辛烷值敏感性对GCI发动机低负荷稳定性的影响

卫海桥，张福强，张少栋，贾德民，李 卫，潘家营

辛烷值敏感性对GCI发动机低负荷稳定性的影响

卫海桥1，张福强1，张少栋2，贾德民2，李 卫2，潘家营1

(1. 天津大学机械工程学院，天津 300072；2. 潍柴动力股份有限公司，潍坊 261041)

本文结合单缸机试验和多循环大涡模拟，采用辛烷值相同而敏感性不同的燃料，研究了辛烷值敏感性对汽油压燃发动机燃烧稳定性的影响．结果表明：辛烷值敏感性显著影响了燃烧稳定性，随着燃料辛烷值敏感性的增加，燃烧稳定性降低；同时，高温着火时油气混合越均匀，参与高温燃烧的混合气越多，燃烧越完全．辛烷值敏感性为5.3的燃料低温放热率更高，低温冷焰诱发小幅度温度升高改善混合气均匀性，但由于低温放热的循环变动更大，导致部分循环的混合气均匀性改善效果不明显．因此，燃料低温放热比例循环变动和高温着火时混合气均匀性循环变动是导致GCI发动机燃烧不稳定的主要原因．

辛烷值敏感性；汽油压燃；燃烧稳定性；低温放热

近年来，为了实现内燃机高效率低排放，国内外学者提出了均质充量压燃(HCCI)、预混充量压燃(PCCI)、部分预混压燃(PPC)等多种新型的燃烧方 式[1]．其中，汽油压燃(GCI)燃烧方式的喷射正时介于常规压燃与HCCI之间，能够同时兼顾高燃烧效率和低氮氧化物、低碳烟排放，从而在更广工况范围实现了稳定燃烧[2]．但GCI在低负荷工况时，缸内温度压力低，燃用高辛烷值汽油时存在着火困难、燃烧稳定性差等问题[3]．

研究法辛烷值(RON)和马达法辛烷值(MON)是表征汽油燃料着火特性的最重要指标．随着小型化趋势的发展，现代发动机普遍采用进气增压，使得发动机处于高压低温的工作状态，导致其偏离了原有辛烷值运行区间．传统的燃料辛烷值难以再全面描述汽油燃料的着火特性．Hildingsson等[4]提出了辛烷值敏感性(octane sensitivity，＝RON－MON)的概念，结合原有的燃料辛烷值能够更好地表征汽油燃料着火特性，其将RON分别为91、84、78和72的4种汽油应用于柴油机，发现辛烷值较低的汽油燃料(RON＝70～85)更适合GCI燃烧. Szybist等[5]开展了燃用不同燃料的发动机试验，发现低辛烷值敏感性的燃料(如烷烃)焰前放热量较大，对后续着火及爆震的影响更加显著．因此，GCI发动机燃用低辛烷值燃料时具有更好的燃烧和排放特性[6]．

尽管如此，汽油燃料的自燃着火特性仍然很差，而小负荷工况下缸内热力学状态较低，使得汽油压燃低温燃烧存在不稳定性，对进气和燃烧边界条件变化敏感，提高小负荷燃烧稳定性是实现汽油压燃高效燃烧的主要内容．Borgqvist等[7]研究发现，RON＝87的汽油燃料需要增大负气门重叠角，获取更多残余热废气才能稳定燃烧；而采用 RON＝69 的燃料不需要大量残余废气就可以实现怠速运行[8]．然而，低辛烷值燃料具有明显低温反应，产生大量的中间自由基(如OH、HO2)，存在明显的焰前放热现象，对GCI发动机的着火及燃烧过程产生重要影响．Tao等[9]研究发现，相同辛烷值的燃料(如正戊烷和PRF62)在同一发动机工作过程中会表现出不同的燃烧相位．然而，上述研究很少涉及辛烷值敏感性与GCI发动机低负荷燃烧稳定性之间的内在关联．

因此，有必要基于实际GCI发动机试验测试，开展燃料辛烷值敏感性对GCI低负荷燃烧稳定性的影响研究，探明GCI发动机小负荷燃烧稳定性影响机制，为燃料燃烧和发动机工作过程协同优化提供重要参考．

