汽柴油双燃料发动机性能试验研究

李旭聪　史晓刚　王　超　刘晓娜　高定伟（长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000）

汽柴油双燃料发动机性能试验研究

李旭聪史晓刚王超刘晓娜高定伟
（长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000）

以一台传统柴油机为原型机，在进气道增加汽油供油系统，实现汽柴油两种燃料在发动机气缸内燃烧。主要研究主喷油量、预喷正时、增压压力和柴油共轨压力4个参数对汽柴油双燃料发动机性能的影响。

汽柴油双燃料主喷油量预喷正时增压压力柴油共轨压力

引言

高涨的油价和对温室气体的关注驱动内燃机朝着更为高效的方向发展。高效节能的重担落在柴油机上，因其相对于汽油机热效率更高。同时，现行和将来的排放法规日益严格，需要发动机提高自身的排放水平以适应排放标准。因此，发展高热效率和低排放的内燃机技术势在必行。

针对上述问题，内燃机应用诸多新型燃烧策略来提高热效率和降低排放水平。目前绝大多数技术属于低温燃烧（LTC）技术范畴［1-4］。LTC技术可以利用其较低燃烧温度有效抑制生成NO的化学反应，进而大幅降低NOx排放物。此外，LTC技术通过调节喷油正时来控制燃烧滞燃期，以此提高空气和燃料的混合程度形成均质混合气，进而降低PM排放。国内许多内燃机专家和学者的研究证明了LTC技术，如均质充量压燃（HCCI）、预混充量压燃（PCCI）等，具有同时降低NOx和PM排放的光明前景。但是，由于石油化工基础设施的限制，上述技术燃料均是采用柴油或者汽油单一燃料。柴油或者汽油燃料由于其自身的物理化学特性，对于内燃机全工况范围内实现HCCI或者PCCI等技术并不适用，如汽油自身具有良好的挥发性，但其十六烷值低，自燃性差，进而发动机在低负荷时会出现发动机工作不稳的现象；而柴油自燃性好，但发动机在高负荷时会出现压力升高、NVH过高现象，造成机体损坏。因此，内燃机学者提出了进气道喷汽油预混，缸内直喷柴油引燃的汽柴油双燃料技术，采用不同汽柴油比例而优化燃烧，拓宽发动机运行范围［5-8］。

本研究在原柴油机进气道上增加汽油供油系统实现汽柴油双燃料共同燃烧进行汽柴油双燃料发动机性能研究。本文以2 050 r/min，125 N·m为基准工况点，研究不同轨压、增压压力和预喷正时随着主喷正时的变化规律，为开发汽柴油双燃料发动机提供良好的技术支持。

1　试验设备和方法

表1　发动机主要技术参数

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汽油进气道喷射的供油系统，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。

图1　发动机台架示意图

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　结果与分析

2.1主喷油量对汽柴油双燃料发动机性能影响

发动机在2 050 r/min，125 N·m工况点，柴油燃料采用两次喷射，预喷正时为50°CA BTDC，预喷油量为2.5 mg/cyc。发动机具体运行工况条件如表2所示。

表2　发动机运行参数

图2为不同柴油主喷油量下汽柴油双燃料油耗曲线图。本试验研究为了稳定2 050 r/min，125 N·m工况，同时兼顾发动机各种性能，汽柴油比例随着主喷正时不同，发动机汽柴油总油耗也呈现波动上升的趋势，主喷油量2.5 mg/cyc油耗大于主喷油量2 mg/cyc曲线。

图2　不同柴油主喷油量汽柴油比例和油耗曲线图

首先，以主喷正时20°CA ATDC为例分析不同柴油主喷油量汽柴油比例和总油耗变化图。发动机功率由汽油、预喷柴油和主喷柴油三部分燃料燃烧放热做功产生。在本试验中，预喷柴油量固定为2.5 mg/cyc保持不变，故不同柴油主喷量对应的汽柴油比例不同。如图2 b）主喷正时20°CA ATDC所示，柴油主喷油量2.5 mg/cyc汽柴油油耗高于柴油主喷油量2 mg/cyc曲线。柴油主喷时刻范围为5～40°CA ATDC，其燃烧放热做功是在活塞下行过程中，这部分燃油释放的热量做功能力低，油耗水平恶化。再有，此行程范围内缸内燃烧温度下降，柴油燃烧效率会有所下降，也会导致油耗水平恶化。如图2 b）所示，汽柴油双燃料发动机油耗随着主喷正时的后推呈现波动上升趋势；同时，主喷油量2.5 mg/cyc状态下总油耗水平高。

