汽油/柴油混合燃料对压燃式发动机燃烧及超细微粒排放的影响*

孙万臣,杜家坤，郭 亮, 肖森林, 范鲁艳, 李国良, 谭满志

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130025)



2015191

汽油/柴油混合燃料对压燃式发动机燃烧及超细微粒排放的影响*

孙万臣,杜家坤，郭 亮, 肖森林, 范鲁艳, 李国良, 谭满志

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130025)

对一台高压共轨增压中冷压燃式发动机燃用汽油/柴油混合燃料的燃烧和排放特性进行试验研究，分析不同汽油掺入比例对发动机的燃烧过程和微粒排放粒度分布的影响规律。结果表明，燃用汽油/柴油混合燃料改善了燃料的挥发性，有助于加快油气混合，增大预混合燃烧量，显著降低排气烟度，但会导致NOx排放增加，在较大负荷工况下更为明显。引入适当的废气再循环，可同时降低NOx和微粒排放。随汽油掺入比例的增加，燃烧持续期缩短，有利于改善燃烧定容性，配合EGR、喷油参数等燃烧边界条件的控制，合理匹配燃烧相位，有利于提高发动机热效率。但过大的汽油掺入比例易导致燃料着火性变差，滞燃期延长，燃烧相位过于推迟，热效率有所降低。燃用汽油/柴油混合燃料时，微粒数量浓度分布曲线中核态微粒与积聚态微粒数量浓度峰值均向小粒径方向移动。随着负荷的增加，预混合燃烧量减少，汽油掺入比例对微粒排放浓度的影响加大。在中等负荷工况下，汽油掺入比例在40%以上的混合燃料能够有效降低积聚态微粒数量浓度。

压燃式发动机；汽油/柴油混合燃料；燃烧；微粒排放粒度分布

前言

随着全球范围内对节能减排和低碳经济的不断重视，提高内燃机的燃烧热效率、降低燃油消耗和减少温室气体CO2排放受到普遍重视。以柴油机为代表的压燃式发动机由于热效率高、经济性好、功率范围宽广等优点获得广泛应用。但由于柴油机混合气形成时间短，缸内混合气均质性较差，不可避免地存在局部过浓区和高温区，导致NOx和微粒排放较高。针对传统柴油机上述问题，积极导入预混合化的燃烧模式将是实现高效清洁燃烧的有效手段[1]。

为促进油气混合气形成，提高燃料挥发性是促进油气混合的有效手段[2]。文献[3]中研究了燃料着火性、挥发性和芳烃含量对燃烧及排放的影响规律。结果表明，通过改善燃料挥发性，降低着火性，能够有效降低微粒排放，可实现发动机在更宽广负荷范围内实现高效清洁燃烧并有助于拓展实现高效清洁燃烧的工况范围。英国伯明翰大学通过将汽油与柴油进行混合制取了着火性与挥发性介于二者之间的燃料，命名为“dieseline”，研究发现采用汽油改善燃料挥发性并延长滞燃期，有助于实现高效清洁的部分预混压燃模式[4]。近年来，国内研究者也针对汽/柴油混合燃料开展了相关研究工作，取得了一些有意义的研究成果[5-9]。

现有研究主要针对汽油/柴油混合燃料燃烧和微粒质量排放特性开展工作，对于微粒数量排放的研究仍鲜见报道。已有研究表明柴油机排气微粒绝大多数为超细微粒(粒径小于100nm)[10]，这种细颗粒物体积小，质量轻，能长时间悬浮在大气中，燃烧过程产生的苯并芘等致癌物质易附着在其表面而深入人体肺泡，对环境及人类的健康造成极大危害[11]。因此，有必要开展进一步的研究。本文中针对压燃式发动机燃烧优化及降低排放污染物的需求，试验研究了汽油/柴油混合燃料及EGR对燃烧及超细微粒排放特性的影响规律，为内燃机实现高效清洁燃烧模式提供了新的思路。

1 试验装置和试验方案

1.1 试验用发动机和燃料

研究中采用一台高压共轨增压中冷柴油机，喷油时刻和喷油量采用开放式电控燃油喷射系统进行实时在线控制。试验用发动机主要技术参数如表1所示。试验中选取国IV-10#柴油与97#汽油作为基础燃料，试验燃料理化特性如表2所示。按不同体积比进行配比，获取了不同理化特性的试验燃料。文中将纯柴油记为G0，汽油含量为20%，30%，40%和50%的混合燃料分别记为G20，G30，G40和G50。

表1 发动机主要技术参数

表2 试验燃料理化特性

1.2 发动机测试与稀释取样系统

试验中采用的发动机测控系统主要由南峰机电设备公司生产的CW160程控式电涡流测功机、HORIBA 7100DEGR排气分析仪、AVL439消光烟度计、日本小野DS-9100燃烧分析仪和日本小野数字油耗仪等组成。缸压测量采用Kistler 6052C型缸压传感器，转角信号由Kistler 6124B型编码器输出，采样分辨率为0.25°CA，每个工况点示功图均采集100个循环进行平均以消除测量误差。为使排气在引入粒度仪前得到充分稀释，研究中采用排气二级稀释系统对发动机尾气进行稀释与降温。图1为试验台架示意图。

