汽柴比例对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

赵丛姣　李旭聪　康志强　王　超　高　嵩　于善颖（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）

·设计·计算·

汽柴比例对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

赵丛姣1,2李旭聪1,2康志强1,2王超1,2高嵩1,2于善颖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）

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进行深入的性能研究。研究结果显示：随着汽柴油比例的升高，缸内燃烧压力峰值和放热率峰值依次降低，对应相位依次推后；汽柴油双燃料发动机NO x排放和Soot排放随着汽柴油比例的升高依次降低；汽柴油比例的升高能有效降低汽柴油双燃料发动机燃油消耗率。

汽柴油双燃料发动机汽柴油比例缸内燃烧压力排放性能

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，因其具有相对于汽油机效率更高的优势。同时，现行和未来的排放法规日益严格，需要提高发动机的排放水平以适应排放标准。所以，节能减排的要求需要同时发展高热效率和低排放的内燃机技术。

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。其中以预混压燃或均质压燃（Premixed Charge Compression Ignition或Homogeneous Charge Compression Ignition，PCCI或HCCI）为代表的新型燃烧方式[1-5]，由于具有高热效率、低NO x和Soot排放等优点而得到广泛关注。但是，用于PCCI和HCCI燃烧方式的柴油和汽油都有各自的优缺点：汽油具有良好的挥发性。但其自燃品质较差，因此汽油在低负荷很难压燃；而柴油具有较好的自燃品质，但随着发动机负荷增加柴油的燃烧相位很难控制。同时，由于柴油的挥发性较差，很难形成均质混合气[6-8]。综上所述，在保证较高热效率和低排放的基础上，本试验采用汽油进气道喷射形成均质混合气，柴油缸内直喷引燃均质混合气的新型燃烧方式对发动机性能进行研究[9-11]。

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对汽柴油双燃料发动机性能的影响，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。

1　试验设备及试验方法

图1　发动机台架示意图和实物图

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。

如下图1所示，在原有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，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 622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NO x，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#，欧五柴油。

本文中所提到的汽柴油比例，燃油消耗率，EGR率均指以下定义：

其中：CO2int即EGR管路和新鲜空气混合后的气体CO2浓度；

CO2exh即发动机尾气里的CO2浓度；

CO2bkg即空气里的CO2浓度。

SOI(Startof Injection)为燃油起始喷射时刻；滞燃期为燃油喷射时刻到燃料开始放热时刻为止所经历的曲轴转角度数；CA50为燃料放热量达到50%所对应的曲轴转角。

2　试验结果与分析

为了研究汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机性能的影响，本试验选取900r/min，50N·m工况点进行试验研究。汽柴油双燃料发动机具体运行参数见表2。试验中，双燃料发动机引入8%EGR率，汽油喷射时刻为240°CA BTDC，汽油喷射量为9mg/cyc，柴油喷射压力固定为50MPa。

表1　发动机主要技术参数

表2　汽柴油双燃料发动机具体运行参数

2.1汽柴油比例对缸内燃烧特性的影响

汽柴油双燃料发动机采用进气道喷射汽油预混缸内喷射柴油扩散两种燃烧模式结合的新型燃烧模式。其中，进气道喷入的汽油与缸内空气充分混合形成均质混合气，再被缸内喷入的柴油引燃，实现汽油预混和柴油扩散相结合的新型燃烧模式。汽油和柴油在燃烧过程中具有各自的燃烧特点。故不同汽柴油比例会对缸内燃烧特性具有一定影响。

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900r/min,50N·m工况点以柴油主喷正时32°CA BDTC为例进行了四种汽柴油比例缸内燃烧特性测试试验和分析，如图2所示。

上图2为不同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。由图可知，在相同柴油主喷正时32°CA BDTC工况下，汽柴油比例越低，缸内燃烧压力和放热率峰值越高，其对应的曲轴相位越提前。同时，随着汽柴油比例的降低，汽柴油双燃料发动机CA50对应相位提前。

试验中，汽油喷射量固定为9mg/cyc，汽柴油比例越低则意味着柴油喷射量越高。柴油喷射量多会有效缩短缸内混合气滞燃期，进而缸内燃烧压力和放热率峰值对应燃烧相位提前。在此试验工况点下，65.1%汽柴油比例中的柴油量能保证汽柴油燃料的充分燃烧，进而提升缸内燃烧压力和放热率峰值。同时，较多的柴油不仅能有效缩短汽柴油混合气的滞燃期，也能够增加缸内混合气的着火点而提升燃烧速度，进而使得汽柴油双燃料CA50随着缸内汽柴油比例的降低而提前。

图2　不同汽柴油比例缸内燃烧特性

2.2汽柴油比例对排放特性的影响

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NO x、PM、THC和CO常规排放物。

图3为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机NO x排放的影响。由图可知，汽柴油双燃料发动机NO x排放随着柴油主喷正时的提前呈现单调下降趋势；同时，在相同柴油主喷正时工况下，汽柴油比例越低，汽柴油双燃料发动机NO x排放越高。在发动机排放的NO x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1800K时，NO的生成速率极低；到2000K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NO x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，作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。因此，随着汽柴油比例的提升，汽柴油双燃料发动机NO x排放逐渐降低。

