预混比和喷油定时对异丁醇/柴油RCCI燃烧与排放特性的影响

韩伟强，卢 耀，黄泽远，刘兴文，张 鹏，潘锁柱※

（1.流体及动力机械教育部重点实验室（西华大学），成都 610039； 2. 汽车测控与安全四川省重点实验室（西华大学），成都610039； 3. 交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室（长安大学），西安 710061）

0 引 言

近些年来，由于环境污染和能源消耗的问题，学者们从燃烧策略和燃料的角度出发研究了许多先进的燃烧模式和清洁的替代燃料。目前，先进的燃烧模式主要包括均质充量压燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）、预混合充量压燃（premixed charge compression ignition，PCCI）和活性控制压燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）等。这些燃烧模式由于具有更低的排放和更高的经济性而得到广泛研究。然而，HCCI和PCCI 2种模式很难在高负荷下实现，并且由于放热率（heat release rate，HRR）受到化学动力学的驱动，因此燃烧难以控制，可能导致较高的压力升高率和难以接受的噪音[1]。然而这些问题可以通过RCCI得到解决。RCCI是一种基于双燃料策略的预混燃烧模型，通过缸内直接喷射（direct injection, DI）供应高活性燃料，而通过进气道喷射（port injection，PI）供应低活性燃料[2-3]。这种活性主要由燃料的十六烷值决定。RCCI模式的供油策略高度灵活，在燃料方面不限于传统化石燃油。并且，燃料性质在RCCI燃烧模式中比在传统的柴油机燃烧中更加重要[4]。其次，RCCI燃烧是分层的[5]，并从局部高活性燃料区域引发到低活性燃料区域。燃料活性分层可延长预混燃烧时间，实现分阶段燃烧，方便向高负荷拓展。在燃烧室中，混合气的浓度分层会导致预混合燃烧持续时间的显著延长，并因此产生更高的热效率和更低的压力升高率，有利于对燃烧进程的控制[6]。RCCI模式的诸多优点使其在未来发动机的应用中具有较大的潜力[7]。

在替代燃料的研究方面，含氧生物燃料目前已经成为研究的热点之一。这是因为燃料的含氧性使它们具备改善燃烧和排放的能力，同时可再生性又能够减少对化石能源的消耗和依赖。生物醇燃料（甲醇、乙醇、丁醇等）已被证明是理想的替代燃料，原因是它们具有与汽油相似的理化性质和燃烧性能[8-9]，此外具有更高的辛烷值和氧含量，可以使发动机具有更高的压缩比，从而提高热效率[10]。最近，丁醇被认为是一种有潜力的生物醇燃料[11]，不仅可以与食物一起生产，而且还可以通过发酵有机农作物材料如玉米和甘蔗来获得[12-13]，近年来在柴油机上获得了较多研究[14-16]。其中，Gu等[17]研究了丁醇异构体中正丁醇和异丁醇分别与柴油掺混对柴油机性能的影响。他们发现，丁醇能够有效地降低碳烟排放。并且，相比正丁醇，异丁醇与柴油的混合燃料燃烧具有更长的点火延迟（ignition delay，ID）和燃烧持续时间（combustion duration，CD），以及更高的气缸压力和HRR。另外，Zheng等[18]在具有高废气循环率直喷柴油机中对4种丁醇异构体（正丁醇、仲丁醇、异丁醇和叔丁醇）与柴油的混合物所进行的影响研究中，也得到了异丁醇/柴油混合燃料的ID最长和碳烟排放量最低的结果。

值得注意的是，异丁醇是一种支链醇，在丁醇异构体中具有最高的辛烷值[19]，还具备可以通过乙醇工厂来生产，获得降低成本的优势[20]。另外，异丁醇能够与汽油和柴油较好的混合[21]，这种性质也促进了异丁醇与柴油和汽油的掺混试验研究[22-25]。Ozsezen等[22]通过在一台六缸柴油机对不同异丁醇/柴油混合燃料比例的影响研究中发现，随着混合燃料中异丁醇的增加，CO与NOx的排放量显著降低。有关火花点火（spark ignition，SI）发动机中异丁醇与汽油的掺混研究也发现，添加异丁醇使得HC和NOx的排放大幅度下降，但同时也导致了燃料消耗增加[25]。

