燃料敏感性對內燃機部分預混燃燒(PPC)光譜特性的影響研究

劉海峰， 明鎮洋， 文銘升， 崔雁清， 劉 威， 堯命發

天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室， 天津 300072

引 言

柴油機由于具有較高的熱效率和耐久性被廣泛應用于交通運輸領域[1]。 傳統的柴油燃燒(CDC)模式產生較高的碳煙和NOx排放， 需要采用復雜的后處理系統滿足越來越嚴格的排放法規。 為了降低缸內原始排放并獲得更高的熱效率， 許多先進燃燒概念被提出， 例如： 均質壓燃(HCCI)、 部分預混燃燒(PPC)、 活性控制壓燃(RCCI)等。

HCCI模式可以實現高熱效率同時獲得極低的NOx排放和碳煙排放。 但是， HCCI燃燒反應速率受燃料的化學反應動力學控制， 一旦負荷提高， 缸內噴射燃料的能量增大， 多點同時著火導致燃燒爆發壓力和壓力升高率均顯著增大， 很容易超過發動機設計的機械強度(當前發動機可承受的最大爆發壓力約16～22 MPa)， 導致發動機受損。 因此， 近年來PPC燃燒模式受到廣泛關注。 與HCCI早噴或氣道噴射形成的均質混合氣相比， PPC燃燒模式噴射時刻一般在-60～-25°CA ATDC， 介于HCCI早噴和傳統柴油機噴射之間。 因此， 其燃燒特征介于HCCI的預混壓燃和傳統柴油機擴散壓燃之間， 被稱為部分預混壓燃[2]。 研究表明， 與HCCI多點自燃不同， PPC燃燒過程存在自燃和火焰傳播過程， 因此有效抑制了過快的燃燒反應速率， 較HCCI的燃燒可控性更高， 拓展了HCCI高效清潔運行的工況范圍。

PPC模式中采用柴油類高十六烷值燃料時， 需要引入大量廢氣再循環(EGR)來抑制缸內過早的自燃， 才能實現所需的高十六烷值燃料的部分預混合過程。 然而， 引入過多的EGR會降低燃燒效率、 增加未燃碳氫和一氧化碳排放， 甚至導致發動機失火。 因此， 近年來國內外研究更多采用汽油類高辛烷值燃料實現PPC模式， 通過燃料特性調控實現更長的滯燃期和更大比例的預混合氣。 Kalghatgi等[3]研究表明， 與柴油相比汽油PPC可以進一步降低NOx和碳煙排放。 An等[4]研究低辛烷值(RON)燃料 (RON從50到77)對PPC燃燒模式的影響， 結果表明在較低的進氣溫度下燃燒穩定性提高， 并且多次噴射策略可以在較低的進氣溫度下進一步改善燃燒穩定性。

同時， 研究表明燃料敏感性提高， 有利于改善燃料的抗爆性， 進一步滿足燃料與發動機協同優化需求[5]。 Javed等[6]研究表明高敏感性燃料在低溫下反應緩慢， 而在高溫下具有高反應活性， 并顯示出較低敏感性燃料更強的負溫度系數(NTC)行為。 鄭尊清等[7]在一臺改造的單缸試驗發動機上進行了燃料敏感性對PPC燃燒和排放特性影響研究， 采用不同敏感性的燃料為配制的甲苯摻混燃料和市售92#汽油。 研究表明： 燃料敏感性越高， 滯燃期越長， 油氣混合越充分， 預混燃燒比例越大， NOx排放越高。 燃燒重心(CA50)隨著敏感性的增加先推遲后提前， 燃料敏感性越低， 壓升率越低。 Shi等[8]在一臺光學發動機中測試了三種相同辛烷值， 不同敏感性的燃料PRF77(S=0)， TPRF77-a(S=3)和TPRF77-b(S=5)對發動機燃燒以及PPC模式下排放的影響， 結果表明較高的敏感性通常會導致初始燃燒時刻延遲， 滯燃期延長， 延遲CA50的燃燒相位以及燃燒持續期， 對于敏感性較低的燃料會出現一些明亮的小斑點， 燃燒過程有更高的未燃碳氫和CO排放。