1 试验装置、燃料及参数定义

1.1 试验装置

试验发动机为一台单缸四冲程、水冷式发动机，内径80mm，排量0.5L．进排气门开闭时刻由液压驱动和可变气门驱动装置控制．为保证GCI燃烧，选择了17的高压缩比且采用了负气门重叠(NVO)策略，燃料在压缩过程(-25°CA ATDC)喷入缸内．采用了西门子压电喷油器和直接喷射系统，喷射压力为20MPa．试验中在直流测功机的控制下，转速保持在(800±1)r/min，基于Kistler 6041A 压电式传感器和Kistler 5018 电荷放大器采集燃烧压力，将光电编码器与曲轴连接，触发试验采样，分辨率为0.1°CA．混合气的当量比由排气管中的氧传感器确定，分辨率为0.001．发动机主要参数和试验工况如表1所示．

表1 发动机参数及试验工况

Tab.1 Engine parameters and test conditions

1.2 替代燃料组成

真正的汽油燃料是数千种碳氢化合物的复杂混合物，包括直链烷烃和支链烷烃、环烷烃、烯烃和芳烃[10]．研究表明，燃料燃烧可以通过特定组分的替代燃料模型进行研究[11]．在替代燃料中，添加多种组分通常有助于匹配汽油燃料的热力学和动力学特性[12].芳香族成分作为汽油组成中的重要成分，占比约为30%，以甲苯作为芳香族代表加入PRF中成为甲苯掺比燃料(TPRF)，逐渐成为新替代燃料以再现汽油的理化特性[13]．Mehl等[10]向TPRF中加入1-己烯组成4组分替代燃料，并在快速压缩机(RCM)、激波管和喷射搅拌反应器(JSR)的试验中发现与汽油特性匹配良好．Perez等[14]在上述4组分替代物中添加甲基环己烷形成5组分替代燃料，在点火质量测试仪(IQT)和HCCI发动机上验证与汽油的自燃特性非常匹配．Sarathy等[15]利用多达9种组分的替代物来研究化学成分对汽油着火和辛烷值敏感性的影响．

辛烷值敏感性表示为RON和MON的差值，富烷烃的汽油(如烷基化油)的敏感度小，富芳烃的汽油(如重整汽油)的敏感度大．研究表明[6]，由于异辛烷和正庚烷的敏感性为0，TPRF可以通过改变甲苯比例改变燃料的敏感性，甲苯比例越高，敏感性越大．综合考虑汽油燃料自燃特性模拟的精确性和计算资源的时间成本，选择固有辛烷值敏感性的TPRF燃料作为替代燃料进行研究．不同敏感性TPRF燃料的模型有多位学者[16-17]提出，本文参考Kalghatgi 等[18]基于更广范围RON和MON验证提出的计算模型，该模型能很好地预测敏感性汽油的自燃行为．不同敏感性的TPRF燃料体积分数计算式为

式中：tol为TPRF中甲苯的摩尔分数；tol、iO、nH分别为TPRF中甲苯、异辛烷和正庚烷的体积分数；PRF为与甲苯混合的PRF燃料的辛烷值.

当目标汽油燃料的RON和被确定后，可通过式(1)得到TPRF中甲苯的摩尔分数，结合式(2)计算得到与甲苯混合的PRF燃料的辛烷值，式(3)～(5)则分别计算出TPRF中的异辛烷、正庚烷和甲苯的体积分数．依据上述方式制备了3种(RON＝75)不同的敏感性(＝0、3.6、5.3)的TPRF燃料，燃料组分如表2所示．

表2 不同敏感性的TPRF燃料的组成及比例

Tab.2 Composition and proportion of TPRF fuels with different sensitivities

1.3 低负荷循环变动的表征

在每个工况点连续采集200个循环的缸内压力数据，重复3次，利用燃烧分析系统进行离线燃烧分析．采用指示平均压力的循环波动系数(COVIMEP)[19]来评估发动机燃烧稳定性．

IMEP的标准方差为

IMEP的循环波动系数为

SOI为喷油时刻，定义CA10、CA50、CA90分别为累计放热量达到循环总放热量10%、50%和90%的曲轴转角，以CA10作为高温着火时刻，CA50为燃烧相位，CA90－CA10作为燃烧持续时间，CD*＝CA50－SOI为燃烧延迟，表示喷油时刻到燃烧相位的持续曲轴转角，CD*越大，意味着燃烧实际的油气局部混合强度更接近整体混合强度，缸内不同区域的混合强度变化更小，说明燃油与空气混合更好[2]．