在查找和阅读相关文献时发现，鲜有文章研究异丁醇在RCCI中的应用。值得注意的是，RCCI模式不同于掺混，具备更高的灵活性和可控性。而异丁醇具有更高的辛烷值，这种性质被证明在RCCI中能够通过增大分层降低的压力升高率，从而改善燃烧和排放特性[7]。因此，异丁醇在RCCI模式中的应用是具有较大潜力的。此外，RCCI模式作为一种新的燃烧策略，也存在着HC和CO排放严重的问题。研究发现，可以通过优化供油策略如柴油喷射定时（start of injection，SOI）、预混比（premixing ratio，Rp）等来降低CO和HC排放[26-27]。

综上所述，异丁醇是一种有应用前景的生物醇燃料，并且在RCCI燃烧模式中的应用极具潜力。然而，异丁醇在柴油机上的应用与研究较少，并且都主要集中在掺混燃烧，有关于异丁醇/柴油双燃料 RCCI策略下的研究微乎其微。鉴于此，本文通过在一台改装的六缸重型柴油机上进行了小负荷中低转速工况下的异丁醇/柴油双燃料RCCI的试验研究，探究了在RCCI燃烧模式下，高活性燃料（柴油）的不同 SOI和低活性燃料（异丁醇）的不同Rp对燃烧以及CO、THC、NOx和颗粒物（particle matter,PM）等排放物的影响。

1 试验设备及方案

1.1 试验方案

本文研究基于一台六缸四冲程涡轮增压柴油机，该发动机的技术参数见表1。

1.2 试验燃料与供给

试验提供 2种活性不同的燃料，包括高活性燃料柴油和低活性燃料异丁醇，因此有 2套供油系统。异丁醇通过PI提供，而柴油则通过DI的方式进入气缸。2种燃料的理化特性如表2所示。为实现RCCI燃烧，在原发动机的进气管上增加了一套燃料供给系统，使得异丁醇可以通过进气道喷射进入气缸参与燃烧，其喷射压力和喷射时刻分别为0.5 MPa和-360°CA ATDC。

表1 发动机技术参数Table 1 Engine specifications

表2 燃料性质Table 2 Fuel properties

1.3 数据采集与分析

本研究试验平台如图 1所示，平台主要包括试验发动机、试验测试设备、数据采集系统和燃烧分析系统。试验中的缸压数据是由 Kistler 6125C缸压传感器和Kistler 5011B电荷放大器进行测量并由NI-USB6353采集卡进行采集的，然后经过由LabVIEW编写的燃烧分析系统计算出放热率和缸内平均温度。瞬时放热率根据热力学第一定律计算。气缸内能量守恒由公式（1）表示[28-29]

图1 试验平台示意图Fig.1 Schematic of test platform

式中γ为比热容，J/(kg∙K)，由公式（3）表示[30]；p为缸压，MPa；V为气缸容积，L。

式中cp为定压比热容，cv为定容比热容，J/(kg∙K)。

式中 Aht为燃烧室表面积，m2；hc为对流热系数，W/(m3∙K)，由 Woschni模型估算；T为缸内平均温度，Tw为燃烧室温度，K；n为发动机转速，r/min。其中，缸内平均温度T由式（5）表示[28]：

式中 m为气缸内气体质量，kg/h；R为理想气体常数，J/(kg∙K)。

试验结果所得到的排放数据主要通过 2台设备测量与分析，其中Horiba-MEXA7100DEGR主要测量分析常规气体排放，包括THC、CO、NOx等，精度为(±1.0%) FS；Cambustion DMS 500 Mk II主要测量分析颗粒物的粒径分布，测量范围为5～1000 nm，精度为(±3.0%) FS。这2台设备都安装在靠近排气口处附近取样，如图1 所示。

Horiba-MEXA7100DEGR检测结果为气体排放的质量浓度数据，THC、CO、NOx的质量排放量分别由公式（6）、（7）、（8）求得[32]

式中[THC]e、[NOX]e、[CO]e分别表示 THC、NOX、CO的校正排放浓度，g/kW∙h；[THC]wet、[NOX]wet、[CO]wet分别表示THC、NOx、CO的湿基排放浓度， 10-6；GEXHW表示发动机排出废气的平均分子质量流量，g/h；P表示发动机的有效功率，kW。

1.4 试验方案

本研究的试验发动机在转速1 500 r/min下运行，其中平均有效压力（break mean effective pressure，BMEP）保持在0.3 MPa，每循环输入气缸的总能量为1 280 J。试验过程中，冷却水温与机油温度分别保持在（80±1）和（85±1）℃。

