柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

王　超李旭聪赵中芹史晓刚康志强郑德生赵从姣轩大勇高定伟（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）



柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

王超1，2李旭聪1，2赵中芹1，2史晓刚1，2康志强1，2
郑德生1，2赵从姣1，2轩大勇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071000 2-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性能进行深入的研究。研究显示：汽柴油双燃料发动机缸内燃烧压力峰值随着主喷正时的推后而升高；油耗水平随着主喷正时的推后而恶化；柴油主喷油量对NOx排放影响不明显，NOx排放随着主喷正时推后呈现单调降低趋势；Soot排放随着主喷正时推后呈现降低趋势。同时在相同主喷正时条件下，主喷油量越低，Soot排放越低。汽柴油双燃料发动机THC排放和CO排放均较高。

关键词：汽柴油双燃料经济性能燃烧特性排放性能

引言

随着社会和经济的高速发展，汽车成为人们日常生活中不可或缺的一部分，柴油机因其高热效率，低油耗广受汽车爱好者的青睐。但是，随着汽车排放法规的日益严格和对燃油经济性要求的提高，越来越多的新技术被提出并投入应用。

自上世纪90年代以来，以均质充量压燃（HCCI）、低温燃烧（LTC）为代表的新一代内燃机燃烧理论和燃烧新技术，由于其具有高热效率、且可同时降低NOx和Soot排放而成为研究热点[1～4]。但这些新燃烧技术主要受化学反应动力学控制，燃烧时刻与燃烧速率控制困难，且其运行工况范围狭窄。因此，寻找其燃烧时刻及速率的控制方法，进而扩大高效清洁运行工况范围成为新一代内燃机燃烧理论和技术研究的重点[5-6]。燃料低温燃烧研究发现，燃料化学特性对燃烧时刻及燃烧速率有着决定性的影响，即在发动机运行的宽广工况范围内，燃料特性的控制是实现燃烧时刻与燃烧速率控制、扩大运行工况范围的重要技术途径。采用双燃料方式，可通过调节两种不同特性燃料的比例得到特定工况所需的最佳理化特性燃料。鉴于此，双燃料燃烧模式采用进气道喷射汽油缸内喷射柴油两种不同性质燃料在发动机缸内进行混合燃烧，实现不同工况应用不同理化性质燃料的目的。

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2050 r/min@125N·m工况点为例，进行不同柴油主喷正时对发动机性能影响的研究。

1试验设备和方法

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

在试验研究中，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；试验中所用汽油牌号为93#，柴油牌号为0#欧五。

本文中所提到的汽柴油比例和油耗消耗率均指以下定义：

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。本试验主要研究不同主喷油量工况下，主喷正时对发动机经济性能、燃烧特性和排放性能的影响。

2试验结果与分析

本文以2050 r/min@125 N·m工况为例来说明主喷正时对汽柴油双燃料发动机性能的影响，具体试验参数如表2所示。在试验过程中，汽柴油双燃料发动机不引入EGR；柴油喷射轨压固定为70 MPa；柴油预喷油量为2.5 mg/cyc。

表2　汽柴油双燃料发动机试验运行参数

2.1汽柴油双燃料发动机燃烧特性

为了研究不同柴油主喷正时对双燃料发动机缸内燃烧压力和放热率的影响，选取主喷油量2.5 mg/cyc和不同主喷正时10°CA ATDC、20°CA ATDC和40° CA ATDC（其他运行参数参考表2）三工况点进行试验。

本研究中汽柴油双燃料发动机采用进气道喷入汽油预混缸内喷入柴油扩散结合的燃烧模式。汽油在发动机进气行程中喷入进气道，其与新鲜空气共同进入发动机气缸充分混合形成预混混合气。柴油采用缸内直喷的方式进入发动机气缸，并分为预喷和主喷两次喷射。预混汽油由缸内直喷的预喷柴油引燃，其燃烧模式可以视为预混燃烧方式。主喷柴油与传统柴油燃烧方式一致，为依靠燃烧蒸汽和氧气的扩散产生热化学反应的扩散燃烧。图2和3分别为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图。

图2　双燃料发动机不同主喷正时缸内燃烧压力曲线

图3　双燃料发动机不同主喷正时燃烧放热率曲线

由图可知，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。3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。

