喷射比对汽-柴油双燃料压燃发动机燃烧及微粒排放特性的影响研究

段加全,梁镇东,韩令海,宫艳峰,解方喜,李小平

(1.中国第一汽车股份有限公司研发总院,吉林 长春 130000;2.吉林大学汽车底盘集成与仿生全国重点实验室,吉林 长春 130025;3.吉林大学汽车工程学院,吉林 长春 130025)

随着排放法规的进一步严苛,车用发动机的“高效清洁”技术发展至关重要,采用新型的燃烧模式来改善内燃机的燃烧过程以减少NOx和微粒等污染物的排放是一种有效手段。这些模式,例如均质充量压燃(HCCI)、低温燃烧(LTC),具有热效率高的优点,且可同时降低NOx和微粒排放,因而成为研究热点,但其燃烧过程主要受化学动力学控制,存在着火时刻及燃烧速率不可控、运行工况狭窄等缺点[1-5]。2009年,美国威斯康辛大学Kokjohn等[6]提出活性控制压燃(RCCI)的燃烧模式,但其在大负荷以及较高的汽油比例时由于燃烧粗暴而受到限制。清华大学王建昕等[7]提出均质混合气引燃(HCII)燃烧模式,此模式建立在着火和蒸发特性差别较大的两种燃料(汽油与柴油)的基础上,通过进气道喷射汽油形成均质混合气,缸内直喷柴油进行引燃,可以很好地控制着火始点,在一定范围内提高热效率并实现基本无烟燃烧。

国内外学者针对HCII模式展开了大量研究。于超等[8]在一台高压共轨柴油机上研究了丁醇比例以及EGR对HCII燃烧模式的影响,试验得到的指示热效率高于原机,丁醇燃料的能量利用率得到了提高。张海燕等[9]在某6缸柴油机上实现均质引燃模式的多缸运行,确立了汽油比例和EGR率优化的基本原则,全面达到国Ⅴ排放标准。任烁今等[10]在重型多缸柴油机上研究了喷油压力等发动机主要控制参数对HCII燃烧和排放的影响,研究表明,负荷影响工况范围内的燃烧控制策略,而通过降低压缩比的方式可以拓展最高汽油比例。

总体看来,目前对于均质混合气引燃(HCII)模式下的研究主要集中于发动机燃烧和常规气体排放物,对于微粒排放包括微粒形态及粒径的研究甚少。因此,本研究基于均质混合气引燃(HCII)燃烧模式,利用一台车用2.8 L高压共轨增压柴油机,在最大扭矩点转速1 600 r/min下,针对低中高负荷工况,提出了一种汽-柴油部分预混的燃烧策略,研究了不同负荷下喷射比对汽油-柴油燃烧和排放过程的影响,旨在为实现全负荷工况下汽-柴油双燃料压燃发动机最优燃烧和排放尤其是微粒排放提供数据支撑。

1 试验装置及试验方法

试验所用汽油-柴油双燃料发动机是以一台皮卡车用2.8 L高压共轨增压柴油机为基础改造而成,其基本参数如表1所示。对燃油喷射系统进行改造,增加了一套燃料供给系统,实现了高活性燃料(柴油)缸内直喷、低活性燃料(汽油)进气道喷射的功能。其中,为了使缸内混合气混合更均匀并避免压升率过高,柴油使用二次喷射的方式,喷射压力固定为85 MPa,主喷时刻固定于-6°,预喷时刻固定于-16°,预喷柴油量占总柴油喷射量的10%;汽油的喷射压力固定为0.35 MPa,喷射时刻固定于-340°。两种燃料的理化性质如表2所示。

表1 试验用发动机基本参数

表2 汽油和柴油的燃料特性

图1示出了试验发动机台架。试验所需的仪器设备如表3所示。

图1 发动机测试平台示意

表3 测试设备

试验以发动机平稳运行为原则,即最大压升率不能超过1.5 MPa/(°),最大缸内压力pmax不能超过19 MPa,同时要求循环变动COV不能超过4%。在此基础上,试验转速选定发动机最大扭矩点转速1 600 r/min,控制进气温度为45 ℃,选取工况点为25%、50%、75%负荷。保持汽柴油比例及喷射时刻相同,仅通过改变汽柴油喷射量来调节负荷变化。保持每循环燃油总热值相同,因此负荷可能会略微有波动,3种负荷下的单缸每循环热值分别为6.8 kJ/cyc,10.2 kJ/cyc,14.45 kJ/cyc。

(1)

