柴油微引燃乙醇发动机燃烧、性能及排放特性研究

陈桢皓，李铁,2，王斌,2，GAO Tongyang,ZHENG Ming

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240;3.University of Windsor,Canada)

柴油微引燃乙醇发动机燃烧、性能及排放特性研究

陈桢皓1，李铁1,2，王斌1,2，GAO Tongyang3,ZHENG Ming3

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240;3.University of Windsor,Canada)

柴油微引燃乙醇发动机采用进气道喷射乙醇、缸内直喷微量柴油引燃的方式进行燃料供给。基于单缸四冲程柴油机，对其燃烧、性能及排放特性进行研究，固定引燃柴油喷射量为发动机能实现压燃着火的最小值，在进气压力为0.15 MPa时比较不同乙醇喷射量的工况组，通过改变柴油喷射时刻进行工况扫描。结果表明，引燃柴油的喷射时刻对发动机的燃烧、性能和排放影响显著。柴油微引燃乙醇发动机在中高负荷能够稳定运行，指示热效率可达34%以上，通过适当调节柴油喷射时刻，可以有效控制未燃碳氢(UHC)、NOx与CO排放，同时可以实现极低的炭烟排放。柴油微引燃乙醇发动机燃烧模式为预混合或部分预混合燃烧，燃烧有两阶段放热特征，改变引燃柴油喷射时刻，可以有效控制燃烧相位。

柴油机；乙醇；燃烧；排放；微引燃

压燃式发动机具有高效率、大扭矩等特点，以柴油为主要燃料的压燃式发动机广泛应用于船舶、汽车、军事和发电等领域。传统压燃式柴油机以扩散燃烧为主，具有效率高、扭矩大等特点，是各类运输、工程机械的主要动力来源。发动机大量燃烧化石燃料向大气中释放二氧化碳等温室气体，导致温室效应加重；同时，柴油作为不可再生资源，储量不断减少，价格将会上升，未来可能失去作为燃料的经济性。因此，柴油机代用燃料的开发及应用得到很大发展。

基于生物材料制备的乙醇，是具有碳中性的可再生能源，来源广泛。但是，乙醇活性低、汽化潜热大，难以压缩着火。因此，常采用乙醇-柴油双燃料方式应用于压燃式发动机中。用乙醇替代部分柴油作为燃料，能够有效降低NOx与炭烟排放。V. Gnanamoorthi等[1]将乙醇与柴油混合后，直喷入缸内进行燃烧，其燃烧模式仍然接近柴油的扩散燃烧模式，由于乙醇与柴油混合燃料的稳定性较差，使得其难以储存[2-3]。R. F. Britto和姚春德等[4-5]采用了以进气道喷射乙醇、缸内直喷柴油的方式实现双燃料工作模式，这种工作模式使用预混合的乙醇来部分替代直喷柴油，解决了混合燃料稳定性问题，但柴油替代率不高，柴油仍为主要燃料，不能有效解决未来柴油供应短缺、价格大幅上涨带来的燃料经济性问题。H. Ogawa等提出了一种新的压燃式发动机燃烧模式，即通过进气道喷射低活性燃料方式在缸内形成均质的可燃混合气，采用直喷方式喷入微量活性较高的燃油来引燃之前导入的低活性预混合气体[6]。不同于以往的双燃料工作模式，这种燃烧模式主要以预混合燃烧方式进行，能量主要来自于乙醇燃烧。喷射微量柴油作为引火源可以提供高于传统火花塞放电数千倍的点火能量，实现高效清洁的稀薄燃烧，使得以可再生生物质燃料为主燃料、微喷柴油点火的燃烧模式成为未来动力源的可能选项之一。

本研究采用进气道喷射乙醇、缸内直喷微量柴油的供油方式，通过导入高活性柴油引燃缸内均质的乙醇-空气预混合可燃气体。本研究中所采用的柴油喷射量，是试验发动机能实现压燃着火的最小柴油量。通过调整发动机的乙醇喷射量、引燃柴油的喷射时刻等方式，对柴油微引燃乙醇发动机的各特性进行研究。