以燃料化学能转换为指示功i的能量转换效 率[20]指示热效率表征各循环的能量转换程度，其计算式为

式中：b为单缸每循环燃油消耗量；u为燃油的低 热值．

2 数值模拟及验证

基于三维仿真软件CONVERGE对该单缸机建立三维计算模型．基于LES模拟的湍流模型模拟缸内湍流运动，采用Kelvin Helmholtz-Rayleigh Taylor (KH-RT)和O’Rourke、Wall film模型模拟喷雾破碎、碰撞和撞壁，采用化学动力学模型SAGE模拟燃烧过程，选取机理为Liu等[21]开发的TPRF化学动力学机理．该TPRF骨架模型由56种组分和168种反应组成，用于描述汽油替代燃料的氧化和燃烧特性．与其他模型相比，在重要物种演化方面进行了改进(特别是低温燃烧特性)，在保持对点火延迟期、层流火焰传播精度的同时，大幅降低物种和反应数量，提高了计算效率．该机理已经在不同反应器的试验测量中验证了其预测结果的可靠性．

为保证精确模拟，采用4mm的基础网格，进气道和燃烧室进行2层固定加密，最小网格1mm，喷油器喷嘴进行3层固定加密，最小网格0.5mm，同时利用自适应网格加密策略对温度和流速进行加密以更准确地捕捉流场变化，最大网格数共约200000个，计算网格如图1所示．采用连续循环方法，模拟了＝0和＝5.3燃料的16个循环(模拟时间设置为-360°～11160°CA ATDC)的燃烧过程．表3为根据试验条件设定的数值模拟边界条件．

表3 数值模拟边界条件

Tab.3 Boundary conditions for numerical simulations

图2为数值模拟15个循环(除去首循环以降低初始条件的影响)＝0燃料和＝5.3燃料的缸内压力和放热率．SOI＝-25°CA ATDC，in＝20℃，in＝0.1MPa．图中绿色实线代表选定工况下重复3次试验采集(每次200个循环)的试验结果平均值，红色点划线和蓝色短划线分别代表＝0燃料和＝5.3燃料的15个循环模拟数据．数值模拟的缸压数据与试验数据吻合良好，放热率峰值略高，但放热相位能够较好地对应试验测量值且存在着循环波动，表明模型基本能够预测两种燃料的燃烧过程．

图2 S＝0和S＝5.3燃料的模拟与试验对比

3 试验结果及分析

3.1 辛烷值敏感性对燃烧稳定性的影响

图3是转速＝800r/min，进气温度in＝20℃，喷油时刻SOI＝-25°CA ATDC时，燃用不同辛烷值敏感性燃料的指示平均压力IMEP、燃烧延迟CD*的变动情况．可以看出，在选定工况下，COVIMEP随着辛烷值敏感性增大而增大，燃烧稳定性降低．＝0燃料的整个燃烧过程最为稳定，COVIMEP为8.99%，燃烧延迟CD*为29.9°CA．正庚烷、异辛烷、甲苯的沸点分别为98℃、99℃、111℃，随着敏感性增加，甲苯比例增大，燃料挥发性变得更弱．由于＝0燃料的甲苯含量为0，挥发性强，油气混合质量好，燃烧更充分，可以保持较稳定的着火和燃烧；随着敏感性的增加，＝3.6燃料的COVIMEP上升至9.34%，CD*为28.8°CA，因为所含甲苯增多，挥发性变弱，油气混合变差，自燃着火特性差，燃烧变得不如＝0的燃料稳定；敏感性进一步增加，＝5.3燃料的COVIMEP增大到10.69%，CD*减小为28.2°CA，由于甲苯含量最高，自燃特性更差，燃烧反应时刻推迟，过浓混合气燃烧更不完全，出现明显的不稳定着火和燃烧过程．

（a）S＝0

3.2 混合气分布对燃烧稳定性的影响

为探明＝5.3燃料燃烧更不稳定的产生原因，选取＝0与＝5.3燃料对比分析混合气均匀性对高温燃烧稳定性的影响机制．图4为＝0和＝5.3燃料三维模拟15个循环的指示平均压力IMEP和COVIMEP对比．可以看出，＝5.3燃料由于甲苯添加自燃特性变差，高温着火相位推迟，导致发动机在膨胀冲程释放热量比例更大，整体IMEP更高(循环平均IMEP相差0.02MPa)．模拟计算的循环变动比试验测量值略小，但模拟数据很好地预测了敏感性对循环变动的影响，＝5.3的COVIMEP为5.5%，比＝0(COVIMEP为3.3%)更大，燃烧更不稳定．