图3为汽柴油双燃料发动机主喷油量2.5 mg/cyc状态下，三种不同主喷正时缸内燃烧压力和放热率曲线图。如图所示，主喷正时为40°CA ATDC时缸内燃烧压力峰值最高，主喷正时20°CA ATDC次之，主喷正时10°CA ATDC最低。三种不同主喷正时缸内燃烧放热率有低温放热峰值、汽油和预喷柴油放热峰值和主喷柴油放热峰值三个峰值。其中，低温放热峰值在三者之间没有太大区别；汽油放热峰值与缸内燃烧压力峰值高低次序一致，这证明了缸内燃烧压力最大值主要取决于汽油和预喷柴油放热；而主喷柴油放热因为其喷射正时不同，故峰值所对应的曲轴转角依次推后。

图3　柴油主喷油量2.5 mg/cyc时不同主喷正时缸内燃烧压力和放热率曲线

图4a）~d）分别为不同柴油主喷油量工况下，柴油主喷正时对NOx、PM、CO和THC排放的影响。其中，图4 a）所示不同柴油主喷油量对NOx排放影响不大；但其随着主喷正时的推后呈现出单调下降的趋势。图4 b）在主喷正时5°CA ATDC~25°CA ATDC区间显示，主喷油量2 mg/cyc工况的Soot排放明显低于主喷油量2.5 mg/cyc工况；并且两不同主喷油量的Soot排放均呈现出随着主喷正时推后呈现减少的趋势。图4 c）和d）在不同主喷油量下CO和THC变化趋势均一致，而柴油主喷油量2 mg/cyc工况CO和THC排放优于柴油主喷油量2.5 mg/cyc工况。

图4　不同主喷油量常规排放物曲线图

如前所述，本次试验汽柴油双燃料在发动机缸内燃烧放热主要分为汽油和预喷柴油放热和主喷柴油放热两部分。其中汽油和预喷柴油放热量所占总放热量比例大于主喷柴油。在相同主喷正时工况下，主喷油量微小变化并不能对缸内燃烧放热和缸内燃烧温度造成本质性差别。故，不同主喷油量工况下的NOx排放基本相同，小油量工况稍微优于大油量工况；但是，缸内燃烧放热和燃烧温度受主喷正时推后的影响颇大。图3所示，柴油主喷正时推后，缸内燃烧压力最大值随之下降；同时，放热率最大值也随之下降，并且主喷柴油放热峰明显推后。NOx排放得益于缸内温度下降，故其随着主喷正时的推后单调下降。

Soot排放主要产生于预喷和主喷柴油的扩散燃烧。本次试验预喷柴油为固定值，故主喷柴油量小的工况其Soot排放低。随着柴油主喷正时推后，柴油的滞燃期延长，有利于抑制Soot排放生产。同时后喷燃油的放热提高了缸内燃烧温度并促进缸内气流扰动加速了后期氧化进而降低了Soot排放。CO排放和THC排放的排放趋势也证实了主喷柴油后期氧化的功能。

2.2预喷时刻对汽柴油双燃料发动机性能影响

为了研究预喷正时对汽柴油双燃料发动机性能的影响，设置进气压力、预喷油量、主喷油量、共轨压力和EGR率为固定值，观察-45°CA ATDC和-50° CA ATDC两不同正时对汽柴油双燃料发动机性能的影响。试验工况具体参数如表3所示。

表3　发动机运行参数

图5为不同预喷时刻汽柴油比例和油耗随着主喷正时变化的曲线图。从图中可以看出，由于试验边界条件的限制，两种预喷时刻在不同主喷正时下汽柴油比例和油耗互有高低，没有明显的规律。

图5　不同柴油预喷时刻汽柴油比例和油耗曲线图

图6为柴油两种不同预喷时刻下汽柴油双燃料发动机在主喷时刻20°CA ATDC时的缸内燃烧压力和放热率曲线图。从图6 a）图中可以看出，预喷时刻为-45°CA ATDC的缸内燃烧压力最大值大于预喷时刻为-50°CA ATDC的燃烧压力最大值。同时，如图6 b）所示，预喷时刻为-50°CA ATDC的燃烧放热峰值明显高于预喷时刻-45°CA ATDC，但是放热时刻却迟于预喷时刻-45°CA ATDC。