1 试验装置与方法

试验用发动机由商用的4缸发动机改制而来，其主要结构与电控参数见表1。燃料的主要理化特性见表2。图1示出所采用的单缸四冲程压燃式发动机测试系统示意(EGR系统在本试验中未使用)。

表1 柴油微引燃乙醇单缸发动机主要参数

表2 燃料的主要物理化学特性

试验中，采用AVL GU13P压电式压力传感器测量发动机缸内的瞬时压力变化。在相同工况下，连续测试发动机的200个工作循环，以进行缸内压力平均值的计算。基于所得到的缸内压力平均值，进行发动机的放热率分析。放热率计算方法由公式(1)给出[7]：

(1)

式中：γ为缸内工质的比热容比；p为缸内压力；V为气缸容积；φ为曲轴转角。使用CAI的尾气排放分析仪对发动机的NOx、未燃碳氢(UHC)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)进行测试。炭烟浓度采用AVL 415S烟度计测试。

2 微引燃柴油喷射时刻对发动机特性的影响

为了研究引燃用柴油的喷射时刻SOI(Start of injection)对发动机燃烧的影响，固定进气压力为0.15 MPa，分别采用了4种不同的乙醇喷射量进行柴油喷射时刻扫描。试验方案的设计见表3。

表3 0.15 MPa进气压力下试验设计方案

定义乙醇喷射量28 mg/cycle的工况组为低负荷工况组，乙醇喷射量34 mg/cycle与40 mg/cycle的工况组为中负荷工况，乙醇喷射量50 mg/cycle 工况组纳入与中高负荷工况组的对比。每组工况点的柴油喷射时刻范围受COVpi(不超过3%)、最大压力升高率(不超过2 MPa/(°))、指示热效率(不低于26%)及熄火限制。

图1 柴油微引燃乙醇单缸发动机测试系统示意

2.1 柴油喷射时刻对燃烧的影响

图2示出在不同的乙醇喷射量下，着火滞燃期随引燃柴油喷射时刻的变化规律。微引燃柴油的喷油持续期仅为2.4°曲轴转角，而图2中所示的着火滞燃期均在7.62°以上，说明实际着火时刻均位于柴油喷射结束之后。由此可知，整个燃烧过程为预混合或部分预混合燃烧[8-9]，这将有利于减少发动机NOx和炭烟排放。

另外，当柴油喷射时刻处于-12°ATDC～-6°ATDC范围内时，着火滞燃期相对较短。若柴油喷油时刻提前幅度超过-12°ATDC，着火滞燃期显著增加，有可能削弱柴油喷油时刻与实际着火时刻的相关性，不利于对燃烧的控制。

图2 着火滞燃期随柴油喷射时刻的变化

图3和图4分别示出燃烧持续期和燃烧相位随柴油喷射时刻的变化规律，这里燃烧持续期定义为从燃料放出5%的热量到燃料放出95%的热量所经历的曲轴转角，燃烧相位定义为燃料放出50%热量时对应的曲轴转角。对于乙醇喷射量为34 mg/cycle的工况组而言，随着柴油喷射时刻的提前，燃烧持续期呈现先增长后缩短的趋势，燃烧相位呈现先提前后推迟的趋势。对于乙醇喷射量为40 mg/cycle和50 mg/cycle的工况组，随着柴油喷射时刻的提前，燃烧持续期呈现先缩短后增长的趋势，燃烧相位呈现持续提前的趋势。

图3 燃烧持续期随柴油喷射时刻的变化

图4 燃烧相位随柴油喷射时刻的变化

图5示出乙醇喷射量为34 mg/cycle、进气压力为0.15 MPa时，柴油喷射时刻分别为-20°ATDC,-17°ATDC和-13°ATDC的工况点的放热率与缸内压力曲线。

图5 放热率与缸压曲线对比(乙醇喷射量34 mg/cycle)

