高预混发动机排放性能试验研究

常进才李旭聪康志强史晓刚王超鲁志远张昊高定伟（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）



高预混发动机排放性能试验研究

常进才1，2李旭聪1，2康志强1，2史晓刚1，2王超1，2鲁志远1，2张昊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0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

以一台柴油机为原型机，增加一套进气道喷射的汽油供油系统，实现高预混模式在改装发动机上高效应用，并且进行了高预混发动机性能深入研究。研究表明：在1 700 r/min，60 N·m工况点下，高预混技术在发动机上应用的经济性并没有优势；但是其有效解决了NOx排放和PM排放难以解决的trade-off关系，压缩比15的双燃料发动机较之原机NOx和PM分别下降了76.89%和98.41%。

高预混压缩比排放性能经济性能

引言

随着全球经济的高速发展，全世界能源消费量逐年递增，石油、天然气、煤炭、核能、水电以及用于发电的可再生能源增速均高于历年平均值，这其中，内燃机消耗占用很大比例。另一方面，内燃机也引起噪声、大气污染及危害人类身体健康等一系列尖锐的问题。内燃机排气中有害成分诸如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、醛类化合物、颗粒物（PM）、氮氧化物（NOx）以及硫化物等，这些有害排放物不仅会影响大气环境，如形成光化学烟雾、酸雨和臭氧浓度过高等，同时还会对人类身体健康造成直接危害。在我国，汽车保有量的急剧增加，使环境污染问题更加严峻。

为了有效缓解发动机给环境带来的污染问题，国内外内燃机专家和学者进行了发动机新燃烧模式的研究。低温燃烧（Low Temperature Combustion，LTC）模式因其较高的经济性，同时较低的NOx和PM排放而得到广泛的研究。纵观国内外的研究可以发现，广义的LTC燃烧模式范畴按照发展有三个里程碑：

1）均质充量燃烧（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）概念发展［1-2］；

2）寻找方法降低压力升高率和拓展负荷范围，例如部分预混燃烧模式（Partial Premix Charge，PCCI）［3-6］；

3）利用具有汽油类似性质的燃烧与柴油混合来进一步提高燃烧的稳定性燃烧方式，例如汽柴油双燃料RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）［7］。

威斯康星大学Retiz教授等对RCCI燃烧进行了深入的研究。研究表明：发动机在1 300 r/min，0.93 MPa平均指示压力工况点下，其最高的指示热效率能够达到56%。美国西南研究院采用柴油作为点火能量引燃汽油进行了研究，并与传统汽油机的高能火花塞点火方式做出了对比。其研究结果显示，柴油引燃汽油预混模式大幅度提高了EGR的容忍度（EGR率可高达50%），并且大大降低了指示油耗到185 g/（kW·h），与柴油机的油耗水平十分接近。日本的丰田研究中心、荷兰的爱因霍芬科技大学、清华大学等对这种燃烧方式的研究均取得了较好的效果。但是，目前的双燃料发动机技术针对喷油、EGR 和VGT等策略研究较多，而从发动机燃烧结构和压缩比角度出发的研究较少。

本文主要是针对不同压缩比双燃料高预混发动机与原柴油机的发动机性能进行对比研究，以1 700 r/min，60 N·m为基准工况点，对两种压缩比的双燃料高预混发动机和原柴油机进行了经济性、缸内燃烧特性和排放性进行了深入的研究，为开发汽/柴油双燃料高预混发动机的开发研究提供技术支持。

1　试验设备及试验方法

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。

表1　发动机主要技术参数

图1　发动机台架示意图

如图1所示，在原柴油机的基础上增加了一套进气道喷射的汽油供油系统，来形成进气道喷射汽油燃料，缸内喷射柴油燃料的双燃料高预混燃烧模式。双燃料高预混发动机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，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；PM数据的单位为FSN，mg/m3和g/（kW·h）。FSN单位可以通过以下公式1转换成干碳烟，单位g/（kW·h）。

2　试验结果与分析

2.1发动机排放特性

图2为压缩比16.7、15双燃料高预混发动机与原柴油机的排气温度对比结果。

图2　不同压缩比双燃料高预混发动机与原机排气温度

图3为压缩比16.7、15双燃料高预混发动机与原柴油机的NOx排放。从图中可以看出，在此工况点下无论是压缩比15还是压缩比16.7的双燃料高预混发动机与原柴油机相比，NOx排放均有大幅下降，分别降低了76.9%和71.9%。

图3　不同压缩比双燃料高预混发动机与原机NOx排放

发动机的NOx排放中主要为NO，其主要来源是参与燃烧的空气中的氮。NO的生成机理为扩展的泽耳多维奇机理，主要受燃烧温度影响。NO的生成随温度的升高而呈指数函数急剧增加。从图2排放温度中可以看出，双燃料高预混发动机的排气温度与原柴油机相比降低许多。排气温度趋势在一定程度上反映缸内燃烧温度趋势。故，双燃料高预混发动机的NOx排放低于原柴油机，CR15双燃料高预混的NOx排放低于CR16双燃料高预混发动机。