乙醇燃料因其可再生性和原料來源廣泛的特點被國內外廣泛關注。 目前， 汽油與乙醇的混合燃料在很多國家得到推廣應用。 此外， 乙醇具有更高的RON值和燃料敏感性， 因此可以顯著改變燃料活性和敏感性。 Fan等[9]在光學快速壓縮機(RCM)中， 使用包含正庚烷/異辛烷/乙醇， 不同的敏感性0和8的兩種燃料， 進行了試驗和模擬研究， 探究其對火焰速度的影響。 結果表明， 高敏感性燃料的火焰速度比低敏感性燃料的火焰速度對壓力的依賴性更大。 Szybist等[10]為探究燃料敏感性對SI發動機抗爆性的影響， 設計了三種燃料， RON幾乎保持恒定(RON=99.2～100)并改變S(S=0， 6.5和12)。 結果表明， 在平均指示壓力10 bar下， 抗爆性與S成反比， 其中S=0燃料抗爆性最好。 隨著負荷的增加， 趨勢發生逆轉， 并且抗爆性與燃料S成正比， 其中S=12燃油具有最高的抗爆性。

基于上述研究可知， 燃料敏感性對發動機燃燒過程有重要影響， 但針對燃料敏感性對PPC模式下燃燒火焰發展歷程的研究較少， 相關的影響機制和規律有待探明。 因此， 本文在一臺光學發動機上， 選用正庚烷、 異辛烷、 乙醇燃料， 采用燃燒火焰自發光成像與燃燒自發光光譜測量方法， 研究PPC模式下燃料敏感性對發動機燃燒特性和火焰發展的影響規律， 為PPC模式下燃燒控制和燃料選擇提供參考。

1 實驗部分

試驗裝置如圖1所示， 主要由光學發動機、 燃油噴射系統和圖像采集系統組成。 光學發動機由一臺水冷、 四缸、 直噴柴油機改造而成， 僅保留了原機的第三缸作為光學診斷的工作缸， 基本參數如表1所示。 燃燒室結構與可視區域如圖2所示。

圖1 光學發動機測試示意圖[11]

圖2 燃燒室的結構和視場示意圖

表1 光學發動機結構參數

試驗過程中光學發動機以1 200 r·min-1的速度運行， 博世共軌直噴系統提供600 bar的噴射壓力， 發動機渦流比約為1.5。 發動機以跳火模式運行， 每隔20個非著火循環后有1個著火循環， 以減少石英窗熱應力和對光學窗口的污染。 為了保證可視化范圍， 對燃燒室結構進行了改動設計， 導致改造后的幾何壓縮比為11。 為了保證PPC燃燒過程的穩定性， 將進氣溫度加熱至125 ℃。 根據絕熱壓縮過程計算表明， 在活塞上止點處壓縮溫度約900 K。

火焰自發光成像試驗中， 燃燒室火焰的圖像信號通過加長活塞頂部的石英玻璃， 經過45°紫外反光鏡反射， 最后由高速相機記錄火焰自發光圖像。 高速相機(Photron SA5， 日本)配備尼康50 mm焦距鏡頭， 光圈數設置為F1.4。 幀速率和曝光時間設置為每秒20 000幀和50 μs。 圖像分辨率為512×512像素。

自發光光譜的試驗過程中， 光譜儀的光纖探頭布置在環形石英窗口一側接收燃燒過程中自發光信息， 光譜儀測量范圍是275～525 nm， 分辨率為3 nm， 可以對近紫外波段的羥基(OH)， 可見光波段的甲醛(CH2O)， CH自由基， CO氧化連續光譜等燃燒發光光譜進行采集。 裝有圖像增強器的ICCD探測器可以在納秒級門寬下捕捉光信號， 其光譜采集范圍為115～920 nm， 可滿足光譜信號采集的需求。