图3　汽柴油比例对NO x排放的影响

图4为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机Soot排放的影响。如图所示，汽柴油双燃料发动机Soot整体排放水平远低于传统柴油机，最高值仅为0.01 g/（kW·h）。在相同柴油主喷正时工况下，汽柴油比例越低，汽柴油双燃料发动机Soot排放数值越高。

图4　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Soot排放物的产生。因此，汽柴油双燃料发动机Soot排放数值随着汽柴油比例的升高而降低。

图5和6分别为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机THC排放和CO排放影响曲线图。由图可知，汽柴油双燃料发动机THC排放和CO排放远高于传统柴油机水平。同时，汽柴油比例越高，汽柴油双燃料发动机THC排放和CO排放具有相同规律，均呈现出越高的排放趋势。

图5　汽柴油比例对THC排放的影响

图6　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，并且进入缸内各种罅隙中。故汽柴油双燃料发动机THC排放和CO排放远高于传统纯柴油机，并且随着汽柴油比例的升高而呈现单调升高的趋势。

图7为汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机燃油消耗率的影响。由图可知，在相同柴油主喷正时工况下，汽柴油比例越高，汽柴油双燃料发动机燃油消耗率越低。同时，在相同汽柴油比例工况下，柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机燃油消耗率影响不明显。

图7　汽柴油比例对燃油消耗率的影响

正如前文所述，汽柴油双燃料发动机采用进气道喷射预混和缸内直喷柴油扩散相结合的新型燃烧模式。汽柴油比例越高，汽柴油双燃料发动机燃烧模式中的预混燃烧比例越高。预混燃烧相对于扩散燃烧来说，其由燃烧速度造成的燃烧损失较小。故汽柴油比例高的工况，其燃油消耗率较低。同时，如图2不同汽柴油比例下的缸内燃烧特性所示，汽柴油比例越低的工况，其缸内燃烧压力峰值和CA50相位越提前，会造成压缩负功的增加，使得燃油消耗率恶化。鉴于上述两原因，汽柴油比例越高，其对应的燃油消耗率越低。

3　结论

在本文研究条件下，在900r/min@50N·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NO x排放依次降低；Soot排放逐渐降低；THC排放和CO排放由于汽柴油存在而远高于传统柴油机水平。

3）随着汽柴油比例的升高，汽柴油双燃料发动机燃油消耗率依次降低。

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

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

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

4刘斌，苏万华，王辉，等.调制多脉冲喷油模式放热特征和能量分布及其对热效率和排放的影响[J].内燃机学报，2006,24(5):385-393

5黄豪中，苏万华，裴毅强，等.MULINBUMP复合燃烧系统多次脉冲喷油控制参数的优化研究Ⅱ：5次脉冲喷油控制参数的优化[J].内燃机学报，2009，27(4):289-297

6 Shimazaki N,Tsurushima T,Nishimura T.Dual mode combustion conceptwith premixed diesel combustion by direct injection near top dead center[C].SAEPaper2003-01-0742

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

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

9 Loper 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

10尧命发，马帅营，童来会，等.燃烧参数对汽油/柴油双燃料HPCC性能和排放影响的试验[J].内燃机学报，2012,30 (4):289-295

11李旭聪，康志强，高定伟.汽/柴油双燃料发动机燃烧过程的影响因素[J].内燃机学报，2015,33(3):217-223

A Study on the Effectof Gasoline DieselRate on Performanceof Gasoline DieselDual-Fuel Engine

Zhao Congjiao1,2,LiXucong1,2,Kang Zhiqiang1,2,W ang Chao1,2,Gao Song1,2,Yu Shanying1,2
1-TechnicalCenter，GreatWallMotor Company Limited（Baoding,Hebei,071000,China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

As a prototype,a diesel engine wasmodified into dual-fuel engine,to which gasoline injection system was added for realizing the premixed combustionmodel.The performance of gasoline/diesel dualfuel engine was studied deeply,depending on gasoline injected into intakemanifold and ignited by diesel directly injected into cylinders.The result indicated:as gasoline diesel rate increases,the peak values of combustion pressure in-cylinder and heat release rate decrease relatively,and relative phases delay;the NO x emission and Soot emission of gasoline diesel engine reduce relatively with the increase of gasoline diesel rate;the BSFCofgasoline dieselenginegetsbenefit from the increase ofgasoline diesel rate.

Gasoline diesel dual-fuel engine,Gasoline diesel rate,Combustion pressure in-cylinder,E-mission performance

TK421+.28

A

2095-8234（2016）02-0021-05

2016-02-15）

赵丛姣（1986-），男，助理工程师，主要研究方向为柴油发动机燃烧。