图6　柴油不同预喷时刻下缸内燃烧压力和放热率曲线

汽柴油双燃料发动机的预喷柴油主要是起引燃预混汽柴油的作用。柴油在-50°CA ATDC时刻喷入发动机气缸内，其与汽油和空气的混合气能够充分混合，形成较均匀的稀混合气。

随着活塞继续上行，缸内达到一定温度时，缸内混合气才能开始放热燃烧。故，预喷时刻-45°CA ATDC柴油在缸内形成的局部混合气满足着火条件，其缸内放热早于预喷时刻为-50°CA ATDC的工况。但是，当预喷时刻-50°CA ATDC的混合气达到着火的条件时，由于其混合得更加均匀而形成多处着火，进而放热率大，也就是燃烧速度大。故，发动机预喷时刻-50°CA ATDC工况燃烧放热率峰值大于预喷时刻-45°CA ATDC工况。

图7为不同柴油预喷时刻工况下汽柴油双燃料发动机常规排放物随着主喷时刻变化的曲线图。图7 a）所示，不同柴油预喷时刻下的NOx排放随着柴油主喷正时的推后而呈现单调下降趋势，原因已在上文进行了解释，在此不再赘述。同时，在相同柴油主喷时刻下，预喷时刻-50°CA ATDC工况NOx低于预喷时刻-45°CA ATDC工况。其主要原因为，预喷时刻-50°CA ATDC工况预混汽油和预喷柴油相对充分的时间混合形成更为均质的混合气，其燃烧过程中缸内混合气局部高温区域少，有利于抑制NOx生成；同时，由于其放热迟于预喷时刻-45°CA ATDC，其最高燃烧温度出现于活塞下行行程中持续时间短，同样不利于NOx生产。综合上述两因素，故在相同柴油主喷时刻下，预喷时刻-50°CA ATDC工况NOx低于预喷时刻-45°CA ATDC工况。

图7　不同预喷时刻常规排放曲线图

图7b）所示为汽柴油双燃料发动机在不同预喷时刻下Soot排放随着主喷正时推迟的曲线图。如图中所示，在不同预喷时刻工况下，Soot排放随着主喷正时的推迟呈现单调下降趋势。对比柴油主喷时刻相同工况下，预喷时刻对Soot排放的影响。在柴油主喷时刻5°CA ATDC~20°CA ATDC区间内，柴油预喷时刻-50°CA ATDC工况Soot排放低于预喷时刻-45°CA ATDC。Soot排放主要产生于柴油的扩散燃烧。故有利于增加柴油滞燃期的因素同样有利于降低Soot排放。柴油在-50°CA ATDC时刻预喷，滞燃期长，形成更为均质的混合气，故Soot排放低。在20°CA ATDC~40°CA ATDC区间内Soot排放主要受主喷柴油的影响。

至于汽柴油双燃料发动机CO排放和THC排放，因其具有进气道汽油类似的混合方式，故排放远高于传统柴油机。后期工作需要重点关注，开发高效催化氧化后处理器来解决此问题。

2.3增压压力对汽柴油双燃料发动机性能影响

为了研究增压压力对汽柴油双燃料发动机性能的影响，设置预喷时刻、预喷油量、主喷油量、共轨压力以及EGR率为固定值，观察0.16 MPa和0.17 MPa两种不同增压压力对发动机性能的影响。试验工况具体参数如表4所示。

图8所示是在不同增压压力下汽柴油双燃料发动机油耗和汽柴油比例随着主喷正时推迟的变化曲线图。在增压压力为0.17 MPa的工况，由于发动机充量较大，多喷射汽油并不会超出边界条件限制。对于油耗，其并没有受到增压压力太大的影响，基本持平。