为研究不同柴油SOI以及异丁醇的Rp对发动机排放的影响规律，试验控制参数如表 3所示。其中，对进气道喷射低活性燃料异丁醇选择了4种Rp进行分析对比，分别为30%、40%、50%和60%。Rp定义为每循环发动机输入的能量中，替代燃料即异丁醇所含的能量占每循环总输入能量的比例，如下公式（9）所示

式中m1为进气道喷射燃料异丁醇的质量流量，kg/h；Q1为异丁醇的低热值，MJ/kg；m2为缸内直喷燃料柴油的质量流量，kg/h；Q2为柴油的低热值，MJ/kg。

表3 柴油机控制参数Table 3 Control parameters of engine

2 结果与分析

2.1 不同SOI和Rp对燃烧特性的影响

不同异丁醇Rp和不同柴油 SOI对ID的影响如图2所示。ID定义为从柴油喷射时刻开始到缸内燃料燃烧累积放热量达到总放热量的10%时（即CA10）曲轴所走过的角度。

图2 不同预混比（Rp）和喷油定时（SOI）对点火延迟（ID）的影响Fig.2 Effect of different premixing ratio (Rp) and start of injection(SOI) on ignition delay (ID)

从图2中可以看出，随着异丁醇Rp的增大，ID整体规律趋向于增长；另外，随着柴油 SOI的提前，也使得ID增长。

首先，异丁醇Rp的增大导致点火延迟增长，考虑到的原因主要是，异丁醇的十六烷值低于柴油，因此随着异丁醇喷射量增加而柴油喷射量减少，缸内整体活性降低，高活性区域也减少，使得燃烧初期符合燃烧的混合气减少；此外，异丁醇具有较高的汽化潜热，因此汽化蒸发的过程中吸收了大量的热量，降低了缸内的整体平均温度，使得燃烧相位推迟，增长了ID。

其次，随着柴油SOI的提前，ID增长。其中的原因主要在于，随着柴油 SOI提前，活塞位置逐渐远离上止点，达到着火点状态所需的时间逐渐增加。此外，提前注入柴油使得柴油与空气的混合时间增长，缸内的活性梯度大幅度下降，柴油局部当量比降低，初始燃烧所需的温度增大，同样使得ID增长。

不同异丁醇Rp和不同柴油SOI对CD的影响如图3所示。CD定义为从累积放热量达到总放热量的10%时的曲轴转角与累积放热量达到总放热量的 90%时的曲轴转角之间的差值（即CA10-CA90之间的曲轴转角）。

图3 不同Rp和SOI对燃烧持续期（CD）的影响Fig.3 Effect of different Rp and SOI on combustion duration (CD)

从图3中可以看出，随着双燃料中异丁醇Rp的增大，CD增长，而造成这种现象的原因主要在于异丁醇的理化特性。异丁醇与一般醇类燃料类似，具有较柴油更低的十六烷值和更高的汽化潜热，更低的十六烷值使得缸内混合气的整体活性降低，更高的汽化潜热降低了缸内平均温度，并且异丁醇是丁醇异构体中具有最高辛烷值的燃料，较高的辛烷值抑制了混合气的燃烧速率，这样就导致了更长的 CD。因此，在随着双燃料中异丁醇 Rp增大，CD相对延长。

不同 Rp下的 HRR和缸压变化规律具有一定的相似性，当Rp=30%时表现出了较好的双燃料RCCI放热特性，因此下面根据Rp=30%时的HRR和缸压变化规律进行分析。不同柴油SOI对Rp=30%时HRR和缸压的影响规律如图4所示。从图4中可以看出，在异丁醇Rp=30%时，双燃料的燃烧呈现双峰放热，并且不同 SOI下的放热率峰值（maximum heat release rate，HRRm）都出现在第1阶段预混燃烧放热过程中。根据 Zheng等[33]对正丁醇和柴油的双燃料燃烧研究表明，RCCI的燃烧基本都呈现出2级放热，即图4中类似的双峰放热曲线。其中，第1阶段放热主要是直喷柴油和部分进气道喷射的异丁醇之间的预混燃烧；第 2阶段放热主要是柴油的扩散燃烧和剩余异丁醇的燃烧结合。此外，随着柴油 SOI的提前，燃烧放热的相位提前，HRRm先增大后减小，HRRm所对应相位提前，最大缸内压力增加。当柴油SOI提前到-24°CA ATDC和-30°CA ATDC时，放热曲线还出现了明显了冷焰反应放热。