柴油喷射时刻为-20°ATDC和-17°ATDC的工况点柴油喷射时刻相差3°，由于前者的着火滞燃期更长，两工况燃料开始放热时的曲轴转角非常接近。相对于柴油喷射时刻为-17°ATDC和-13°ATDC的工况点，-20°的工况点不存在明显的两阶段放热。柴油喷射时刻提前，高活性的柴油与低活性的乙醇有更充分的时间混合，缸内燃料的整体活性提升，当压缩至可以发生自燃的温度和压力时，燃料多处自着火放热，仅出现一个放热峰值。相对于柴油喷射时刻为-17°ATDC的工况点，柴油喷射时刻为-13°ATDC的工况点燃烧开始时刻更晚，虽然后者着火滞燃期更短，但着火滞燃期的减小不能抵消柴油喷射时刻的延后，这说明乙醇是由柴油引燃的。柴油喷射时刻滞后但早于上止点时，缸内柴油喷雾卷吸的乙醇-空气混合气更多，引燃柴油喷雾周围的乙醇密度更大，更容易被柴油引燃，因此，柴油喷射时刻为-13°的工况点的第一阶段放热比例更高，燃烧持续期更短。

图6示出乙醇喷射量为40 mg/cycle、进气压力为0.15 MPa时，柴油喷射时刻分别为-11°ATDC，-8°和-6°的工况点的放热率与缸内压力曲线。随着柴油喷射时刻的提前，燃烧开始时刻提前，同时，最大缸内压力更大，燃烧放热率峰值更高。在图6的柴油喷油时刻范围内，喷油时刻提前，燃烧相位更靠近上止点，燃烧放热更加集中，此时的UHC与CO排放也更低，具有更高的燃烧效率。对于柴油喷射时刻为-11°ATDC的工况，虽然该工况的缸内压力、放热率更大，但由于在上止点前缸内压力较大，等容度较低，传热损失更大，指示热效率低于柴油喷射时刻为-8°的工况点(见2.2节)。柴油喷射时刻为-8°ATDC的工况点相对于-11°的工况点第一阶段放热更多，相对于-6°的工况点放热更集中，因此燃烧持续期更短，放热等容度更高。

图6 放热率与缸压曲线对比(乙醇喷射量40 mg/cycle)

图7示出乙醇喷射量为50 mg/cycle、进气压力为0.15 MPa时，柴油喷射时刻分别为-6°ATDC，-4°和-3.5°工况点的放热率与缸内压力曲线。该工况组的燃烧基本发生于上止点以后，缸内压力、放热率对柴油喷射时刻敏感度高。

图7 放热率与缸压曲线对比(乙醇喷射量50 mg/cycle)

图8示出最大压力升高率随引燃柴油喷射时刻的变化规律。对于乙醇喷射量为34 mg/cycle的工况组，随着柴油喷射时刻的提前，最大压力升高率呈现先上升后下降的趋势；对于乙醇喷射量为40 mg/cycle的工况组，随着柴油喷射时刻的提前，最大压力升高率先快速上升，而后相对稳定；对于乙醇喷射量为50 mg/cycle的工况组，随着柴油喷射时刻的提前，最大压力升高率快速上升，若进一步提前柴油喷射时刻，最大压力升高率会超过本试验允许的2 MPa的阈值，同时循环波动率COVpi会明显上升，超过4%；进一步延后柴油喷射时刻至-3°ATDC会导致工作不稳定，COVIMEP超过9%。

图8 最大压力升高率随柴油喷射时刻的变化

2.2 柴油喷射时刻对发动机性能的影响

图9示出在不同的乙醇喷射量下，缸内平均指示压力pi随引燃柴油喷射时刻的变化规律。乙醇喷射量不同，对应的pi亦不相同。50 mg/cycle乙醇喷射量对应的pi最大值为1.07 MPa，而34 mg/cycle乙醇喷射量对应的pi最大值仅为0.73 MPa。

图9 平均指示压力随柴油喷射时刻的变化

当引燃柴油喷射时刻逐步提前，3种不同的乙醇喷射量所对应的pi均会出现先上升后下降的趋势。对于34 mg/cycle的乙醇喷射量，当pi增加到0.75 MPa左右时趋于稳定，而后出现不明显的下降。对于40 mg/cycle的乙醇喷射量，pi上升阶段的SOI跨度较小，经过短暂的上升后，出现不明显的下降趋势。由图9可见，中负荷工况pi对柴油喷射时刻的变化不敏感，有较大的喷油策略变化空间，增加了燃烧控制的自由度与鲁棒性。乙醇喷射量50 mg/cycle的工况组对于柴油喷射时刻非常敏感，允许的柴油喷射时刻范围非常小，柴油喷射时刻的提前会导致最大压力升高率超过允许范围，工作粗暴，柴油喷射时刻的延后会导致指示热效率急剧下降，对控制策略要求较高。

