汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

史晓刚　李旭聪　康志强　赵卫平　王　　超　赵中芹　高定伟（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北　保定　071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

·研究·开发·

汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

史晓刚1，2李旭聪1，2康志强1，2赵卫平1，2王超1，2赵中芹1，2高定伟1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

摘要：以一台柴油机为原型机，增加进气道汽油喷射系统，实现进气道预混喷射汽油缸内直接喷射柴油引燃的燃烧模式，对汽柴油双燃料发动机性能进行深入的研究。研究显示：汽柴油双燃料发动机缸内燃烧压力和放热率峰值随着汽柴油比例的升高逐渐降低，并且CA50依次推后；双燃料发动机燃油消耗率呈现先降低后升高的趋势，并且在汽柴油比例65%左右取得最低值；NOx排放和Soot排放随着汽柴油比例的升高呈现单调降低趋势，并且在汽柴油比例85%左右接近零排放。

关键词：汽柴油双燃料汽柴油比例喷油正时发动机性能

引言

飞涨的石油价格和恶化的大气污染推动着发动机向节能减排的趋势发展。压燃式内燃机因其高热效率越来越得到广泛关注，但是传统柴油机固有的燃烧特性而产生诸多Soot和NOx有害排放物。近年来，为消除Soot和NOx排放物，柴油机尾气管加装大量的后处理设备。消除排放物的同时，后处理设备加装会带来油耗的提升和二次能源的消耗。所以，为了使发动机效率最大化，后处理设备必须尽量简化甚至不用。

为了能够在机内净化有害排放物，内燃机专家学者进行了诸多试验和模拟研究。目前，绝大多数内燃机燃烧模式均能够归为预混低温燃烧（LTC）模式。LTC模式其较低的燃烧温度可以抑制NO的生成而减少NOx排放物[1～3]。再者，LTC可以延长燃料滞燃期为燃料与空气混合提供充分的时间形成更为均质的混合气，进而有效降低Soot排放。许多专家推荐HCCI和PCCI燃烧模式，可以同时降低NOx和Soot排放。相比于传统的扩散燃烧，预混的LTC燃烧不仅可以大幅降低NOx和Soot排放，同时还可以提升热效率。其热效率提升主要有两条重要因素：

1）预混LTC燃烧通常工作混合气较稀（混合气的稀释通常采用增压进气或者增加EGR率等手段）的工况范围。缸内稀混合气燃烧温度会得到有效降低，进而减少传热损失，提升发动机热效率；

2）发动机热效率还可以通过改善着火和燃烧结束正时手段提升。相比于传统扩散燃烧，预混LTC燃烧期受控于化学反应进程而得到有效缩短。

预混压缩点燃PCI（Premixed Compression Ignition）燃烧方式能够同时有效降低Soot、NOx排放并提升发动机热效率，具有光明的应用前景。然而，若实现上述良好效果，需要精确耦合燃料喷射正时和燃烧相位之间的关系而形成合适的混合气充量。而传统柴油机的燃料喷射策略不能满足PCI要求。因为PCI燃烧受控于燃料化学反应进程，对进气温度要求十分苛刻。为了能够在发动机运行全工况范围内满足PCI燃烧要求，可以通过改变缸内燃料化学特性实现[4～7]。近年来，威斯康辛大学提出了RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）新型燃烧方式，可以通过进气道喷入汽油预混，再通过缸内直接喷入柴油引燃的方式实现预混压缩点燃。

本研究以传统柴油机为原型机在进气道加装汽油喷射系统，采用汽油预混柴油扩散燃烧的新型燃烧模式，实现汽柴油双燃料在缸内混合燃烧降低有害排放物的目标。本文主要研究汽柴油比例和EGR率对汽柴油双燃料发动机性能影响，为汽柴油双燃料技术广泛推广和应用提供良好的技术支持。

图1　发动机台架示意图

1　试验设备与方法

试验原型机为长城汽车公司生产的4D20型柴油机，其主要技术参数见表1。试验装置系统如图1所示。

如图1所示，在原柴油机的基础上增加了一套进气道汽油喷射的供油系统，来形成进气道喷射汽油燃料，缸内喷射柴油燃料的双燃料燃烧模式。双燃料发动机的两种燃料的喷射轨压、喷射正时、喷射持续期以及两种燃料的供给比例均可以灵活调节。

在此试验研究中，发动机与AVL公司生产的电涡流测功机相连，采用AVL公司生产的AVL GH13P压电式传感器连接AVL 4P3G电荷放大器进行缸内燃烧压力数据的测取；采用AVL燃烧分析仪对测取的燃烧数据进行整理分析；采用 HORIBA 7500DEGR排放设备对NOx，THC和CO常规排放物进行检测；采用AVL 415S烟度计对尾气中的PM进行检测；试验中所用汽油牌号为93#，柴油牌号为0#欧五。