图4 不同SOI对Rp=30%时放热率（HRR）和缸压的影响Fig.4 Effect of different SOI on heat release rate (HRR) and cylinder pressure at Rp= 30%

根据前文ID的变化规律可知，ID随着SOI的提前而增加，但是燃烧放热的相位却并不因ID的增长而延迟，只随着SOI的提前而提前。这主要是因为SOI对燃烧放热的影响起主导作用，随着SOI的提前，虽然ID相对延长，但是仍旧无法弥补 SOI带来的影响。此外，随着柴油 SOI的提前，缸内柴油与空气的混合时间增长，使得柴油的局部当量比降低，活性梯度也减小，而形成的可燃混合气区域却有所增加，同时也增加了预混燃烧比例，因此获得了HRRm和Pm的增加。然而，当柴油SOI持续提前，缸内柴油与空气的混合时间过长，使得柴油的局部当量比和活性梯度进一步减小，可燃混合气区域也相应减少，带来第一阶段放热的减少，HRRm随之降低。

柴油 SOI的推迟增大了不同 Rp之间双峰放热的差异，在 SOI=-30°CA ATDC下最为明显，因此下面将从SOI=-30°CA ATDC处对HRR和缸压进行分析。如图5所示，图5中显示了不同异丁醇Rp对SOI=-30°CA ATDC时HRR和缸压的影响规律。

图5 不同Rp对SOI=-30°CA ATDC时放热率（HRR）和缸压的影响Fig.5 Effect of different Rp on heat release rate (HRR) and cylinder pressure at SOI = -30°CA ATDC

从图5中可以看出，当柴油SOI=-30°CA ATDC时，随着异丁醇 Rp的增加，放热相位推迟，HRRm降低，缸压变化不明显。如前所述，造成这种情况的原因主要在于异丁醇的理化特性。Rp的增加使得异丁醇的性质逐渐起主导作用，不仅推迟了放热相位，还造成第 1阶段预混燃烧放热减少而第 2阶段放热增加。到 Rp=60%时，RCCI燃烧具有最长的CD和最小的HRRm，燃烧速度大大降低。

2.2 不同SOI和Rp对排放特性的影响

2.2.1 对总碳氢化合物（THC）排放的影响

不同异丁醇Rp和不同的柴油SOI对THC排放的影响如图6所示，从图6中可以清楚的得出变化规律，即随着异丁醇Rp的增大，THC排放增加，并且最大增加了61.3 g/(kW∙h)，增加幅度达到488%；随着SOI的提前，THC排放降低，最大降低了 60.1 g/(kW∙h)，降低幅度达到88%。

图6 不同Rp和SOI对总碳氢化合物（THC）排放的影响Fig.6 Effect of different Rp and SOI on total hydrocarbons (THC)

在 RCCI燃烧模式下，由于狭隙效应等因素，THC主要生成于温度较低和活性较低的区域，包括气缸壁面和缝隙区域。THC排放随着异丁醇Rp增加而增大的原因是多方面的，其中主要的因素在于异丁醇具有较高的汽化潜热和较低的十六烷值。因此，随着Rp的增大，异丁醇蒸发吸热量增加，气缸内的平均温度降低，而柴油喷油量却随之减少，这造成缸内高活性区域减少，燃烧不充分，因此导致THC排放的增大。

此外，随着 SOI的提前，柴油混合时间增加，因此缸内可燃混合气的区域增多而低活性区域减少，预混燃烧比例增加，火焰传播阻力小，燃烧更充分，使得 THC的排放降低。

2.2.2 对CO排放的影响

图7为异丁醇Rp和柴油SOI对CO排放的影响。从图7中可以看出，随着异丁醇Rp的增大，CO排放增加，最大增加了67.9 g/(kW∙h)，增加幅度达到344%；随着柴油 SOI的提前，CO排放呈现降低的趋势，最大降低了38.8 g/(kW∙h)，降低幅度达到了40%。