图4为两种不同压缩比双燃料高预混发动机和原柴油机的HC排放柱形图。从图中可知，双燃料高预混发动机CR15和CR16.7两种不同压缩比的排放较之原柴油机HC排放上升幅度分别高达3982.2%和3362.3%。

图4　不同压缩比双燃料高预混发动机与原机HC排放

发动机尾气中的HC排放主要是在燃烧过程中未来得及燃烧或未完全燃烧的燃料或润滑油。双燃料高预混发动机是在进气道喷射汽油，形成均质混合气，当其到达燃烧室边缘和狭缝中时，在这些温度较低区域，产生强烈的淬熄效应和狭缝效应，导致部分汽油未燃，产生大量未燃HC排放，所以双燃料高预混发动机CR15和CR16.7的HC排放远远高于原柴油机。关于两种不同压缩比双燃料高预混发动机HC排放，双燃料高预混发动机CR15比CR16.7的缸内温度低，缸内温度对HC排放具有较大的影响，高温利于HC的氧化。故，CR15双燃料高预混发动机的HC排放高于CR16.7双燃料高预混发动机。

图5为压缩比16.7和15双燃料高预混发动机与原柴油机的PM排放柱形图。从图中可知，双燃料高预混发动机CR15和CR16.7两种不同压缩比的排放较之原柴油机PM排放下降幅度分别高达98.4%和73.2%。双燃料高预混技术能够高效地降低发动机尾气中的PM排放。

发动机尾气中的PM排放主要由柴油中含有的碳产生，高温和缺氧是其生成的主要条件。即使发动机在富氧条件下燃烧，但是由于燃料与空气混合不均匀，燃烧室内局部缺氧的混合气燃烧同样会生成大量的PM排放。故，原柴油机尾气中的PM排放较高。汽/柴油双燃料供油方式采用进气道喷射汽油形成预混汽油混合气，缸内直喷柴油引燃混合气。燃烧方式兼顾汽油预混燃烧和柴油扩散燃烧的特点。此工况点下的汽柴油比例为75%，混合气中的预混汽油混合气占据大比例。因此，双燃料高预混发动机燃烧室内的混合气比较均匀，进而其生成的PM排放较低。关于两种不同压缩比双燃料高预混发动机PM排放，缸内温度具有较大的影响。故，CR16.7双燃料高预混发动机的PM排放高于CR15双燃料高预混发动机。

图6为两种不同压缩比双燃料高预混发动机和原柴油机的CO排放柱形图。从图中可知，双燃料高预混发动机CR15和CR16.7两种不同压缩比的排放较之原柴油机CO排放上升幅度分别高达786.2% 和430.5%。

图5　不同压缩比双燃料高预混发动机与原机PM排放

图6　不同压缩比双燃料高预混发动机与原机CO排放

图7　不同压缩比双燃料高预混发动机与原机缸内燃烧压力

图8　不同压缩比双燃料高预混发动机与原机缸内放热率

发动机尾气中的CO排放主要是过量空气系数小于1，造成燃料在燃烧过程中产生CO。如果反应气的氧浓度、温度足够高，化学反应所占有的时间足够长，CO会氧化成CO2。燃烧时，缸内温度分布不均匀，柴油燃烧区域温度较高，而汽油均质混合气燃烧区域温度则较低，产生大量CO。另外，末端较稀的汽油混合气不完全燃烧，也会导致CO排放升高，所以原柴油发动机的CO排放量远远低于双燃料高预混发动机。

关于两种不同压缩比双燃料高预混发动机CO排放，双燃料高预混发动机CR15比CR16.7的缸内温度低，缸内温度对CO排放具有较大的影响，高温利于CO的氧化。故，CR15双燃料高预混发动机的CO排放高于CR16.7双燃料高预混发动机。

2.2缸内燃烧特性

汽柴油双燃料高预混在发动机缸内的燃烧同时具有汽油预混燃烧和柴油扩散燃烧的特点，为此本研究对发动机的缸内燃烧压力和燃烧放热率做了深入的研究与对比。根据缸内燃烧特性来分析汽/柴油双燃料高预混不同压缩比性能。

图7和图8分别为缸内燃烧压力和燃烧放热率。从两图可以看出，原柴油机的缸内燃烧压力曲线呈现明显的两个峰值压力，其对应于燃烧放热率曲线也出现两个明显的放热峰值，并且两个峰值具有明显的距离；而对于双燃料高预混混合气燃烧特性，缸压曲线仅为单个峰值压力。双燃料高预混放热率曲线则表现出两个不太明显的峰值，并且放热率峰值相对于柴油较低，则说明双燃料高预混放热较为平和。平和的放热能够有效降低缸内爆燃倾向，并且抑制燃烧噪声，降低燃烧对发动机本体造成的破坏。