根据平均指示压力的大小选取＝0燃料的最大IMEP循环8#和最小IMEP循环10#，5.3燃料的最大IMEP循环5#和最小IMEP循环6#作为代表循环进行分析．图5表示上述4个循环的高温着火时刻(CA10)前后的混合气分布和高温燃烧状况，利用当量比表征混合气分布、OH自由基的质量分数OH分布表征高温燃烧．

图4 不同辛烷值敏感性燃料的IMEP和COVIMEP对比

＝0燃料挥发性强，高温着火前缸内燃油扩散较快．＝0燃料的两个循环在混合气中心区域的浓区范围较小，高温自燃首先出现在当量比≈1的近中心区域，随后向混合气外围的燃油稀薄区(≈0.5～1.0)发展，高温燃烧可向外扩展的空间大且速度很快，在很短时间内(0°～2°CA ATDC)发展到混合气边界，使得大部分燃油参与了高温燃烧过程，燃烧完全性很高，循环8#比循环10#混合气分布范围更大，高温燃烧范围更广；＝5.3燃料由于甲苯组分较高(体积分数29.2%)，挥发性差，高温着火前的缸内燃油喷雾来不及扩散．＝5.3燃料的循环5#的混合气较均匀，与＝0燃料的两个循环有类似的着火和燃烧发展过程；而循环6#混合气不均匀，燃油浓区的范围大，高温自燃出现区域的≈1，但在近混合气外围的区域，这导致了高温燃烧向混合气外围稀薄燃油区域扩展的空间更小，参与高温燃烧的燃油更少，燃烧完全性降低，与循环5#的高温燃烧产生明显差异．

图5 S＝0和S＝5.3燃料的不同循环的j、yOH分布图

图6表示＝0和＝5.3燃料的各循环高温燃烧的指示热效率及燃烧持续时间．可以看到，两种燃料不同循环的燃烧持续时间及指示热效率有明显差距．除个别循环外，＝0比＝5.3燃料的燃烧持续时间更短(循环平均燃烧持续时间相差3°CA)，指示热效率更高(循环平均指示热效率相差1.8%)，这是因为＝0燃料的燃油与空气混合得更好，有利于火焰的快速传播，燃烧放热速率更快[3]，缩短了燃烧持续时间；快速燃烧使主燃烧相位CA50更接近上止点，燃烧等容度高，增加了指示热效率．通过燃料＝5.3燃料的循环5#与循环6#的燃烧持续时间和指示热效率对比可以看出，循环间的混合气均匀性差异使高温燃烧过程呈现较大差别．

图6 S＝0和S＝5.3燃料的各循环指示热效率及燃烧持续时间对比

由上述可知，混合气分布规律与高温自燃出现位置、高温燃烧发展方向及边界、参与高温燃烧的燃油量都有直接关系．与＝0相比，＝5.3燃料循环间的混合气均匀性变动更大，这导致了＝5.3燃料各个循环的高温燃烧状况差距更大，燃烧稳定性更差．

3.3 低温放热对于燃烧稳定性的影响

低温放热(LTHR)通常会导致缸内压力、温度的小幅度提升，在高温着火时刻前改变缸内混合气分布规律，进而影响燃烧稳定性．为研究低温放热对混合气分布影响而导致的燃烧稳定性变化，对缸内低温放热阶段进行进一步探究．选取放热量为0.2J/(°CA)对应的曲轴转角为低温着火时刻[22]，利用Vuil-leumier等[23]提出的基于放热率导数的方法确定低温放热结束时刻，将区间内低温放热率的积分值作为低温放热量，计算得到每循环低温放热量占总放热量的比例．

图7和图8分别表示＝0和＝5.3燃料的各循环低温放热率和低温放热比例．可以看出，＝5.3的低温放热率比＝0更高，低温放热比例更大(＝5.3的平均低温放热比例为0.82%，＝0的为0.77%)，这是因为正庚烷是低温反应放热和“负温度系数”(NTC)特性的主要来源，随着敏感性增加，正庚烷比例增大(＝5.3正庚烷体积分数33.5%，＝0正庚烷体积分数25%)，使得低温放热比例增大，NTC区域更明显．对比＝5.3各个循环，低温放热量与高温燃烧情况并非线性相关，＝5.3的循环7#的低温放热比例(0.94%)比循环#6(0.77%)和循环5# (0.58%)大，而其IMEP(0.232MPa)比循环6#的