CO排放主要是因燃烧缺氧、低温和氧化时间过短导致的燃料不完全燃烧而产生的，双燃料发动机的CO排放来源于引燃柴油和异丁醇的不完全氧化反应。随着异丁醇Rp的增大，高汽化潜热使得燃烧温度和排气温度不断降低，抑制了后期CO的氧化，并且柴油量不断减少，柴油-空气混合气着火点和着火能量减少，不完全氧化反应增加，进而导致CO排放增加。随着柴油SOI的提前，CO排放的整体趋势是降低的，主要原因是滞燃期增加，缸内柴油的混合时间增长，可燃混合气增多，局部贫氧区域减少，燃烧更充分。

图7 不同Rp和SOI对CO排放的影响Fig.7 Effect of different Rp and SOI on CO

然而，随着SOI的进一步提前到-30°CA ATDC时，可以看出在Rp=30%和Rp=40%时，CO排放有所回升。根据之前对醇类燃料的研究[34]，以及结合图6的THC排放可以看出，随着SOI的提前，大量HC在后期被燃烧氧化，导致出现局部缺氧状态，而更小的异丁醇 Rp（包括Rp=30%和Rp=40%）无法向缸内提供更多的氧，因此导致CO排放有所增加。

2.2.3 对NOx排放的影响

不同异丁醇Rp和不同的柴油SOI对NOx排放的影响如图8所示。从图8中可以总结出，随着异丁醇Rp的增大，NOx排放不断降低，最大降低了26.3 g/(kW∙h)，降低幅度达到了61%；随着柴油SOI的提前，NOx排放趋势先增大后减小。

NOx的生成主要受到氧气含量、燃烧温度以及燃烧产物在高温中停留时间的影响。随着异丁醇Rp的增大，蒸发过程中吸收的热量增加，导致缸内整体平均温度降低，抑制了NOx的生成。此外，柴油喷射量的减少也使得高活性区域大幅减少，缸内燃烧速率变缓，燃烧不充分等，这些因素也间接导致缸内的绝热火焰温度降低，抑制了NOx的生成。

图8 不同Rp和SOI对NOx排放的影响Fig.8 Effect of different Rp and SOI on NOx

随着柴油 SOI的提前，滞燃期增加，柴油与空气的混合时间增长，这使得缸内可燃混合气增加。这就使得缸内着火点和燃烧速度增加，温度迅速升高，加速了NOx的生成。但是随着柴油 SOI的持续提前，柴油与空气的混合时间过长，柴油-空气混合气浓度变稀，可燃混合气不断减少。带来的结果是火焰的传播阻力增大，燃烧速度变缓，造成缸内局部高温区域减少，抑制了NOx的生成。

2.2.4 对颗粒物排放的影响

图9为不同异丁醇Rp和柴油SOI对PM排放的影响。从图9中可以看出，PM排放变化规律比其他排放更加复杂。

图9 不同Rp和SOI对颗粒物（PM）排放的影响Fig.9 Effect of different Rp and SOI on particle matter (PM)

PM排放的成分复杂多样，主要是由干碳烟、可溶性有机物、硝酸盐、硫酸盐和灰烬等组成，其中占主导的成分是干碳烟[35]。产生干碳烟的原因是燃料在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解生成各种不饱和烃类，而这些烃类不断脱氢进而聚合成碳为主的碳烟颗粒，这种碳烟颗粒直径在2 nm左右，烃类化合物等其他物质在颗粒表面凝聚，而不同颗粒之间也发生聚集堆积最后形成碳烟聚集体。

在发动机中影响碳烟生成的主要参数包括温度、压力、当量比以及燃料的结构和成分等[36]。这些参数之间彼此耦合，共同对碳烟排放产生影响。从图 9观察到，异丁醇 Rp=30%的 PM 排放水平在每个 SOI下都是最高的。这里考虑到的主要原因包括以下几个方面：①温度：由于异丁醇具有较高的汽化潜热，使得缸内整体温度有所降低，因此增加了ID的同时减少了燃料的裂解和氧化，导致最高的Rp具有最小的PM排放；②燃料的结构和成分：异丁醇碳链短且为含氧燃料，在燃烧的过程中相比柴油是不易产生碳烟的，异丁醇Rp的增大减少了柴油喷射量，降低了芳香烃的含量[37]，使得总的碳烟含量降低，PM浓度降低；③当量比：异丁醇Rp=30%时，柴油具有最大的喷射量，这使得在着火时刻形成的柴油-空气混合气具有较大的当量比，同时还增加了柴油扩散燃烧的比例，因此导致了大量碳烟的生成。