2.2汽柴油双燃料发动机经济性能

图4为3种不同主喷油量工况下，主喷正时对汽柴油双燃料发动机油耗的影响。由图中可知，3种不同主喷油量工况均随着主喷正时推后而呈现单调升高的趋势；同时，在相同主喷正时情况下，主喷油量越大其油耗越高，如在主喷正时20°CA ATDC时油耗水平由高到低顺序为3 mg/cyc>2.5 mg/cyc>2 mg/cyc。

图4　主喷正时对双燃料发动机油耗的影响

如2.1中所述汽柴油双燃料燃烧分为预混和扩散两种燃烧模式。其中，预混燃烧可保证缸内混合气在上止点附近完成燃烧，进而能够保证发动机有较好的功率和经济指标。同时，预混合气的燃烧量决定了燃烧过程中缸内最高燃烧压力、最大压力升高率、最大放热率和燃烧噪声。为了有效控制发动机的压力升高率等，试验中主喷柴油采用上止点后喷入气缸内的扩散燃烧模式。主喷柴油因活塞下行在较低的膨胀比下放热，放出的热量不能有效利用，增加了冷却水和排气能量损失，使发动机经济性下降。故汽柴油双燃料发动机油耗随着柴油主喷正时推迟而升高。再者，在相同柴油主喷正时条件下，柴油主喷油量小的工况油耗水平低。因为柴油主喷油量小的工况汽油比例高，使得发动机预混燃烧比例高，进而获得较好的经济性。

2.3汽柴油双燃料发动机排放性能

为了有效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，本次试验中分别测试了NOx、PM、HC和CO常规排放物。试验中发动机具体运行参数可参见表2。

图5为柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机NOx排放的影响。3种不同主喷油量工况下，汽柴油双燃料发动机NOx排放均随着柴油主喷正时推后而呈现单调下降趋势。同时，相同柴油主喷正时下，不同主喷油量工况NOx排放并没有太大区别。即柴油主喷油量的改变对汽柴油双燃料发动机NOx排放并没有太大的影响。

图5　主喷正时对双燃料发动机NOx排放的影响

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。汽柴油双燃料发动机随着主喷正时的推后，其缸内燃烧温度降低，进而NOx排放降低。

汽柴油双燃料发动机SOOT排放随着柴油主喷正时的推后整体呈现递减趋势，如图6所示。同时，在主喷正时5°CA ATDC到30°CA ATDC之间，相同主喷正时工况下主喷油量越大，汽柴油双燃料发动机Soot排放值越高。

发动机排气中的Soot主要是由燃料中含有的碳产生，其生成的条件为高温和缺氧。由于汽柴油双燃料发动机混合气成分不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但局部缺氧还是会导致Soot的生成。因为汽柴油双燃料发动机采用预混燃烧和扩散燃烧两种燃烧模式运行，其中进气道喷入的汽油进入气缸内与空气混合时间长形成均质的混合气，基本上不会产生Soot排放。Soot排放主要产生于作为点燃作用的预喷柴油和提升功率的主喷柴油。其中，主喷柴油喷入发动机缸内时，缸内温度较高并且局部过浓而生成较多Soot，如5°CA ATDC到10°CA ATDC。随着主喷正时继续推后，喷入缸内的柴油增加缸内扰动，使得缸内混合气进一步混合均匀，进而有效降低Soot排放；同时，推后的主喷柴油可以提升燃料后燃的温度，氧化掉前期产生的Soot。故在主喷正时10°CA ATDC 到40°CA ATDC区间，Soot排放呈现下降趋势。

图6　主喷正时对双燃料发动机Soot排放的影响

图7为柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机CO排放的影响。由图可知，不同柴油主喷油量工况均随着主喷正时推后而呈现先增加后降低的趋势。在相同柴油主喷正时条件下，柴油主喷油量越大，其对应的CO排放数值越高。

CO是HC燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物。如果反应气的氧浓度、温度足够高，化学反应所占有的时间足够长，CO会氧化成CO2。汽柴油双燃料发动机虽然平均表观的总过量系统在大多数情况下呈现富氧燃烧状态，但是，由于柴油扩散燃烧方式会造成局部缺氧地区的存在，局部缺氧燃烧为造成CO生成的主要因素。主喷正时在5°CA ATDC到10°CA ATDC区间内，缸内燃烧温度较低，此时柴油喷入缸内会导致CO排放增加。但是，在主喷正时10°CA ATDC到40°CA ATDC区间，主喷柴油会提升后燃温度，氧化掉前期生成的CO，因此CO排放呈现先升高后降低趋势。在相同柴油主喷正时条件下，主喷柴油量越小，汽油比例越高，较高的汽油比例增加预混燃烧比例，提升缸内燃烧温度，进而降低CO排放。因此，在相同柴油主喷正时条件下，柴油主喷油量小的工况CO排放低。