(2)

微粒的数量浓度转换成质量浓度的公式如下:

(3)

式中:M为微粒质量浓度;dp为对应微粒的粒径;ρ为该微粒的数量浓度。

喷射比的计算公式如下:

(4)

式中:m1和m2分别为每循环汽油质量和柴油质量;h1和h2分别为汽油低热值和柴油低热值。

2 试验结果与分析

2.1 喷射比对燃烧过程的影响

图2示出不同负荷下喷射比对汽-柴油双燃料发动机缸压及放热率的影响。试验表明,当负荷为25%时,峰值缸压随着喷射比的增加逐渐降低,峰值放热率则是先增加后减小,喷射比为40%时达到最大,不同喷射比下峰值缸压及峰值放热率的相位基本相同,整个燃烧持续期较为短暂。原因是小负荷时缸内压力和温度较低,整个缸内环境氛围不利于汽油的均质燃烧,而随着喷射比的增加,缸内更少的柴油引燃更多的汽油,加剧此现象的发生,使得缸内压力降低。当负荷为50%时,峰值缸压随喷射比的增加变化不大,40%和60%喷射比时,放热率曲线呈近似双峰形态,均在5°附近达到峰值放热率。当负荷为75%时,整个燃烧过程出现多段放热现象,随着喷射比的增加,属于预混燃烧[11]阶段的峰值缸压随之增加,且其出现的相位逐渐前移,峰值放热率也逐渐增加。可见在高负荷下,预混燃烧仍在双燃料发动机燃烧过程中占有一定比例。不同负荷工况下喷射比对放热率的影响不同,25%和50%负荷下会获得更高的放热率,因此,在中小负荷下,宜采用中等的喷射比以获得更高的放热率,而对于大负荷工况来说,更大的喷射比可以使得缸内整个燃烧过程在更有效的区间充分放热,因此,在高负荷下宜采用较大的喷射比。

图2 不同负荷下喷射比对缸压及放热率的影响

图3示出不同负荷下喷射比对燃烧相位的影响。由图3可见,柴油主喷时刻均固定于-6°,在同一负荷下,随着喷射比的增加,滞燃期逐渐略微增加,而燃烧持续期持续缩短。这是由于所喷入的汽油增加,柴油减少,一来更多的汽油汽化导致缸内温度减少,二来更少的柴油意味着缸内燃料活性更低,从而导致更长的滞燃期。对于整个燃烧持续期的缩短,是因为随着喷射比的增加,整个燃烧过程从原来的扩散燃烧为主逐渐变为预混燃烧为主,使得燃烧速率加快。在25%负荷时,随着喷射比的增加,CA10几乎不变,而CA50略有滞后,这意味着在此负荷下,纯柴油燃烧或者小喷射比模式更优,过大喷射比反而带来更滞后的燃烧,这与图2的放热率曲线相对应;而在50%负荷时,CA10变化不大,随着喷射比的增加,CA50逐渐提前,整个燃烧持续期缩短,这说明在此负荷下,宜采用高喷射比的燃烧策略。

图3 不同负荷下喷射比对燃烧相位的影响

图4示出不同负荷下喷射比对缸内平均温度的影响。试验表明,25%负荷时,随着喷射比的增加,缸内平均温度略微下降,且峰值缸温相位几乎一致。50%负荷时,随着喷射比的增加,燃烧开始前温度逐渐略微降低,这是由于喷入更多的汽油导致更早的汽化吸热。而在燃烧开始后,缸温均随着喷射比的增大而呈现上升趋势,在60%喷射比时达到最高缸温,约为1 460 K。当负荷为75%时,即大负荷时,不同喷射比条件下缸内温度急剧上升的时刻均提前到了上止点附近,且随着喷射比的增加,峰值缸温逐渐增加且相位不断提前。40%喷射比下的峰值缸温较纯柴油峰值缸温增加了约10%,再次印证了高负荷下更高的喷射比意味着更早更快的燃烧,因此,在高负荷工况下,宜采用大的喷射比。

对于以生长为主的幼树，为扩大树冠、促进新梢生长，可采取施肥或喷肥补充营养、喷生长促进剂等措施；对于进入结果期的树，要在这些时期采取拉枝、摘心、捋枝、拿枝、喷生长抑制剂等方法控制新梢生长，促进成花结果。