其次，异丁醇的Rp从40%增加到60%的过程中可以明显观察到更加复杂的变化。当Rp=40%和Rp=50%时，PM排放具有微小的差异，并且都随着SOI的提前呈现出先降低后升高的趋势，造成这种结果的主要因素在于当量比。在SOI靠近上止点处，ID和CD都相对较短，混合气当量比较大，因此形成较多的碳烟。随着 SOI的提前，增长的ID带来了混合气当量比的降低，预混燃烧比例增加，结合前文可以看出，HRRm也随之增大，并在SOI=-24°CA ATDC处达到最大值，有效地降低了碳烟的排放。当SOI=-30°CA ATDC时，混合气当量比稀释的程度进一步增大，减少了着火点，形成了更加缓慢的燃烧和放热，导致碳烟的氧化速率降低，因此带来PM排放的小程度回升。

此外，在上止点附近的SOI处，Rp=60%时的PM排放水平较Rp=40%和Rp=50%时更高。推测产生这种现象的原因主要在于异丁醇增加的喷射量。由于异丁醇具有较低的低热值，在Rp增加的过程中为了达到相同的循环能量，异丁醇增加的量便远远大于柴油减少的量。当 Rp增加到 60%时，更低的缸内温度使得缸内的燃烧急剧恶化，碳烟的氧化速率大大降低。结合前文可以看到在Rp=60%时，THC的排放量急剧增加，带来的结果是颗粒物的吸附量增加，质量增大。其次，随着SOI的提前PM排放逐渐降低，并在SOI=-30°CA ATDC处获得4个不同Rp下的最低PM排放。而PM排放随着SOI的提前而降低的原因与 Rp=40%和Rp=50%类似，预混燃烧比例的增加改善了恶化的燃烧。然而，当 SOI=-30°CA ATDC时，Rp=60%却表现出了最低的PM排放，这主要是由更长的CD和燃料中更多的含氧量导致。尽管Rp=60%时不完全燃烧程度增加，但是充足的CD和大大增加的异丁醇喷射量使得更多的碳烟能够有充足的氧含量和被氧化，因此获得了最低的PM排放。

排气中 PM 按其粒子直径尺寸的大小可分为核态、积聚态和粗态 3种形态[38]。其中核态颗粒物（nuclear particle matter，PMN）的粒径分布在3～30 nm之间，积聚态颗粒物（accumulated particle matter，PMA）的粒径分布在30～500 nm之间。

图10为不同Rp和SOI对不同粒径PM数量分布的影响，从图中可以看出，所有工况下 PM 的排放成分中，PMN数量都是最多的；其次，PMA也具有一定的水平，数量在106阶，但远远小于PMN的数量。此外，不同Rp也具有不同的PM排放，当异丁醇Rp=30%时，PM排放的数量是最高的，并且在每个 SOI下都得到这个结果。当Rp=40%和Rp=50%时，PM排放数量要小得多，并且二者比较接近。当Rp=60%时，PM排放数量是最少的，其中PMN排放数量的差异更加明显，可见增大异丁醇Rp对于降低PM排放具有可观的效果。

图10 不同Rp和SOI对不同粒径PM数量分布的影响Fig.10 Effect of different Rp and SOI on quantity distribution of PM with different sizes

此外，在每个Rp下，PMN排放的数量都随着SOI的提前而呈现先升高后降低的趋势。然而，PMA排放的数量则表现出不同的变化。在Rp=60%时，PMA排放的数量表现出降低的趋势，但在其他3种Rp下，PMA排放的数量随着 SOI的提前先降低后升高。值得注意的是，PMN与PMA的排放数量随着SOI的提前而变现出相反的趋势是具有一定相关性的。与前文燃烧放热对应，在 SOI提前的过程中，缸内柴油与空气的混合时间增长，使得柴油与空气混合气从过浓范围降低到适中，因此形成的可燃混合气区域增加，预混燃烧比例增加。这样就使得在燃烧过程中，生成的大粒径PMA不断被氧化成大量小粒径的 PMN，PMN的生成速率大于氧化速率，因此降低了PMA数量的同时增加了PMN的数量。紧接着，随着SOI的持续提前，缸内柴油与空气的混合时间过长，柴油与空气混合气的过稀区域增加，导致缸内着火点减少，不完全燃烧的程度增加，使得在燃烧过程中生成了大量PMA，这些PMA即使在后期的燃烧中也无法被充分氧化，甚至降低了氧化成更小粒径 PMN的速率，因此导致了PMA排放数量增加而 PMN排放数量减少。此外，当Rp=60%时，由于引燃的柴油量减少，同样降低了缸内着火点，使得燃烧不充分，但推迟 SOI有助于增大 ID和CD，使得PM在放热第2阶段被氧化而降低。

