數函數急劇增加。當溫度低于1800 K時，NO的生成速率極低；到2000 K就達到很高的速率。故發動機氣缸內所達到的最高燃燒溫度為影響NOx生成量的最重要因素。汽柴油雙燃料發動機采用汽油預混柴油引燃的燃燒模式。隨著汽柴油比例的升高，做為引燃燃料的柴油比例逐漸降低，推遲了缸內混合氣的燃燒相位進而降低了缸內溫度。故隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發動機的NOx排放呈現單調降低。在相同汽柴油比例條件下，隨著增壓壓力的升高，發動機的排氣背壓會升高，進而導致發動機缸內廢氣殘留量升高。較高的殘余廢氣能夠起到內部EGR作用，有效抑制NOx排放的生成。在相同汽柴油比例條件下，增壓壓力越高，NOx排放越低。

圖5為汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機Soot排放的影響。由圖可知，隨著汽柴油比例的提升，汽柴油雙燃料發動機Soot排放呈現單調遞減趨勢，在汽柴油比例85%時接近于零排放。同時，在汽柴油比例40%~65%區間，汽柴油雙燃料發動機增壓壓力越大，Soot排放越高。

圖5　汽柴油比例對Soot排放的影響

發動機Soot排放主要由燃料中含有的碳產生，其生成條件是高溫缺氧。雖然汽柴油雙燃料發動機總體是富氧燃燒，但是噴入缸內的柴油因其擴散燃燒局部缺氧還是會導致Soot的生成。正如上文所述，汽柴油雙燃料發動機采用汽油預混柴油引燃的新型燃燒模式。隨著汽柴油比例的升高，預混汽油比例增加，缸內混合氣混合更加均勻，有效降低了Soot排放物的產生。隨著汽柴油比例的升高，Soot排放呈現單調降低的趨勢。如上文所述，汽柴油雙燃料發動機增壓力提升會造成排氣背壓升高而提升缸內廢氣殘余量。缸內廢氣殘余量的存在導致缸內燃料缺氧而生成較多的Soot。

圖6和7分別為汽柴油比例對THC排放和CO排放的影響。由圖可知，汽柴油雙燃料發動機THC排放和CO排放均遠高于傳統柴油機。同時，THC排放和CO排放均隨著汽柴油比例的升高而呈現單調升高的趨勢。

圖6　汽柴油比例對THC排放的影響

圖7　汽柴油比例對CO排放的影響

正如上文所示，汽柴油雙燃料發動機采用進氣道噴射汽油預混缸內直噴柴油引燃新型燃燒模式。進氣道噴入的汽油有足夠時間在缸內與空氣形成均質混合氣，并且進入缸內各種縫隙中。故汽柴油雙燃料發動機THC排放和CO排放遠高于傳統柴油機，并且隨著汽柴油比例的升高而呈現單調升高的趨勢。

3　結論

在本文研究條件下，在1800 r/min@50 N·m工況點通過研究汽柴油比例對汽柴油雙燃料發動機性能的影響，得出以下結論：

1）隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發動機缸內壓力和燃燒放熱率峰值呈現逐漸降低趨勢，并且CA50依次推后。

2）隨著汽柴油比例的升高，汽柴油雙燃料發動機燃油消耗率呈現先升高后降低的趨勢，在汽柴油比例65%時取得最低值265 g/（kW·h）。

3）隨著汽柴油比例的升高，NOx排放和Soot排放均呈現單調降低的趨勢，并且在汽柴油比例為85%時接近零排放。THC排放和CO排放遠高于傳統柴油機。

參考文獻

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中圖分類號：TK421+.28

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0001-06

收稿日期：（2015-01-18）

作者簡介：史曉剛（1986-），男，學士，主要研究方向為內燃機燃燒與排放凈化技術。

通訊作者：李旭聰（1984-），男，博士，主要研究方向為內燃機燃燒與排放凈化技術。

A Study on the EffectofGasoline/DieselRateon Perform ance of Gasoline/DieselDual-Fuel Engine

ShiXiaogang1，2，LiXucong1，2，Kang Zhiqiang1，2，ZhaoWeiping1，2，W ang Chao1，2，
Zhao Zhongqin1，2，Gao Dingwei1，2
1-TechnicalCenter,GreatWallMotorCo.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：A prototype diesel engine wasmodified into dual-fuel engine to which was added gasoline injection system for realizing the premixed combustionmodel.The performance ofgasoline/dieseldual-fuel engine was studied deeply,depending on gasoline injected into intake manifold and ignited by diesel directly injected into cylinders.The results indicated:the peak values of combustion pressure in-cylinder and rate of heat release of gasoline/diesel dual-fuel engine gradually decrease and CA50 also retards as gasoline diesel rate rises.Meanwhile，BSFC of dual-fuel engine shows trends of rising firstly and decreasing then，and the minimal value is got at 65%of gasoline diesel rate；NOxemission and Soot emission decreaseasgasoline diesel rate rises，and reach zeroemission at85%ofgasoline diesel rate.

Keywords：Gasoline/dieseldual-fuelengine，Gasoline/diesel rate，Injection timing，Engine performance