图4 不同负荷下喷射比对缸内平均燃烧温度的影响

图5示出不同负荷下喷射比对扭矩和当量柴油有效燃油消耗率的影响。由图5可知,25%负荷时,随着喷射比的增加,双燃料发动机扭矩不断降低,有效燃油消耗率不断增加,60%喷射比时较原柴油机扭矩减少了约20%,燃油消耗率增加了约19%,动力性及经济性均急剧下降。在50%负荷时,喷射比从0增加到40%时,扭矩逐渐降低,有效燃油消耗率逐渐增加,此时的动力性和经济性达到最差,而继续增加喷射比到60%时,经济性和动力性有所提升,与纯柴油模式相比,动力性没有明显变化,油耗小幅增加。随着负荷增加到75%,扭矩和有效燃油消耗率的变化趋势逐渐一致且均在40%喷射比时达到最佳动力性和经济性。可见,高负荷下较高的喷射比可改善缸内燃烧过程,小幅度提高动力性和经济性。因此,无论是出于经济性还是动力性考虑,在中小负荷时,宜采用纯柴油的燃烧模式,而在高负荷时,宜采用较高喷射比的燃烧模式。

图5 不同负荷下喷射比对动力性及经济性的影响

2.2 喷射比对气体排放及微粒排放的影响

2.2.1 喷射比对气体排放的影响

图6示出不同负荷下喷射比对双燃料发动机常规排放物的影响。25%负荷时,随着喷射比的增加,HC、CO的排放急剧增加,喷射比为60%时HC排放约为原机3.5倍,CO排放约为原机的2.5倍,NOx排放略微降低但变化不大。可能的原因是由于低负荷时,缸内油量增加,加上气缸壁温度较低引起火焰淬熄导致了HC、CO排放的急剧上升。随着负荷的增加,更多的混合气被压燃,燃烧速率更快且火焰传播得更广,狭隙中混合气未燃的概率和火焰淬熄的概率减少,使得HC、CO进一步被氧化,所以排放较低负荷时更少,NOx则随着缸内平均温度的升高急剧增加,但是喷射比对常规气体排放物的影响与小负荷趋势基本一致。即在中高负荷时,随着喷射比的增加,HC、CO的排放逐渐增加,在50%负荷时,HC的增幅高于CO,而在75%负荷时,CO的增幅高于HC;两种负荷下,NOx排放随喷射比的增加变化不大,仅略微下降,这是由于随着汽油量的增加,燃烧模式逐渐往预混燃烧倾斜,导致NOx排放降低,但由于在中高负荷下NOx排放本来就较高,改变喷射比对其影响很小。因此,在中小负荷工况下,适当地采用较小的喷射比,能够产生更低的HC、CO排放和一个折中的NOx排放;而在大负荷工况下,NOx排放随喷射比增加基本不变,为减少HC和CO排放可以使用允许条件下最小的喷射比。

图6 不同负荷下喷射比对气体排放物的影响

2.2.2 喷射比对微粒数量浓度的影响

图7示出不同负荷下喷射比对双燃料发动机微粒排放数量浓度及粒径分布的影响。其中核态微粒粒径范围为3～50 nm,集聚态微粒粒径范围为50～100 nm,超大微粒粒径范围为大于100 nm。由图可知,各个负荷工况下,随着喷射比的增加微粒数量浓度逐渐下降,各个负荷工况下核态和集聚态微粒下降趋势不同。25%负荷时,总的微粒数量浓度较小,此时核态微粒占据主导地位,随着喷射比的增加,核态和集聚态微粒数量浓度均减少,但仍旧是前者数量浓度占比更多。50%负荷时,集聚态微粒数量浓度在小喷射比时占据主导地位,当喷射比增加到60%时,核态微粒数量浓度和集聚态微粒数量浓度大致相同。而在75%负荷时,随着喷射比的增加,总的微粒数量浓度有所下降,但幅度不大,且在增加的过程中,核态微粒的数量浓度一直略小于集聚态微粒数量浓度。这是因为随着所喷入汽油比例的增加,混合燃料的活性改变,双燃料发动机燃烧模式愈发接近于预混燃烧,导致微粒排放数量也愈发减少。因此,在小中高三个负荷条件下,均可采用较大的喷射比来获得更少的微粒数量浓度排放。尤其是在小负荷时,高的喷射比带来的是近90%的微粒数量浓度减少。此外,峰值微粒数量浓度处的粒径随着喷射比的增加变化不大:25%负荷时随着喷射比的增加,峰值微粒数量浓度处粒径略微右移5～10 nm,小负荷时粒径为10～50 nm和50～100 nm的微粒占据绝大部分;中高负荷时,随着喷射比的增加,峰值微粒数量浓度处粒径逐渐转移至50～100 nm,且随着负荷的增加,粒径为100～200 nm微粒也逐渐增加。这说明喷射比改变对微粒形态的改变影响不大,小负荷下核态微粒占多数。而随着负荷的增加,集聚态微粒占主导。因此,就减少微粒数量浓度排放来说,增加喷射比是一种正确的选择,在小中高负荷条件下都是适用的。