本文中所提到的汽柴油比例和油耗消耗率均指以下定义：

表1　发动机主要技术参数

汽柴油双燃料发动机采用进气道喷射汽油和缸内喷射柴油两种供油方式，形成汽油预混柴油引燃的燃烧模式。其中进气道喷入的汽油，在进气行程中与空气充分混合形成均质混合气；缸内直喷柴油采用预喷和主喷两次喷射，预喷柴油引燃预混汽油做功，主喷柴油弥补汽油燃烧不足的一部分功率。

2　试验结果与分析

为了研究在不同增压压力下不同汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机性能的影响，本文以1800 r/min@50N·m工况为例进行试验研究。汽柴油双燃料发动机试验工况具体运行参数见表2。试验中，汽柴油双燃料发动机不引入EGR，柴油喷射轨压固定在50 MPa，主喷正时为28°CA BTDC。

2.1汽柴油比例对缸内燃烧特性的影响

为了探究不同汽柴油比例混合燃料在发动机缸内燃烧特性，本次试验在1800 r/min@50 N·m工况点以增压压力0.11 MPa为例进行了五种汽柴油比例燃料缸内燃烧特性测试试验和分析，如图2所示。

表2　发动机运行参数

图2　不同汽柴油比例缸内燃烧特性

上图为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机缸内燃烧压力、燃烧放热率和CA50的影响。从图中可以看出，汽柴油双燃料在发动机缸内燃烧的最大压力随着汽柴油比例的增加呈现出逐渐递减的趋势。对于放热率，汽柴油混合燃料的放热率峰值同样呈现出随着汽柴油比例的增加而降低的趋势，并且峰值对应的曲轴转角依次后推。同时，汽柴油混合燃料的放热率峰值随着汽柴油比例的升高由尖而窄的形状逐渐变为钝而宽的形状。再者，汽柴油混合燃料CA50随着汽柴油比例升高呈现单调升高的趋势。

汽柴油混合燃料发动机采用进气道喷射汽油预混柴油缸内直喷引燃的燃烧模式。因此汽柴油双燃料发动机兼有预混燃烧和扩散燃烧二者的燃烧特性。由于汽油低十六烷值的固有物理化学特性，故汽油与空气的混合气并不能在缸内压燃，需要柴油引燃着火。因而汽油预混柴油引燃燃烧模式采用柴油正时和柴油比例来控制燃烧特性。本试验采用柴油单次喷射，且喷射时刻保持在-28°CA ATDC固定不变。因此，柴油比例即汽柴油比例对汽柴油混合燃料的燃烧特性影响很大。随着汽油比例升高即柴油比例降低，燃料活性降低进而会延长混合燃料滞燃期，同时会降低混合燃料燃烧速率。如图2所示，缸内混合气的缸内燃烧压力和放热率最大峰值会随着汽柴油比例的提升而降低。

2.2汽柴油比例对燃油消耗率的影响

图3为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机燃油消耗率的影响曲线。由图可知，在不同增压压力工况下，燃油消耗率随着汽柴油比例的增加呈现先降低后升高的趋势。在相同汽柴油比例工况下，增压压力越大汽柴油双燃料发动机燃油消耗率越高；同时，随着汽柴油比例的增加汽柴油双燃料发动机燃油消耗率呈现单调升高的趋势。

图3　汽柴油比例对燃油消耗率的影响

在本文试验条件和试验工况下，增压压力的提升会增加发动机的泵吸损失。因为提高增压压力是通过改变涡轮调节叶片从而减小废气流通截面积而实现的。因此，若使增压压力提高，则发动机排气阻力增加，必然导致泵气损失增加。因此在相同汽柴油比例条件下，增压压力越大，汽柴油双燃料发动机的燃料消耗率越高。

汽柴油双燃料发动机采用汽油预混柴油引燃的燃烧模式。在汽柴油比例较低时，混合燃料的预混燃烧比例较低会导致一定程度上的燃烧损失。汽柴油比例较大时，混合燃料中用于引燃的活性物质较少会导致滞燃期延长，进而燃料在活塞下行期间还继续放热导致此部分燃料燃烧做功能力下降，而使得燃油消耗率恶化。综合上述因素，汽柴油双燃料发动机燃油消耗率随着汽柴油比例的升高而呈现出先降低后升高的趋势。

2.3汽柴油比例对排放的影响

为了探究汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机排放性能的影响，本试验分别测试了NOx、PM、THC和CO常规排放物。发动机具体运行参数见表2。

