柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能影响研究

赵丛姣　任 欢　常进才　王雪敏　　高定伟（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）

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柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能影响研究

赵丛姣1，2任 欢1，2常进才1，2王雪敏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）

摘要：以一台柴油机为原型机，增加进气道喷射汽油系统，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：随着柴油主喷正时推后，缸内燃烧压力和放热率第二峰值对应相位随之推后；同时，NOx排放随着柴油主喷正时推后得到有效改善，Soot排放随着柴油主喷正时推后有所恶化；柴油主喷正时的推后导致汽柴油双燃料发动机燃油消耗率上升。

关键词：汽柴油双燃料发动机柴油主喷正时缸内燃烧压力NOx排放

引言

随着社会和经济飞速发展，我国汽车保有量逐年增加。汽车的急剧增加给人类带来了资源匮乏和环境污染两大难题。鉴于此，政府有关部门颁发了严格的油耗法规和排放法规。为此，内燃机专家和学者提出了以HCCI（均质充量压缩点燃）、LTC（低温燃烧）和PCCI（部分预混充量压缩点燃）为代表的新型燃烧模式[1-9]。

新型燃烧模式HCCI、LTC和PCCI均能够在降低NOx排放和Soot排放的同时，保持发动机的高效率。但是，上述新型燃烧模式均存在着燃烧边界条件苛刻或者工况范围狭窄的不足。针对于此，威斯康辛大学Ritz教授提出了RCCI（活性控制压缩点燃）新型燃烧模式。此燃烧模式采用进气道和缸内喷入不同活性燃料，在不同负荷配比不同成分比例燃料而达到有效控制缸内燃烧，进而降低NOx排放和Soot排放，同时提高热效率[10-11]。

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。本文主要研究柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能影响，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

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

如图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。

图1　发动机台架示意图和实物图

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；试验中所用汽油为93#牌号，柴油为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气体的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50%所对应的曲轴转角。

图2　不同柴油主喷正时缸内燃烧特性

2　试验结果与分析

为了研究在不同EGR率条件下柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能的影响，本文以1300 r/min，30 N·m工况点为例进行发动机试验研究和数据分析。试验中，汽柴油双燃料发动机柴油喷射采用预喷和主喷两次喷射策略，柴油预喷用于引燃进气道喷入的汽油，柴油主喷用于弥补汽油和预喷柴油不足的功率。

汽柴油双燃料发动机具体运行参数见表2所示。汽柴油双燃料发动机进气压力保持为115 kPa，柴油共轨压力为10MPa，柴油主喷油量为5mg，汽油喷射时刻为240°CA BTDC。

表2　汽柴油双燃料发动机运行参数

2.1柴油主喷正时对缸内燃烧特性的影响

不同柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机缸内燃烧压力、燃烧放热率和CA50的影响如图2所示。由图所示，汽柴油双燃料发动机不同柴油主喷正时工况下缸内燃烧压力和放热率曲线均具有双峰值。缸内燃烧压力曲线第二个峰值随着主喷正时的推后，其对应相位逐渐推后并且降低。同时，随着柴油主喷正时推后，放热率曲线第二峰值呈现出依次推后的现象。再有，相同EGR率条件下，柴油主喷正时推后的工况点CA50也随之推后。

汽柴油双燃料发动机在此工况点采用进气道喷射汽油预混缸内直喷柴油扩散的新型燃烧模式，并且缸内直喷柴油分为预喷和主喷两次喷油。缸内喷入两次柴油在此新型燃烧模式中分别起到引燃汽油和提升扭矩的作用。其中，预喷柴油和进气道喷入的汽油燃烧形成燃烧压力和燃烧放热率第一峰，主喷柴油燃烧生成燃烧压力和放热率第二峰，如图2 a）和b）所示。在此工况点，汽油量较少并且预喷柴油量和预喷正时相同，进而第一峰值相差不大；虽然柴油主喷油量相同，但是主喷正时不同会导致压力曲线第二峰值的变化。随着主喷正时的推后，活塞开始下行，进而导致缸内压力峰值下降。在相同EGR率下，主喷正时的推后导致CA50推后，正如图2 c）所示。

2.2柴油主喷正时对排放特性的影响

为了探究柴油主喷正时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NOx、PM、THC 和CO常规排放物。

图3为不同主喷正时对汽柴油双燃料发动机NOx排放的影响。如图所示，不同主喷正时工况下的汽柴油双燃料发动机NOx排放均随着EGR率的增加呈现出单调下降的趋势。同时，在相同EGR率条件下，柴油主喷正时愈推后，其对应的NOx排放愈低。