本文選用了具有相同辛烷值(RON=50)高、 低敏感性(S=6與S=0)的兩種燃料。 高敏感性S=6的燃料， 由正庚烷、 異辛烷、 乙醇按照體積分數66.4%， 16.6%， 17%混合而成。 低敏感性S=0的燃料由正庚烷和異辛烷按體積分數50%， 50%混合而成， 試驗所用燃料特性如表2所示。

表2 測試燃油物理性質

此外， 本文還研究了不同的噴油時刻(start of injection， SOI)對高、 低敏感性燃料的影響， SOI值分別為-25， -15和-5°CA ATDC， 分別對應典型的PPC噴射時刻， PPC模式到CDC模式的過渡條件， 典型CDC噴射時刻。 具體的試驗條件如表3所示， 其中高敏感性燃料噴油量略高以保證缸內輸入的燃料熱值相當。

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表3 試驗條件

2 結果與討論

2.1 不同敏感性燃料的燃燒過程

圖3為-25°CA ATDC噴油時， 高、 低敏感性燃料的缸內燃燒壓力、 放熱率和火焰發展圖像。 圖3(a)表明， 兩種不同敏感性燃料均能觀測到低溫和高溫放熱過程， 而且高敏感性燃料的低溫和高溫著火時刻較低敏感性燃料均推遲。 圖3(b)和(c)分別為S=0和6的燃燒火焰自發光高速成像圖。 圖中表明， 燃燒前期以藍色火焰為主， 主要原因是在-25°CA ATDC時刻噴油， 滯燃期較長， 有較充足的時間形成很好的預混合氣， 因此以藍色火焰為主導， 從燃燒圖像中推測未生成碳煙， 后續會結合光譜進一步分析。 燃燒后期， 高低敏感性燃料分別在10.96和9.52°CA ATDC觀測到亮黃色火焰， 表明局部過濃區可能有碳煙生成。 兩種燃料火焰發展過程相似， 都是從近壁面區域開始著火向燃燒室中心發展， 即存在類似火焰傳播過程， 又在燃燒室下部未燃區域形成新的著火自燃點， 這一現象與之前PPC燃燒研究相同。 在火焰圖像紅色框中， 存在位于氣缸中心的亮黃色斑點， 這是由于噴油器在噴油結束后因噴油壓力過低造成部分燃油霧化不良， 油粒過大， 導致了噴油嘴附近碳煙的生成。 上述分析表明， 燃料敏感性對燃燒相位影響較大， 對缸內燃燒火焰發展歷程影響很小， 不同敏感性的燃料燃燒火焰發展過程相近。

圖3 -25°CA ATDC噴油， 高低敏感性(S=0， 6)燃料對缸壓放熱率和火焰發展的影響

在-15°CA ATDC噴油時， 高、 低敏感性燃料缸壓放熱率和火焰發展圖像如圖4所示。 由圖4(a)可知， 高、 低敏感性燃料對缸壓和放熱率的影響規律與-25°CA ATDC相近， 與低敏感性燃料相比， 高敏感性導致高溫放熱階段滯燃期延長了約3°CA。 與-25°CA ATDC噴射不同的是此時的燃燒反應更劇烈， 放熱率峰值更高。 從圖4(b)和(c)也可以觀測到該噴射時刻下， 燃燒火焰發光更亮， 火焰占滿整個燃燒室區域時間約4°CA， 燃燒反應速率比-25°CA ATDC時刻的反應速率更快。 噴油時刻在-15°CA ATDC， 恰好位于PPC向CDC的過渡區域， 因此亮白色的火焰出現的更快， 表明在此噴油時刻下碳煙出現時刻更早。 從整體火焰發展過程看， 該噴油時刻燃料敏感性對整體火焰發展的影響與-25°CA ATDC噴油時刻下類似。