图4为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机NOx排放的影响。由图可知，汽柴油双燃料发动机在3种不同增压压力工况下均呈现随着汽柴油比例的升高而单调降低的趋势。同时，在汽柴油比例40%~65%之间，相同汽柴油比例条件下增压压力越大，汽柴油双燃料发动机NOx排放越高。至于在汽柴油比例65%~85%之间，由于NOx排放数值很小，增压压力对其影响甚微。

图4　汽柴油比例对NOx排放的影响

在发动机排放的NOx中占压倒多数的是NO，其主要来源是参与燃烧的空气中的氮。空气中的氮生成NO的化学机理是扩展的泽尔多维奇机理。NO的生成随温度的提高而呈指数函数急剧增加。当温度低于1800 K时，NO的生成速率极低；到2000 K就达到很高的速率。故发动机气缸内所达到的最高燃烧温度为影响NOx生成量的最重要因素。汽柴油双燃料发动机采用汽油预混柴油引燃的燃烧模式。随着汽柴油比例的升高，做为引燃燃料的柴油比例逐渐降低，推迟了缸内混合气的燃烧相位进而降低了缸内温度。故随着汽柴油比例的升高，汽柴油双燃料发动机的NOx排放呈现单调降低。在相同汽柴油比例条件下，随着增压压力的升高，发动机的排气背压会升高，进而导致发动机缸内废气残留量升高。较高的残余废气能够起到内部EGR作用，有效抑制NOx排放的生成。在相同汽柴油比例条件下，增压压力越高，NOx排放越低。

图5为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机Soot排放的影响。由图可知，随着汽柴油比例的提升，汽柴油双燃料发动机Soot排放呈现单调递减趋势，在汽柴油比例85%时接近于零排放。同时，在汽柴油比例40%~65%区间，汽柴油双燃料发动机增压压力越大，Soot排放越高。

图5　汽柴油比例对Soot排放的影响

发动机Soot排放主要由燃料中含有的碳产生，其生成条件是高温缺氧。虽然汽柴油双燃料发动机总体是富氧燃烧，但是喷入缸内的柴油因其扩散燃烧局部缺氧还是会导致Soot的生成。正如上文所述，汽柴油双燃料发动机采用汽油预混柴油引燃的新型燃烧模式。随着汽柴油比例的升高，预混汽油比例增加，缸内混合气混合更加均匀，有效降低了Soot排放物的产生。随着汽柴油比例的升高，Soot排放呈现单调降低的趋势。如上文所述，汽柴油双燃料发动机增压力提升会造成排气背压升高而提升缸内废气残余量。缸内废气残余量的存在导致缸内燃料缺氧而生成较多的Soot。

图6和7分别为汽柴油比例对THC排放和CO排放的影响。由图可知，汽柴油双燃料发动机THC排放和CO排放均远高于传统柴油机。同时，THC排放和CO排放均随着汽柴油比例的升高而呈现单调升高的趋势。

图6　汽柴油比例对THC排放的影响

图7　汽柴油比例对CO排放的影响

正如上文所示，汽柴油双燃料发动机采用进气道喷射汽油预混缸内直喷柴油引燃新型燃烧模式。进气道喷入的汽油有足够时间在缸内与空气形成均质混合气，并且进入缸内各种缝隙中。故汽柴油双燃料发动机THC排放和CO排放远高于传统柴油机，并且随着汽柴油比例的升高而呈现单调升高的趋势。

3　结论

在本文研究条件下，在1800 r/min@50 N·m工况点通过研究汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机性能的影响，得出以下结论：

1）随着汽柴油比例的升高，汽柴油双燃料发动机缸内压力和燃烧放热率峰值呈现逐渐降低趋势，并且CA50依次推后。

2）随着汽柴油比例的升高，汽柴油双燃料发动机燃油消耗率呈现先升高后降低的趋势，在汽柴油比例65%时取得最低值265 g/（kW·h）。

3）随着汽柴油比例的升高，NOx排放和Soot排放均呈现单调降低的趋势，并且在汽柴油比例为85%时接近零排放。THC排放和CO排放远高于传统柴油机。

参考文献

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6Okude K，Mori K，Shiino S，et al.Premixed compressed ignition（PCI）combustion for simultaneous reduction ofNOxand soot in dieselengine[C].SAEPaper2004-01-1907

7Loper p，Ra YC，AdamsC，etal.Experimental investigation of light-medium load operating sensitivity in a gasoline compression ignition（GCI）light-dutydieselengine[C].SAE Paper 2013-01-0896

中图分类号：TK421+.28

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0001-06

收稿日期：（2015-01-18）

作者简介：史晓刚（1986-），男，学士，主要研究方向为内燃机燃烧与排放净化技术。

通讯作者：李旭聪（1984-），男，博士，主要研究方向为内燃机燃烧与排放净化技术。

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