图7 不同负荷下喷射比对微粒排放数量浓度及粒径分布的影响

2.2.3 喷射比对微粒质量浓度的影响

图8示出不同负荷下喷射比对双燃料发动机微粒排放质量浓度及粒径分布的影响。由图可知,中小负荷时,随着喷射比的增加,微粒质量浓度明显呈阶梯式下降,且核态和集聚态下降趋势一致;大负荷时,随着喷射比的增加,微粒质量浓度先减少,后于40%喷射比时略微增加。此外,25%负荷和75%负荷时,微粒质量浓度的粒径分布均出现双峰,25%负荷的主峰出现在100 nm左右,75%负荷的主峰出现在150～200 nm,两个负荷的次峰均出现在500 nm以后,25%负荷时,随着喷射比的增加次峰略有前移。小负荷时,峰值微粒质量浓度处的粒径随着喷射比的增加变化不大;但是50%负荷时,峰值微粒质量浓度处的粒径较25%负荷时逐渐从50 nm左右向100 nm偏移,形态由核态占多数转变为集聚态占多数。大负荷时,随着汽油的加入,峰值微粒质量浓度处的粒径逐渐增大,整个负荷区间集聚态微粒质量浓度占比更大。这是因为微粒的成分主要由炭烟、可溶性有机物、灰尘(以金属灰尘为主)、硫酸盐和硝酸盐等成分组成,而柴油加入汽油以后导致可溶有机物和THC[12-15]增加,因而形成的微粒峰值粒径更大。就减少微粒质量浓度排放来说,增加喷射比可以大幅度减少小中高负荷下的微粒质量浓度排放。

图8 不同负荷下喷射比对微粒排放质量浓度及粒径分布的影响

结合图7和图8可以看出,喷射比的改变对微粒数量浓度排放和质量浓度排放都有着极大的影响,增加喷射比在所有负荷下均能大幅减少微粒的数量浓度和质量浓度。25%负荷时,数量较多的是核态微粒,但是质量占比最多的为集聚态微粒,超大微粒也有一定占比,增加喷射比会使超大微粒的粒径前移,在此负荷下,增加喷射比对于微粒数量浓度和质量浓度的减少均起到显著作用。50%负荷时,微粒数量浓度由集聚态占据主导地位,而质量浓度的粒径分布继续右移,这是因为随着负荷的增加,更多的核态微粒集聚黏合在一起形成集聚态微粒和超大微粒,在此负荷下,增加喷射比依然可以显著减少微粒数量和质量浓度,且减少幅度相当。75%负荷时,微粒数量浓度的粒径分布继续右移,集聚态和超大微粒占据多数,质量浓度则与之类似,在此负荷下,喷射比从0增加到10%时,依然可以较大幅度地减少微粒的数量和质量浓度,但是继续增加喷射比到20%,微粒的数量浓度虽然有所下降,但是幅度很小,而此时质量浓度已经几乎不变,继续增加喷射比对于数量浓度的影响大于质量浓度,且微粒的质量浓度还有所上升,这说明在此负荷下,较小的喷射比可以适当地减少微粒的数量和质量浓度排放,不宜采用高喷射比策略。

3 结论

a) 随着喷射比的增加,滞燃期略微增加,燃烧持续期缩短,大负荷下增加喷射比使得峰值缸压增大且相位提前;

b) 相同负荷工况下,随着喷射比的增加,HC、CO排放急剧增加,NOx排放略微降低,所有喷射比下,高负荷NOx排放较中低负荷均有显著增加;随着喷射比的增加,微粒数量浓度在所有负荷下均有所下降,微粒质量浓度仅在中小负荷下降,喷射比的改变对微粒形态影响不大;

c) 双燃料发动机在1 600 r/min,75%负荷工况下,喷射比为40%时,相较于原机,扭矩最大增加了2%,NOx排放降低12%,核态微粒减少40%,集聚态微粒减少41%;

d) 在低负荷工况,原机燃烧更优,在中等负荷工况,采用汽-柴油双燃料部分预混燃烧策略有利于实现高效清洁燃烧。