柴油主喷正时对汽柴油双燃料发动机THC排放的影响，如图8所示。由图可知，3种不同柴油主喷油量工况下的THC排放随着主喷正时推迟呈现先升高后降低再升高的趋势；同时，在相同柴油主喷正时条件下，柴油主喷油量越小，其THC排放数值越低。

图8　主喷正时对双燃料发动机THC排放的影响

汽柴油双燃料发动机采用进气道喷入汽油预混和缸内喷入柴油引燃新型燃烧模式。故汽柴油双燃料发动机THC排放兼有传统汽油机和传统柴油机的特点。由于进气道喷入的汽油在发动机进气行程喷入，在缸内有足够的时间扩散混合。随着缸内压力升高，可燃混合气会被挤入活塞与气缸壁、活塞环与环槽等之间的间隙。因为狭隙具有很大的面容比，挤入的气体通过与温度较低的壁面的热交换很快被冷却，故不能燃烧。当缸内压力降低时，未被燃烧会流回气缸内随着尾气排放至缸外。鉴于上述因素，汽油比例越高，THC排放越高。故在相同柴油主喷正时条件下，主喷油量小的工况，THC排放高。主喷正时在5°CA ATDC到10°CA ATDC区间内会在一定程度上降低缸内燃烧最高温度，导致THC排放升高；但是，主喷正时在10°CA ATDC到25°CA ATDC区间内，主喷柴油会提升后燃温度而氧化一部分THC；主喷正时进一步推后，缸内后燃温度进一步降低至不足以氧化前期生成的THC排放，所以THC排放再次上升。

3结论

通过改变3种不同柴油主喷油量主喷正时研究其对汽柴油双燃料发动机经济特性、缸内燃烧特性和排放特性的影响，得出以下结论：

1）在相同主喷油量条件下，为了能够维持发动机在固定功率，随着主喷正时的推后，汽油比例增加。汽油比例越大，其对应的峰值压力和第一放热率峰值均越高；

2）3种不同柴油主喷油量工况下，汽柴油双燃料发动机油耗均随着柴油主喷正时的推后而呈现单调升高趋势；同时，主喷油量数值越高，油耗越差；

3）汽柴油双燃料发动机NOx和Soot排放随着柴油主喷正时推后呈现单调下降趋势；柴油主喷油量对汽柴油双燃料发动机NOx排放影响不大；然而，主喷油量越大，Soot排放越差；

4）汽柴油双燃料发动机THC和CO排放均较高。CO排放呈现先升高后降低趋势；THC排放呈现先升高后降低再升高的趋势。

参考文献

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《小型内燃机与车辆技术》编辑部

The Study on Effect of Diesel Main Injection Timing on
Performance of Gasoline/Diesel Dual-Fuel Engine

Wang Chao1，2，Li Xucong1，2，Zhao Zhongqin1，2，Shi Xiaogang1，2，Kang Zhiqiang1，2，Zheng
Desheng1，2，Zhao Congjiao1，2，Xuan Dayong1，2，Gao Dingwei1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center

Abstract：A prototype diesel engine was modified into dual -fuel engine which was added gasoline injection system 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 results indicated: the peak valve of combustion pressure will rise as diesel main injection timing retards; diesel main injection timing delayed will results in deterioration of fuel consumption; NOxemission is not sensitive in change of the quantity of diesel main injection，while it will reduce as diesel main injection timing is postponed; Soot emission will drop as diesel main injection timing is postponed; the THC and CO emission of gasoline/diesel dual-fuel engine is usually very high.

Keywords：Gasoline/diesel dual -fuel，Economic characteristic，Combustion characteristic，Emission characteristic

收稿日期：（2015-02-01）

通讯作者：李旭聪（1984-），男，博士，主要研究方向为前沿技术开发。

文章编号：2095-8234（2015）03-0011-06

文献标识码：A

中图分类号：TK421+.28

作者简介：王超（1989-），男，学士，主要研究方向为前沿技术开发。