圖4 -15°CA ATDC噴油， 高低敏感性(S=0， 6)燃料對缸壓放熱率和火焰發展的影響

在-5°CA ATDC噴油時， 高、 低敏感性燃料的缸壓、 放熱率和火焰發展情況如圖5所示。 該噴油時刻屬于典型的柴油機燃燒模式， 但是由于燃料辛烷值相對柴油更高， 因此著火滯燃期顯著延長， 導致圖5(a)所示燃燒放熱時刻過于推遲， 放熱量很小， 缸內燃燒壓力低。 因此， 燃料敏感性對缸壓和放熱率的影響不顯著， 沒有呈現更早噴射時刻下高敏感性燃料燃燒推遲的現象， 但是從圖5(b)和(c)的燃燒著火圖像中可以看到高敏感性燃料的火焰出現時刻較低敏感性燃料推遲。 圖5(b)和(c)表明與-25和-15°CA ATDC噴油時刻下的火焰發展不同， -5°CA ATDC噴油時刻下低感性燃料的燃燒初期藍色火焰首先出現在燃燒室中心， 之后藍色火焰從中心向周圍擴散， 呈現火焰傳播為主導的燃燒過程。 這主要是缸內燃燒滯后， 燃燒溫度降低， 很難形成新的自燃點， 只能等待火焰傳播過程消耗未燃混合氣。 燃燒后期， 局部混合氣過濃區導致亮黃色火焰面積逐漸增大并向周圍擴散。 高敏感性燃料的火焰發展過程與低敏感性燃料類似， 但燃燒后期黃色火焰的亮度與面積減小， 這可能是高敏感性燃料增加了乙醇， 其含氧作用抑制碳煙生成并促進了后期碳煙氧化。 此時滯燃期足夠長， 混合的影響不占主導因素， 因此含氧燃料的氧化作用是主要因素。

圖5 -5°CA ATDC噴油， 高低敏感性(S=0， 6) 燃料對缸壓、 放熱率和火焰發展的影響

圖7 -25°CA ATDC噴油， 高低敏感性燃料強度的偽色圖

2.2 不同敏感性燃料的自發光光譜

圖6分別為噴油時刻-25°CA ATDC，S=0和6時火焰自發光光譜， 圖中光譜結果是5個著火循環平均所得， 且實驗過程中的光譜范圍275～525 nm滿足實驗要求。 同時， 采用Savitzky-Golay濾波和三次樣條插值算法[14]， 該方法可以對光譜數據進行平滑處理并且提高圖像分辨率， 光譜強度偽色圖如圖7所示。 圖6(a)可知， 從5°CA ATDC開始出現了微弱的CH (431.4 nm) 和OH (310 nm)帶狀光譜， 此時對應圖3 (a) 的放熱過程也進入高溫階段； 到7°CA ATDC時， OH和CH更加明顯， 表明燃燒反應更加劇烈， 這些光譜被疊加到CO氧化連續譜 (350～500 nm之間)上。 隨曲軸轉角推遲， OH強度逐漸增大， 在11°CA ATDC時， OH譜帶光強最強， 且整體光譜強度達到最高值， 光譜區域的峰值移動到約435nm左右。 此時燃燒放熱過程基本結束， 燃燒火焰已從藍色火焰向亮黃色火焰轉化， 此時自發光主要來自碳煙輻射， OH自由基氧化碳煙開始被大量消耗。 在13°CA ATDC時， 總體光譜光強開始降低， 光譜強度峰值在450 nm左右， 表明此時CO氧化過程主導的化學發光光譜減弱。 在20和30°CA ATDC時刻下的整體光譜趨勢與13°CA ATDC相同， 整體光譜強度依次降低， 此時除了碳煙輻射， OH化學發光仍存在， 這是由于OH既是高溫放熱階段的標志也是碳煙氧化的重要組分。 由圖6(b)的S=6光譜可知， 在9°CA ATDC開始出現OH和較弱的CH， 相比于S=0延遲出現， 這是由于高敏感性燃料延長了滯燃期， 推遲了高溫反應過程。 隨著曲軸轉角推遲， 光譜的變化趨勢與低敏感性的趨勢相同。 從波長與位置來看， 前述的不同敏感性燃料火焰光譜特征可以在圖7中觀察到， 并且可以看出， 不同敏感性的燃料火焰的光譜規律類似。 然而， 隨著敏感性的增加， 光譜強度峰值降低， 這是由于高敏感性燃料滯燃期延長同時含有乙醇， 促進了混合并抑制了碳煙生成， 減弱了后期的碳煙輻射[15]。