表4　发动机运行参数

图8　不同增压压力油耗曲线和汽柴油比例图

图9为不同增压压力下缸内燃烧压力和放热率曲线图。如图所示，增压压力为0.17 MPa工况点的缸内燃烧压力峰值高于增压压力0.16 MPa工况；同时，增压压力0.17 MPa工况，其汽柴油和预喷柴油主放热峰峰值大于增压力0.16 MPa工况，并且放热时刻也早于0.16 MPa工况。较大的增压压力能够使得发动机获得更多充量。较多的新鲜空气能够为汽柴油双燃料的燃烧提供更多的氧气，进而有效提升了燃烧效率和燃烧速率，使得发动机获得的燃烧压力和燃烧放热率峰值较高。值得注意的是，主喷柴油的放热峰值大小和放热时刻与预喷柴油和汽油放热峰值正好相反。增压压力0.16 MPa工况相比于增压压力0.17 MPa工况，预喷柴油和汽油放热峰值推迟；同时，两种不同增压压力工况的柴油主喷正时相同。故，增压压力0.16 MPa工况主喷开始喷射时刻，其缸内燃烧温度较高，进而主喷柴油放热时刻较早，并且峰值较高。

图9　不同增压压力缸内燃烧压力和放热率曲线图

图10为汽柴油双燃料发动机常规排放物随着柴油主喷正时变化而变化的曲线图。如图a）所示，两种不同增压压力NOx排放均随着主喷正时的推后，呈现单调递减的趋势。原因跟2.2部分相同。同时，相同柴油主喷正时，增压压力0.17 MPa工况NOx排放低于增压压力0.16 MPa工况。对于Soot排放，同样是增压压力0.17 MPa工况低。其主要是因为，增压压力大，发动机充量大，过多的空气可以有效降低发动机缸内温度，进而有效降低NOx排放。相同原理，增压压力大可以提升发动机充量，进而使得汽油和预喷柴油与空气充分混合，而降低Soot排放。在高增压压力工况，THC排放和CO排放因缸内新鲜空气多使得燃料燃烧充分，而排放低。因此，提升双燃料发动机的增压压力可以有效改善排放水平。

2.4柴油轨压对汽柴油双燃料发动机性能影响

为了研究柴油机共轨喷射压力对汽柴油双燃料发动机性能的影响，设置增压压力、预喷油量、主喷油量、预喷时刻、主喷时刻和EGR率为固定值，研究50 MPa和70 MPa两种不同共轨压力工况下汽柴油双燃料发动机性能。试验工况具体参数如表5所示。

图10　不同增压压力常规排放物曲线图

表5　发动机运行参数

如图11所示，50 MPa和70 MPa两种不同共轨压力工况汽柴油双燃料发动机油耗随着主喷正时的推后呈现单调升高趋势。原因与前文其他部分类似，在此不再赘述。在相同主喷正时工况下，如20°CA ATDC，柴油共轨压力70 MPa工况油耗低于共轨压力50 MPa工况。其因为高柴油共轨压力能够有效改善柴油雾化效果，进而提升燃烧效率，降低油耗。

图12为不同共轨压力缸内燃烧压力和放热率曲线图。正如图中所示，柴油共轨压力70 MPa工况缸内燃烧压力峰值略高于共轨压力50 MPa工况。同时，柴油共轨压力70 MPa工况放热率峰值明显高于共轨压力50 MPa工况，并且起始放热时刻迟于共轨压力50 MPa工况。但是，对于主喷柴油放热峰值和放热时刻，结论正好相反。

高柴油共轨压力可以有效细化预喷柴油和主喷柴油喷射液滴，改善燃料与空气混合效果。柴油共轨压力70 MPa喷射出的预喷柴油在缸内与空气形成较之共轨压力50 MPa工况更加均质的混合气。因预喷柴油与汽油和空气混合气更加均匀，其起燃温度则需更高，故其滞燃期长于共轨压力50 MPa工况。然而，当共轨压力70 MPa工况缸内混合气达到起燃温度时，因其更加均质的混合气多处着火，故其燃烧速度和放热率峰值更高。同时，因预喷柴油和汽油放热峰值迟于共轨压力50 MPa工况。

图11　不同共轨压力汽柴油比例和油耗曲线图

图12不同共轨压力缸内燃烧压力和放热率曲线图

图13为共轨压力70 MPa和50 MPa两种不同共轨压力下汽柴油双燃料发动机常规排放物曲线。如图13 a）所示，在相同柴油主喷正时工况下，柴油轨压70 MPa工况的NOx排放低于轨压50 MPa工况。其主要原因：柴油共轨压力愈高，燃料喷雾粒度愈细，其雾化效果越好。喷油雾化效果越好，其燃烧效率越高，同时缸内燃烧温度也越高。故，汽柴油双燃料发动机在相同主喷正时工况下，柴油共轨压力为70 MPa工况NOx排放更高。