图11为不同Rp和SOI对不同粒径颗粒物质量分布的影响。从图11中可以看出，在所有Rp下，占据PM排放质量的主要粒径分布范围在30～500 nm的PMA，已经达到了 10-3阶。PMA主要是由发动机燃烧过程中燃料不完全燃烧而生成的碳烟粒子通过团聚并吸附 HC等有机物、金属灰烬和硫酸盐等物质而形成的。其生成机理为燃油经过裂解反应生成颗粒物的前驱物，前驱物经过成核作用形成初级颗粒或核，再通过表面生长成为 20～50 nm的孤立球形颗粒，然后这些孤立的球形颗粒再通过团聚、表面生长和氧化作用最终生成以团聚形式存在的成熟颗粒[39]。结合图10还发现，相比PMA，在数量上占优势的 PMN却具有十分小的质量分布，排放不到 10-5。然而值得注意的是，据研究表明PMN对环境和健康更具威胁性[40]。这些PMN数量超过总PM数量的90%，质量却不到总PM质量的 10%，可以被人体吸入甚至积留在支气管通道和肺泡中，对人的健康造成相当大的危害。

图11 不同Rp 和SOI对不同粒径颗粒物质量分布的影响Fig.11 Effect of different Rp and SOI on mass distribution of PM with different sizes

此外，发现SOI=-8°CA ATDC和SOI=-18°CA ATDC下，虽然PMA在Rp=40%和Rp=50%时相比Rp=60%具有数量上的优势，但却表现出更少的排放质量。结合图 10可以发现，Rp=60%下的PMA排放数量峰值是低于Rp=40%和Rp=50%的，然而在粒径更大的区域（100～200 nm之间），Rp=60%显示出了更多的PM数量。可见，更大粒径PMA排放数量对PM排放质量具有更显著的影响。

3 结 论

本文研究了异丁醇作为低活性燃料与柴油一起实现低负荷活性控制压缩着火（RCCI）燃烧，探讨了不同异丁醇预混比（premixing ratio，Rp）和不同柴油喷油定时（start of injection，SOI）下的燃烧与排放特性，主要结论如下：

1）随着异丁醇Rp的增大，点火延迟（ignition delay，ID）增长，放热率峰值（maximum heat release rate，HRRm）降低；随着柴油SOI的提前，ID和燃烧持续期（combustion duration，CD）都增长，HRRm先升高后降低，最大缸内压力升高；

2）随着异丁醇 Rp的增大，THC和CO排放增加，增加幅度分别达到488%和344%，而NOX则不断降低，降低幅度达到了61%；随着柴油SOI的提前，THC和CO排放降低，降低幅度分别达到了88%和40%，NOx排放呈现先增大后降低的趋势；

3）颗粒物（particle matter，PM）排放规律比其他排放更复杂。当异丁醇Rp=30%时，PM整体的排放水平是最高的。Rp=40%和Rp=50%时的PM整体排放水平都比较低。并且，这3种Rp下的整体PM排放随着SOI的提前呈现出先降低后升高的趋势。只有当Rp=60%时，情况比较特殊。在靠近上止点的SOI显示出较高水平的PM排放，但随着SOI的提前，PM排放持续降低，在-30°CA ATDC处达到了最低值，并且低于同一SOI下Rp=40%和Rp=50%的排放；

4）关于PM的粒径分布显示，粒径范围为3～30 nm的核态颗粒物（nuclear particle matter，PMN）排放数量最高，但是占整体的质量比例非常小。在 PM 排放的质量分布中，居于主导地位的是粒径范围为30～500 nm的积聚态颗粒物（accumulated particle matter，PMA）。此外，Rp的增加对PM的整体数量具有降低的作用，而对PM的质量具有更为复杂的影响规律。而 SOI的提前使得 PM的整体数量呈现先升高后降低的趋势，但PMA的数量与PMA规律相反，呈现出先降低后升高的趋势。至于 PM的质量总体上随着SOI的提前呈现降低的趋势。