图10示出指示热效率随柴油喷射时刻的变化规律。由于主要燃料乙醇采用进气道喷射的方式供给，不存在燃烧效率较高的扩散燃烧过程；燃烧过程存在火焰传播的情况，且部分乙醇可能进入气缸的各处间隙，燃料的燃烧效率总体偏低，试验工况指示热效率较原机有所降低，原机指示热效率为40%～45%。

图10 指示热效率随柴油喷射时刻的变化

指示热效率与pi趋势类似。起初，随着引燃柴油喷射时刻逐步提前，指示热效率快速上升。对于34 mg/cycle的乙醇喷射量，在允许的柴油喷射时刻范围内，指示热效率持续上升，在柴油喷射时刻提前至-10°ATDC后，上升趋势减缓，指示热效率稳定在33.75%左右。对于40 mg/cycle的乙醇喷射量，指示热效率先上升后下降，在pi达到最大值的同时，指示热效率亦达到其最大值33.76%。

在柴油喷射时刻相同的情况下，负荷越大，指示热效率越高，原因可能为高负荷时乙醇喷射量更多，混合气当量比更高，燃烧得更加充分。同时，图9中高负荷工况点的COVpi均低于1.34%，在允许的柴油喷射时刻范围内，有较好的工作稳定性。

2.3 柴油喷射时刻对排放的影响

图11示出柴油喷射时刻对NOx排放的影响。对于34 mg/cycle的乙醇喷射量，随着柴油喷射时刻的提前，NOx排放呈现明显的先增加后减小的趋势。这是因为随着柴油喷射时刻的提前，燃烧相位愈发靠近上止点，从而使等容燃烧比例增加，缸内燃烧的平均温度也会增加，进而促进NOx生成。过度提前柴油喷射时刻，将会导致着火滞燃期拉长，柴油可以分布得更加均匀，局部高温区域减少，抑制NOx生成。对于乙醇喷射量为40 mg/cycle的工况组，由于发动机负荷较大，缸内平均温度较高，NOx生成量总体多于34 mg/cycle工况组。与乙醇喷射量为34 mg/cycle的工况组类似，随着柴油喷射时刻的提前，缸内燃烧的平均温度增加，进而促进NOx生成。如果进一步提前柴油喷射时刻，会导致燃烧放热过快，缸内压升率超过允许范围。乙醇喷射量为50 mg/cycle的工况组情况与40 mg/cycle的工况组类似，NOx生成量更高，允许的最早柴油喷射时刻同样受缸内压升率限制。

图11 NOx排放随柴油喷射时刻的变化

图12和图13示出柴油喷射时刻对UHC与CO排放的影响。对于柴油微引燃乙醇发动机而言，UHC和CO排放较为严重。进气道喷射乙醇，使得部分乙醇随着空气被卷吸入燃烧室间隙区，混合气较为稀薄且温度较低，很难完全燃烧。

图12 UHC排放随柴油喷射时刻的变化

图13 CO排放随柴油喷射时刻的变化

总体来看，乙醇喷射量大的工况组UHC与CO排放更低。因为，乙醇喷射量增大，发动机热负荷增大，缸内温度较高，低温区域减小，且混合气当量比大，促使乙醇燃烧效率提高。对于乙醇喷射量为34 mg/cycle的工况组，随着柴油喷射时刻的提前，燃烧相位愈发靠近上止点，从而使等容燃烧比例增加，缸内平均温度更高，低温区减少，促使乙醇燃烧效率提高，使得UHC与CO排放降低。过度提前柴油喷射时刻，会导致柴油分布更加均匀，当量比降低，着火滞燃期明显增加，燃烧相位延后，相对远离上止点，降低燃烧等容度，使得缸内平均温度降低，不利于乙醇完全燃烧，从而CO排放增加；同时，燃烧持续期有一定增加，更多的HC被氧化，从而降低UHC排放。对于乙醇喷射量为40 mg/cycle与50 mg/cycle的工况组，UHC与CO随柴油喷射时刻提前而降低的机理与34 mg/cycle的工况组类似。乙醇喷射量为40 mg/cycle、柴油喷射时刻为-5°ATDC的工况UHC排放较低，原因可能是此工况燃烧持续期长，更多的HC被氧化。