2.3发动机经济性

图9为两种不同压缩比双燃料高预混发动机和原柴油机的燃油消耗率柱形图。从图中可知，双燃料高预混发动机CR15和CR16.7两种不同压缩比的排放较之原柴油机燃油消耗率上升幅度分别是1.44%和4.03%。

图9　双燃料高预混发动机与原柴油机燃油消耗率对比

燃烧效率是指燃烧实际释放出的总热量与燃料所能释放的总热量之比。通过未燃CO、THC的总质量来计算燃油的燃烧效率，计算公式如下所示。

其中：mCO为排气中CO的质量，HuCO为CO的低热值；mTHC为排气中未燃THC质量，HuTHC为THC低热值；mG为燃油消耗质量，Hu为燃油低热值。

按照上述公式计算，得出原柴油机燃烧效率为99.86%，双燃料高预混发动机CR15燃烧效率为94.56%，双燃料高预混发动机CR16.7燃烧效率为95.42%。双燃料高预混发动机CR15和CR16.7与原柴油机相比，HC排放上升3 982.2%和3 362.3%，CO排放上升786.2%和430.5%。故，双燃料高预混发动机燃油消耗率会增加。但是从排气温度可以看出，双燃料高预混发动机的缸内燃烧温度低于原柴油机的燃烧温度，进而双燃料高预混发动机的传热损失会降低。

综合考虑双燃料高预混发动机的燃烧效率和传热损失，可得双燃料高预混发动机CR15和CR16.7与原柴油机油耗基本持平。

3　结论

1）从缸内燃烧特性来看，双燃料高预混发动机平和的放热能够有效降低缸内爆燃倾向，并且抑制燃烧噪声，降低燃烧对发动机本体造成的破坏。从缸压、放热率来看，双燃料高预混有优势。

2）从发动机排放特性来看，此工况点下双燃料发动机CR15和CR16.7与原柴油机相比，NOx排放分别降低了76.9%和71.9%，PM排放下降98.4%和73.2%。双燃料高预混发动机CR15和CR16.7与原柴油机相比，HC排放上升3 982.2%和3 362.3%。，CO排放上升786.2%和430.5%。

可见双燃料高预混发动机有效解决了NOx排放和PM排放难以解决的trade-off关系，但是HC、CO排放较高。

3）从发动机经济特性来看，双燃料高预混发动机CR15和CR16.7与原柴油机相比，燃油消耗率上升幅度分别是1.44%和4.03%。综合传热损失，可基本认为原柴油机与双燃料高预混发动机CR15和CR16.7的燃油消耗率持平，经济性相当。

1Najt P，and Foster D.Compression-ignited homogenous charge combustion［C］.SAE Paper 830264

2Onishi S，Jo S，Shoda K，et al.Active thermo-atmosphere combustion（ATAC）-A new combustion process for internal combustion engines［C］.SAE Paper 790501

3Akihama K，Takatori Y，Inagaki K，et al.Mechanism of the smokeless rich diesel combustion by reducing temperature ［C］.SAE Paper 2001-01-0665

4Shimazaki N，Tsurushima T，Nishimura T.Dual mode combustion concept with premixed diesel combustion by direct injection near top dead center［C］.SAE Paper 2003-01-0742

5Minato A，Tanaka T，Nishimura T.Investigation of premixed lean diesel combustion with ultra high pressure injection［C］.SAE Paper 2005-01-0914

6Okude K，Mori K，Shiino S，et al.Premixed compressed ignition（PCI）combustion for simultaneous reduction of NOxand soot in diesel engine［C］.SAE Paper 2004-01-1907

7Loper p，Ra YC，Adams C，et al.Experimental investigation of light-medium load operating sensitivity in a gasoline compression ignition（GCI）light-duty diesel engine［C］. SAE Paper 2013-01-0896

An Experimental Study on the Performances of HPCC Engine

Chang Jincai1，2，Li Xucong1，2，kang Zhiqiang1，2，Shi Xiaogang1，2，Wang Chao1，2，Lu Zhiyuan1，2，Zhang Hao1，2，Gao Dingwei1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Taking a diesel engine as prototype engine，the performance of a dual-fuel engine on which a gasoline injection system was added was studied deeply.HPCC runs efficiently on the refitted engine.The research indicated：at the operation of 1700rpm，60N·m，the economy of dual-fuel engine has no advantage；however，the dual-fuel technology can solve the problem of trade-off relationship of PM and NOx，NOxand PM emissions of the dual-fuel engine with CR15 have reduced by 76.89%and 98.41% respectively，compared to the prototype engine.

HPCC，Compress ratio，Emission performance，Economic performance

TK421+.5

A

2095-8234（2015）06-0013-05

常进才（1981-），男，工程师，主要研究方向为发动机开发。

（2015-04-17）