圖8(a)和(b)分別表示-15°CA ATDC時刻噴油，S=0和6時的火焰自發光光譜。 當S=0時， 從9°CA ATDC開始出現微弱的OH和CH帶狀光譜， 光譜峰值在431 nm左右。 隨著曲軸轉角推遲， OH與CH的變化趨勢與-25°CA ATDC噴油相同， 在12°CA ATDC時， OH譜帶光強最強， 仍存在較弱CH光譜譜帶， 且整體光譜強度達到最高值。 在16°CA ATDC時高溫放熱反應結束， 整體光譜強度降低， 峰值在440 nm左右， 此時自發光主要來自碳煙輻射， 但仍存在CO氧化化學發光。 在20和30°CA ATDC時刻， 整體光譜強度依次降低， 峰值向更大的波長移動， 原因與-25°CA ATDC噴油時刻所述相同。 高敏感性燃料在10°CA ATDC出現較弱的OH與CH帶狀光譜， 相比低敏感性燃料推遲出現。

圖8 -15°CA ATDC噴油， 高低敏感性燃料自發光光譜

在12°CA ATDC， OH光譜強度達到最大， 光譜峰值在425 nm左右， 且光譜強度低于低敏感性燃料， 原因如上節所述。 如圖9(a)和(b)所示， 不同敏感性燃料的火焰光譜曲線類似，隨著敏感性增大， 光譜強度峰值降低。 圖9與圖7相比， -15°CA ATDC噴油時的光譜強度高于-25°CA ATDC， 說明在該噴油時刻下CO氧化過程與碳煙輻射更強。

圖9 -15°CA ATDC噴油， 高低敏感性燃料自發光光譜強度偽色圖

圖10 -5°CA ATDC噴油， 高低敏感性燃料自發光光譜

圖11 -5°CA ATDC噴油， 高低敏感性燃料自發光光譜強度偽色圖

3 結 論

在一臺光學發動機中， 運用火焰自發光成像與光譜分析法， 研究燃料敏感性對部分預混壓燃和傳統柴油燃燒模式下燃燒特性的影響。

(1)在典型的PPC模式下 (-25°CA ATDC噴油) ， 燃料敏感性對燃燒相位影響較大， 對缸內燃燒火焰發展歷程影響較小。 兩種燃料火焰發展過程相似， 都是從近壁面區域開始著火向燃燒室中心發展， 即存在類似火焰傳播過程， 又在燃燒室下部未燃區域形成新的著火自燃點。 高敏感性燃料抑制了OH和CH帶狀光譜出現的時刻且降低了光譜強度。

(2)在-15°CA ATDC噴油時刻， 高低敏感性燃料對缸壓放熱率的影響規律與-25°CA ATDC相近， 但是燃燒火焰發光更強， 燃燒反應更劇烈， 放熱率更高， 碳煙出現時刻更早。 該噴油時刻下的光譜強度高于PPC模式下的光譜強度。

(3)在-5°CA ATDC模式下， 燃料敏感性對缸壓和放熱率的影響不顯著。 燃燒初期藍色火焰首先出現在燃燒室中心， 之后藍色火焰從中心向周圍擴散， 呈現火焰傳播為主導的燃燒過程； 燃燒后期， 局部混合氣過濃區導致亮黃色火焰面積逐漸增大并向周圍擴散。 高、 低敏感性燃料的OH和CH帶狀光譜的出現時間相近。

(4)整體來看， 燃料的敏感性主要影響著火時刻和火焰自發光光譜強度， 對缸內火焰發展結構與自發光光譜特性影響很小， 火焰結構和光譜特性主要受噴油時刻影響。