图3　不同主喷正时NOx排放特性

在发动机排放的NOx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1800 K时，NO的生成速率极低；到2000 K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NOx生成量的最重要因素。

发动机缸内EGR率的增加能够有效抑制缸内燃烧温度降低。故随着EGR率的增加，汽柴油双燃料发动机NOx排放得到有效降低，如图3所示。同时，在此工况点下燃料放热做功比例中，主喷柴油占有较大比重。随着主喷正时的推后，缸内燃烧压力和燃烧温度下降，进而NOx排放降低，如图3所示。

图4为汽柴油双燃料发动机不同柴油主喷正时工况下Soot排放曲线。如图所示，整体来看不同柴油主喷正时下的汽柴油双燃料发动机Soot排放水平均维持在一极低水平，其数值基本均低于0.02 g/（kW·h）。同时，在相同EGR率下，柴油主喷正时推后的工况点，其Soot排放数值会升高。

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。

图4　不同主喷正时Soot排放

汽柴油双燃料发动机采用进气道喷入汽油预混缸内直喷柴油扩散相结合的新型燃烧模式。在此燃烧模式工况下，进气道喷入的预混燃烧模式汽油占总燃料比例约为34.1%~46.6%，其燃烧基本不会产生Soot排放。Soot排放主要产生于扩散燃烧模式的柴油，且主要来自于主喷柴油。故Soot排放的产生关键在于主喷柴油与缸内混合气混合均匀与否。柴油主喷正时愈推后，其滞燃期愈短，其与缸内混合气混合不均匀，导致Soot排放上升。

图5和6分别为汽柴油双燃料发动机不同柴油主喷正时THC排放和CO排放曲线图。如图所示，THC排放和CO排放整体排放数值相对于传统柴油机高出许多。同时，在相同EGR率工况下，随着柴油主喷正时的推后，THC排放和CO排放均出现升高的现象。

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。柴油主喷正时提前，其缸内较高的燃烧温度在一定程度上可以降低THC排放和CO排放。

图5 不同主喷正时THC排放

图6 不同主喷正时CO排放

图7 不同主喷正时燃油效率

图7为汽柴油双燃料发动机不同主喷正时燃油消耗率曲线。如图所示，在相同EGR率工况下，柴油主喷正时推后会导致燃油消耗率升高。

如上文所述，柴油主喷正时推后，燃料燃烧放热时刻活塞处于下行期间，其放热做功能力下降，进而导致燃料消耗率恶化。同时，柴油主喷正时推后，会造成THC排放和CO排放恶化，燃烧效率降低，也会导致燃料消耗率上升。

3　结论

在本文研究条件下，在1300r/min@30N·m工况点通过研究柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能影响，得出以下结论：

1）随着柴油主喷正时的推后，缸内燃烧压力和放热率第二峰值依次降低并且对应相位依次推后，CA50也相应推后。

2）随着柴油主喷正时的推后，汽柴油双燃料发动机NOx排放依次降低，Soot排放依次升高；THC排放和CO排放整体高出传统柴油机许多。

3）随着柴油主喷正时的推后，燃料做功能力和燃烧效率的下降导致汽柴油双燃料发动机燃料消耗率上升。

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中图分类号：TK421+.28

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）05-0001-06

收稿日期：（2015-04-14）

作者简介：赵丛姣（1986-），男，助理工程师，主要研究方向为柴油发动机燃烧。

A Study on the Effectsof DieselM ain Injection Tim ing on the Performanceof Gasoline/DieselDual Fuel Engine

Zhao Congjiao1,2,Ren Huan1,2,Chang Jincai1,2,Wang Xuem in1,2,Gao Dingwei1,2
1-Technical Center,GreatWallMotor Company Limited(Baoding,Hebei,071000,China)
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：A prototype diesel engine was modified into dual-fuel engine,towhich gasoline injection system was added for realizing the premixed combustion model.The performance of gasoline/diesel dual-fuel engine was studied deeply,depending on gasoline injected into intake manifold and ignited by diesel directly injected into cylinders.The result indicated:as dieselmain injection is retarded,the relative crank angles of second peaks of combustion pressure in-cylinder and heat release rate also are retarded; meanwhile,NOxemission is improved and soot emission deteriorates with diesel main injection being retarded;the retard of dieselmain injection results in increase of fuel consumption of gasoline/diesel dual fuelengine.

Keywords：Gasoline/dieseldual fuelengine,Dieselmain injection timing,Combustion pressure in-cylinder,NOxemission