1.3 试验方案

选取典型的发动机最大转矩转速(1 800r/min)工况，燃油喷射模式采用单段喷射，喷油时刻(Tinj)为11°CA BTDC。本文中定义累积放热量为总放热量的10%和90%时所对应的曲轴转角为燃烧始点和燃烧终点，分别以CA10和CA90表示。滞燃期定义为燃烧始点与喷油始点之差。燃烧持续期定义为燃烧终点与燃烧始点之差。粒径小于50nm为核态微粒，50nm以上为积聚态微粒，粒径小于100nm的为超细微粒，核态微粒比例定义为核态微粒数量占总微粒数量的百分比。

2 试验结果与分析

2.1 汽油/柴油混合燃料排放特性分析

为探究不同混合气浓度条件下汽油掺入比例对排放的影响规律，试验中通过调整喷油脉宽来调整发动机负荷，不同负荷下平均指示压力分别为0.32，0.51，0.72，0.91，1.09和1.31MPa，对应的负荷率分别为15%，30%，47%，60%，75%和85%。图2为不同负荷工况下燃用汽油/柴油混合燃料排放特性对比。由图可见，燃用汽油/柴油混合燃料可显著降低排气烟度，在大负荷工况下更为明显。随汽油掺入比例增大，CO及HC排放增加，但增幅随负荷增大而减小，主要原因在于，汽油具有较好的挥发性，随掺入比例增大，燃料挥发性得到改善，有利于在着火前形成更为均匀的混合气。负荷较小时，由于缸内燃烧过程主要以预混合燃烧为主，改善燃料挥发性不仅对提升混合气均质性的作用有限，反而挥发性过强易导致局部混合气过稀，HC及CO等未完全燃烧产物增加。大负荷时扩散燃烧过程比例增加，改善燃料挥发性能够有效减少局部过浓区，有利于降低微粒排放。同时，预混合燃烧量增加使得燃烧温度升高，有助于HC及CO等物质在循环后期的高温氧化，但对NOx排放会产生不利影响，导致NOx排放增加。

2.2 汽油/柴油混合燃料对燃烧特性的影响

先前的研究表明，EGR与喷油参数的合理选择可有效控制燃烧过程，调整燃烧相位，通过燃料特性与EGR协同控制，有助于调节预混合燃烧量，优化缸内活化氛围和热氛围，配合燃料特性的改变，可同时降低NOx和微粒排放[8]。为深入研究汽油/柴油混合燃料及燃烧边界条件对燃烧及排放的影响规律，本文中选取两种典型的负荷工况(IMEP为0.43和0.72MPa，分别代表发动机以预混合燃烧过程为主的小负荷工况及以扩散燃烧过程主导的中等负荷工况)。试验中通过引入冷却废气，调节缸内活化氛围及热氛围，同时配合燃油喷射参数的调整，进而优化燃烧相位。本文中选定EGR率为30%，喷油定时选为11°CA BTDC，研究EGR条件下汽油掺入比例对燃烧特性的影响。图3为燃用不同掺入比例汽油/柴油混合燃料时燃烧特性的对比。从图中可以看出，混合燃料中汽油掺入比例对燃烧过程存在显著影响，且不同负荷工况下的变化规律有所不同。小负荷工况下，由于空燃比较大，燃烧过程呈现单一的预混合燃烧模式。此时随掺入比例增加，滞燃期明显延长，当掺入比例达到50%时，由于燃烧过分推迟，燃烧过程处于活塞下行阶段，做功能力下降，导致放热率峰值降低。当负荷增大时，缸内混合气浓度增大，由于柴油挥发性相对较差，燃烧过程以扩散燃烧占主导。随汽油掺入比例增加，放热率曲线的扩散燃烧部分逐渐消失，燃烧过程由扩散燃烧向预混合燃烧模式转变。

图4为燃用汽油/柴油混合燃料时主要燃烧特征参数对比。由图4(a)可见，小负荷工况下平均温度峰值和最大压升率均随汽油掺入比例增加而降低；在中等负荷工况下汽油掺入比例对缸内燃烧平均温度峰值影响不大。由图4(b)可见，小负荷工况下由于燃烧过程预混合燃烧占主导，同时混合燃料十六烷值较低，滞燃期延长，燃烧相位(CA50)相对推迟，放热过程主要位于活塞下行膨胀阶段，压力升高率峰值随掺入比例增大而稍有降低；中等负荷工况下，虽燃烧过程有所推迟，但由于混合气均质性得到改善，燃烧过程预混合燃烧比例增加，放热速率加快，压升率相应升高，汽油掺入比例在40%以内时，压升率峰值以每10%掺入比例0.06MPa/(°CA)的幅度升高。但不论负荷大小，当掺入比例从40%继续升高时，压升率峰值都将反而下降。由图4(d)可见，小负荷工况下汽油掺入比例对燃烧持续期影响不大；中等负荷工况下，随着汽油掺入比例的增加，燃烧持续期明显缩短。当汽油掺入比例达到40%时，燃烧持续期较柴油缩短约4.5°CA，可明显提高燃烧定容度，有助于改善燃烧热效率。但从图4(f)中发现，当汽油掺入比例提高至30%时，热效率开始下降。主要原因在于热效率受定容性与燃烧相位两方面制约，虽然采用较高汽油掺入比例混合燃料燃烧定容性有所改善，但燃烧相位过分推迟导致放热过程做功能力下降，使得热效率降低。