图13　不同共轨压力常规排放物曲线图

图13b）为汽柴油双燃料发动机不同共轨压力工况下Soot排放曲线图。由图可知，不同柴油喷射压力工况下的Soot排放呈现相同趋势。同时，在相同柴油主喷时刻，共轨压力70 MPa工况Soot排放值更低。其主要原因是因为，高共轨压力能够改善雾化效果。良好的雾化效果能够保证燃料与空气形成更加均质的混合气，减少缸内过浓区域的存在，进而有效降低了Soot排放。同时，HC和CO排放规律可以用上述原因进行解释。

3　结论

1）汽柴油双燃料发动机随着主喷正时的推迟，油耗水平呈现上升水平。在主喷正时相同工况，主喷油量越大，其油耗越高，NOx排放与Soot排放也越高。

2）在相同柴油时刻工况下，柴油预喷时刻提前可以有效提升燃料与空气的混合均匀性，其燃料在上止点后放热，能够有效降低汽柴油双燃料发动机的常规排放物。

3）增压压力高能够提升汽柴油双燃料发动机充量，较多的空气有效降低了发动机缸内的燃烧温度，故降低了NOx排放；同时，较多的空气与燃料形成更加均匀的混合气，而降低了Soot排放。

4）高柴油共轨压力能够提升燃油雾化能力，进而有效改善发动机燃烧和排放。故，柴油共轨压力70 MPa工况下，油耗和常规排放物明显好于柴油工况压力50 MPa工况。

5）在上述四种参数性能研究中发现汽柴油双燃料发动机HC和CO排放水平较高。HC和CO排放降低措施为今后重点研究方向。

1Kodama Y，Nishizawa I，Sugihara T，et al.Full-load HCCI operation with variable valve actuation system in a heavyduty diesel engine［C］.SAE Paper 2007-01-0215

2Asad U，Zheng M，Han X，et al.Fuel injection strategies to improve emission and efficiency of high compression ratio diesel engines［J］.SAE Paper 2008-01-2472

3Zheng M.，Kumar R.Implementation of multiple-pulse injection strategies to enhance the homogeneity for simultaneous low-NOxand low-soot diesel combustion［J］.Int.J. Thermal Sciences，2009，48（9）:1829-1841

4Asad U.，Zheng M.Efficiency of EGR and boost in singleinjection enabled low temperature combustion［J］.SAE Int. J.Engines，2009，2（1）:1085-1097

5Kokjohn S，Hanson R，Splitter D，et al.Fuel reactivity controlled compression ignition（RCCI）:a pathway to controlled high-efficiency clean combustion［J］.Int.J.Engine Research，2001，12（3）:209-226

6De Ojeda W，Bulicz T，Han X，Zheng M，et al.Impact of fuel properties on diesel low temperature combustion［J］.SAE Int.J.Engines，2001，4（1）:188-201

7Lu X，Han D，Huang H.Fuel design and management for the control of advanced compression-ignition combustion modes［J］.Prog.Energy and Combustion Science，2011，37（6）:741-783

8Gao T，Divekar P，Asad U，et al.An enabling study of low temperature combustion with ethanol in a diesel engine［C］. ASME Internal Combustion Engine Division's Fall Technical Conference，ICEF2012-92176，2012

An Experimental Study on Performance of Gasoline/ Diesel Dual-Fuel Engine

Li Xucong，Shi Xiaogang，Wang Chao，Liu Xiaona，Gao Dingwei
Technique Center of Great Wall Motor Company Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）

Based on a traditional diesel as prototype engine，the gasoline/diesel dual-fuel combustion is realized on modified engine with adding gasoline supplying system.In this paper，the effect of quantity of main injection，pre-injection timing，turbocharged pressure and diesel common rail pressure on gasoline/ diesel dual-fuel engine was studied deeply.

Gasoline/diesel dual-fuel，Quantity of main injection，Pre-injection timing，Turbocharged pressure，Diesel common rail pressure

TK407.9

A

2095-8234（2015）04-0006-10

2015-03-30）

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。