图7 S＝0和S＝5.3燃料的低温放热率对比

图8 S＝0和S＝5.3燃料的各循环低温放热比例对比

IMEP(0.205MPa)大，而比循环5#的(0.26MPa)小，这说明循环7#的高温燃烧完全程度介于循环5#和循环6#之间，考虑第3.2节所述的高温着火时刻的混合气均匀性与高温燃烧的关联，低温放热对高温着火时的混合气均匀性可能有直接影响，进而影响了高温燃烧状况．

图9 S＝0和S＝5.3燃料不同循环的j、和缸内温度分布

低温放热可以通过提升缸内温度改变高温着火时的混合气均匀性，进而影响了高温燃烧的稳定性.＝5.3燃料在汽油压燃模式下的低温放热率比＝0更高，部分循环由于低温放热的升温作用，高温着火时刻的混合气变得更均匀，一定程度上可以增加高温燃烧的稳定性，但由于挥发性不及＝0燃料，整体混合气均匀性的循环变动更大，此外，低温放热比例循环变动更大，并非所有循环混合气均匀性都被明显改善，高温燃烧的稳定性仍比＝0更差．

4 结 论

为了探明辛烷值敏感性对GCI发动机低负荷燃烧稳定性的影响，制备了辛烷值相同而敏感性不同的燃料(其中RON＝75，＝0～5.3)，结合一台单缸试验机进行了燃烧试验和多循环大涡模拟研究．

(1) 辛烷值敏感性会显著影响GCI发动机燃烧稳定性．随着辛烷值敏感性增加，燃烧稳定性降低，辛烷值敏感性＝5.3燃料的COVIMEP最高，燃烧过程最不稳定．

(2) 高温着火时的混合气均匀性会直接影响燃烧特性，混合气越均匀的循环，参与高温燃烧的混合气越多，具有更高的爆发压力和指示平均压力；＝5.3燃料甲苯含量最高，挥发性差，混合气分布的循环变动更大．

(3) 高辛烷值敏感性的燃料由于正庚烷比例增加具有更明显的焰前放热，低温冷焰导致缸内平均温度小幅度升高会改善高温着火时刻的混合气均匀性，一定程度增加高温燃烧稳定性，但由于低温放热的循环变动更大，部分循环的混合气均匀性改善效果不明显．＝5.3燃料的低温放热比例和混合气均匀性的循环变动更大是其燃烧过程最不稳定的原因．

(4) 为了更好地适应高敏感性燃料，应采取如适当提前喷油时刻、增大喷油压力、增大低温放热等措施，增加高温着火时刻的混合气均匀性，以改善GCI发动机低负荷燃烧稳定性．

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Effects of Octane Sensitivity on Low Load Combustion Stability of Gasoline Compression Ignition Engines

Wei Haiqiao1，Zhang Fuqiang1，Zhang Shaodong2，Jia Demin2，Li Wei2，Pan Jiaying1

(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261041，China)

The effect of octane sensitivity on the combustion stability of gasoline compression ignition(GCI)engines was investigated using both single-cylinder engine tests and multicycle large-eddy simulations with fuels that have the same octane number but different sensitivities. The results show that the octane sensitivity significantly affects the combustion stability，and the combustion stability decreases as the octane sensitivity of the fuel increase. In addition，the more homogeneous the oil-gas mixture is at high ignition temperatures，the more the mixture is involved in high-temperature combustion，and the more complete is the combustion. The fuel with an octane sensitivity of 5.3 has a relatively high low-temperature heat release rate. The low-temperature cold flame slightly increases the temperature to improve the mixture homogeneity，but the cyclic variation of low-temperature heat release is high，resulting in an insignificant improvement of the mixture homogeneity in some cycles. Therefore，the cyclic variation of the low-temperature heat release ratio of the fuel and the cyclic variation of mixture homogeneity at high ignition temperatures primarily causes combustion instability in GCI engines.

octane sensitivity；gasoline compression ignition；combustion stability；low-temperature heat release

10.11784/tdxbz202107023

TK421.2

A

0493-2137(2022)08-0867-09

2021-07-12；

2021-08-12.

卫海桥（1974—  ），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

潘家营，jypan@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(52076149，51825603).

the National Natural Science Foundation of China(No. 52076149，No. 51825603).

(责任编辑：金顺爱)