适当提前柴油喷射时刻，可以有效减少UHC和CO排放。这主要有两方面原因：首先，引燃柴油凭借较长的滞燃期，可以与更多的乙醇-空气预混合气体充分混合，从而提高更广泛区域内燃料的活性；其次，柴油喷射时刻的适当提前，可以改善燃烧相位，从而优化了缸内燃烧过程。

柴油微引燃乙醇发动机的炭烟排放极低，所有工况最大炭烟排放量为0.003 2 g/(kW·h)，数值低于欧Ⅵ标准限定值(0.01 g/(kW·h))的1/3，接近甚至小于测试设备的最小测试极限。因为该燃烧模式为预混合稀薄燃烧模式，几乎没有局部当量比大的区域。

3 结论

a) 柴油微引燃乙醇发动机的燃烧均为预混合燃烧或部分预混合燃烧，不存在扩散燃烧；燃烧有两阶段放热特征，大幅提前引燃柴油喷射时刻会使燃烧向单一阶段放热发展；

b) 柴油微引燃乙醇发动机在中高负荷工作稳定性好，有效避免了均质压燃发动机燃烧难以控制的情况；

c) 柴油微引燃乙醇发动机能实现极低的炭烟排放水平，所有工况点的炭烟排放均低于0.003 2 g/(kW·h)；

d) 柴油微引燃乙醇发动机能实现较低的NOx排放水平；高负荷时，NOx排放与发动机指示热效率之间存在trade-off关系，一般来讲，指示热效率高的工况，NOx排放水平较高；

e) 柴油微引燃乙醇发动机存在较为严重的UHC与CO排放问题，适当提前引燃柴油的喷射时刻，可以减少UHC与CO排放。

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Combustion,PerformanceandEmissionCharacteristicsofEthanol-fueledEnginewithDieselMicro-pilotInjectionIgnition

CHEN Zhenhao1,LI Tie1,2,WANG Bin1,2,GAO Tongyang3,ZHENG Ming3

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China;3.University of Windsor,Canada)

Ethanol-fueled engine with diesel micro-pilot injection ignition adopted the fuel supply method of ethanol port injection and diesel in-cylinder direct injection. On a single-cylinder four-stroke compression ignition engine, the combustion, performance and emission characteristics were researched. With the pilot diesel amount fixed as the minimum value to realize compression-ignition, pilot diesel injection timing sweeping tests were conducted based on different ethanol injection mass under intake air pressure of 0.15 MPa. Pilot diesel injection timing had a strong effect on combustion, performance and emission. The engine could work steadily at medium and high load and its thermal efficiency was more than 33%. With the appropriate pilot diesel injection timing, unburnt hydrocarbon, carbon monoxide and nitrogen oxide emission decreased and the ultra-low soot emission realized. In addition, engine combustion form of premixed combustion or partial-premixed combustion led to 2-stage heat release characteristic and so combustion phase could be controlled effectively by changing pilot diesel injection timing.

diesel engine;ethanol;combustion;emission;micro-pilot injection ignition (MPII)

2017-03-28;

2017-05-24

科技部国际合作(中加政府间)项目(2014DFG61320)

陈桢皓(1992—)，男，硕士，主要研究方向为柴油微引燃乙醇发动机的相关特性；czhjaccount@sjtu.edu.cn。

李铁(1974—)，男，教授，博士生导师,主要研究方向为先进内燃机燃烧、代用燃料技术等；litie@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.002

TK428.9

B

1001-2222(2017)06-0007-06

[编辑: 李建新]