2.3 汽油/柴油混合燃料对超细微粒排放特性的影响

为进一步探究汽油/柴油混合燃料对超细微粒排放的影响规律，选取IMEP 为0.43和0.72MPa两种负荷工况下，分析不同掺入比例混合燃料对微粒排放粒度分布的影响，结果如图5所示。由图可见，不同负荷工况下微粒排放粒度分布特征存在明显差异，小负荷时核态微粒峰值主要位于30～50nm之间，积聚态微粒峰值位于150nm附近，绝大多数微粒均处于300nm以下；随着负荷的增大，微粒粒径分布范围向大粒径方向扩展，粒径大于300nm的微粒数量有所增加。微粒排放粒度分布特征与预混合燃烧量之间存在一定对应关系，小负荷工况下空燃比较大，汽油掺入比例对预混合燃烧量影响不大，因此对微粒排放粒度分布的影响不明显。随负荷增大，缸内空燃比降低，预混合燃烧量减少，汽油掺入比例对微粒排放浓度的影响加大。随汽油掺入比例增加，核态及积聚态微粒数量浓度、表面积浓度和体积浓度峰值升高并向小粒径方向移动，且积聚态微粒浓度峰值显著降低。对于不同燃料，表面积浓度和体积浓度峰值所对应的粒径范围相对于微粒数量浓度峰值均向大粒径方向移动，核态微粒表面积浓度和体积浓度峰值均位于50nm附近。

图6为燃用混合燃料时不同模态微粒数量浓度及所占比例。从图中可以看出，小负荷工况下，排气中绝大多数微粒为核态微粒，积聚态微粒数量所占比例较小。与柴油相比燃用汽油/柴油混合燃料核态微粒与总微粒数量均有所减少，其大部分为核态微粒，其中核态微粒和超细微粒比例均保持在99%和97%以上。中等负荷工况下，随汽油掺入比例增加，积聚态微粒数量明显降低，汽油添加比例超过40%时积聚态微粒数量降低达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内局部浓混合气区当量比，增大预混合燃烧量，抑制高温区颗粒物生成，降低排气颗粒物初始载体数量，进而使积聚态微粒数量降低。对于核态微粒，由于燃用混合燃料时HC及CO排放增加，在排气冷却过程中部分大分子的HC成分易于达到饱和状态冷凝形成核态微粒，尤其是当汽油掺入比例达到40%以上时，燃烧过程主要发生在膨胀冲程，不完全燃烧损失增大，HC排放对核态微粒数量的影响更为明显。同时，积聚态微粒数量显著降低使具有较强吸附作用的大粒径微粒对小粒径核态微粒的吸附效果减弱，进而导致核态微粒比例由柴油的58.7%升高到燃用G40时的75.74%。

3 结论

(1) 燃料特性对燃烧及排放均有显著影响，通过向柴油中掺入一定比例汽油，能够改善燃料挥发性，有助于加快缸内油气混合过程，增大预混合燃烧量，显著降低排气烟度，但会导致NOx排放增加，在大负荷工况下影响更为明显。随汽油掺入比例增大CO及HC排放增加，但增幅随负荷增大而减小。

(2) 随汽油掺入比例增加，燃烧持续期缩短，定容度提升，配合EGR等燃烧边界条件的控制，并合理匹配燃烧相位，有利于提高发动机热效率。当汽油掺入比例大于40%时，由于燃料十六烷值过低，滞燃期较长，燃烧相位过于推迟，热效率有所降低。

(3) 微粒排放粒度分布特征与预混合燃烧量之间存在一定的对应关系，小负荷工况下空燃比较大，汽油掺入比例对预混合燃烧量影响不大。随负荷增大，缸内空燃比降低，预混合燃烧量减少，微粒排放粒度分布特征对汽油掺入比例的敏感性提升。

(4)燃用汽油/柴油混合燃料时，核态微粒与积聚态微粒数量浓度峰值均向小粒径方向移动，发动机排气微粒超细化程度更高。随汽油掺入比例增加积聚态微粒数量明显降低，汽油添加比例超过40%时积聚态微粒数量降低达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

*国家自然科学基金(51176064)和吉林省科技发展计划项目(20140204012GX)资助。

原稿收到日期为2015年7月2日，修改稿收到日期为2015年8月20日。