聚甲氧基二甲醚/汽油双燃料火花辅助压燃燃烧和排放特性研究

赵廷钰，夏淳，方俊华，黄震

（上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240）

0 概述

中国乘用车销量占汽车总销量的80%以上，点燃式发动机作为乘用车的主流动力，其热效率的提升对我国实现“碳达峰、碳中和”的战略目标具有重要意义。节气门所造成的泵气损失是点燃式发动机热效率较低的主要原因之一［1］。虽然汽油稀薄燃烧在一定程度上可以解决这一问题，但高稀薄混合气环境下火焰传播困难。而压燃主要依靠燃料自燃，受火焰传播过程影响较小。传统汽油机由于压缩比较低，在无点火源的情况下燃料很难起燃，利用火花点火实现压燃的方式被称为火花辅助压燃（spark assisted compression ignition，SACI），是一种通过火花塞提高缸内温度和压力从而在压缩末端实现缸内混合气自燃的燃烧模式［2-4］。SACI燃烧可以在相对较低的压缩比下实现，文献［5］中研究表明，在一台压缩比为12.42的发动机上，以汽油为燃料的SACI燃烧相比点燃模式热效率提高了30%。同时SACI能够实现当量比燃烧，可以充分发挥汽油机三元催化的作用来对气体排放进行控制［6］，是一种适合汽油机的压缩着火模式。

SACI燃烧同时存在燃料自燃和火焰传播的放热过程，其反应进程在一定程度上受反应动力学控制，因而存在爆震和燃烧控制的问题。控制SACI燃烧的关键在于燃料自燃比例及火焰传播，点火时刻、喷射策略和废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）等手段都是实现这一目标的重要手段。文献［7］中研究了影响SACI燃烧相位变化的主要因素，结果表明SACI的燃烧相位和燃烧持续期主要受未燃状态下的混合气温度和点火正时影响，点火正时的提前会导致由火焰传播所产生的放热比例增加，较低的混合气温度需要提前点火来促进燃料自燃。文献［8］中研究表明提前点火不仅改变了SACI燃烧剩余燃料的质量，同时改变了其热量和混合气当量比的分布，使得后续反应放热率降低。文献［9］中研究了SACI燃烧在不同进气温度和点火正时的变化，结果表明SACI燃烧的循环变动主要由压燃过程产生，点火通过增加火焰传播的放热过程所占比例，起到了稳定燃烧的作用。文献［10］中研究了喷射策略对SACI燃烧的影响，结果表明，相比单次喷射，两次喷射改善了缸内混合气分布，降低了缸内温度，发动机效率显著上升。文献［11］中研究表明，大比例的二次喷射对爆震的抑制效果更明显，二次喷射可以结合更大的点火提前角，从而降低发动机循环变动并提升热效率。

相比单燃料的多段喷射，基于双喷系统的双燃料SACI能够对缸内混合气分布实现更大程度的调节从而控制燃烧。文献［12］中研究了基于双喷系统的正庚烷/甲烷SACI燃烧，结果表明混合气的反应活性越高，燃料自燃过程越趋于稳定，较高的反应活性会导致发动机爆震，爆震强度由燃料自燃的峰值放热率决定，可以通过燃料分配调节。在部分预混的条件下，双燃料SACI可以基于两种燃料性质的差异来实现对燃烧进程的控制，少量高活性直喷燃料在点火控制下能够在特定时刻实现起燃［13］。文献［14］中研究了二甲醚/汽油的火花引燃放热过程，结果表明通过控制二甲醚喷射和点火可以实现单峰放热和三阶段放热之间的转变。

聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）具有低碳、十六烷值高、含氧量高等优点，其分子结构没有C—C键，能在生命周期内实现零碳循环，是一种新兴清洁燃料［15］。近年来PODE作为直喷燃料，常被用在PODE/汽油双燃料压燃研究中。在压燃过程中存在从PODE向汽油的扩散燃烧，晚喷有助于形成PODE在汽油混合气中的浓度梯度，可以促进燃烧的完全进行［16-18］。文献［19］中研究表明，PODE在压缩比为9.2的情况下可实现稳定的SACI燃烧，证明了其拥有作为高活性燃料实现SACI燃烧的潜质。PODE/汽油双燃料SACI将PODE作为直喷燃料能够实现合适的浓度分层，有潜力在较低的压缩比下实现高效的压燃燃烧并通过控制点火及进气温度等实现对燃烧进程的控制。PODE作为双燃料燃烧的直喷燃料还可降低颗粒物排放，改善燃烧，提高发动机效率［20-23］。文献［24］中建立了柴油/PODE双燃料的反应机理模型，结果表明掺混PODE增强了预混燃烧过程和燃料整体含氧量，缸内燃烧温度升高，促进了颗粒物的氧化。文献［25］研究表明，相比甲醇/柴油，甲醇/PODE反应活性控制压燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）的滞燃期和燃烧持续期缩短，燃烧效率提高了3.5%。由于PODE更高的挥发性和反应活性，PODE/汽油双燃料相比PODE/柴油双燃料能够有效降低RCCI的循环变动［26］。文献［27］中研究结果表明PODE有着向高负荷扩展的潜力，较高的PODE比例可以延长燃烧持续期，抑制压升率的上升。

综上所述，PODE/汽油双燃料SACI燃烧是提高点燃式发动机热效率的有效途径，而直喷策略、进气温度和点火正时等对PODE/汽油双燃料SACI燃烧与排放性能具有重要影响。采用合适的控制策略是实现对双燃料SACI燃烧控制和充分发挥SACI燃烧在效率和排放上优势的关键。本研究中基于实验室自主开发的双喷射控制系统和试验台架，通过更换活塞将发动机压缩比提高至13来实现SACI燃烧，深入研究了直喷正时、进气温度和点火正时等对PODE/汽油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响，为实现点燃式发动机高效清洁的燃烧提供参考。

1 试验装置与方法

试验发动机由一台压缩比为10的缸内直喷发动机改装而来，直喷喷油器为BOSCH高压6孔喷嘴，最大喷油压力为15 MPa，通过重新设计进气歧管来加装一套进气道低压喷射装置，进气道喷嘴为BOSCH低压4孔喷嘴，其喷射方向为进气门座。通过增加活塞厚度，将发动机压缩比提升至13。改造后的试验发动机具体参数如表1所示。本文中曲轴转角为负表示上止点前，曲轴转角为正表示上止点后。

表1 试验发动机基本参数

图1为试验测试系统的示意图。发动机与电力测功机相连来获取转速和转矩。发动机控制系统是基于Pi Innovo公司的OpenECU自主搭建的，能够同时精确控制8个喷嘴的喷油量和喷射时刻，实现对发动机转矩的控制。KISTLER的6125C缸压传感器被装在气缸内部用来获取缸内压力信号，所得信号连同由发动机曲轴传感器获取的曲轴信号一同被导入KISTLER Kibox燃烧分析仪，计算200个循环的数据得到燃烧的放热率和燃烧参数。发动机颗粒物排放由Cambustion公司的DMS500快速颗粒分析仪测量，DMS500由采样系统和两级稀释组成，可以得到瞬态的颗粒物粒径分布状况。HORIBA公司的Mexa7500EGR气体分析仪被用来测量发动机三元催化前的气体排放，它包含了不分光红外线吸收型分析仪、氢火焰离子分析仪、化学发光分析仪和磁气压法分析仪等部件，可以分别测量尾气中CO/CO2、THC、NOx和O2等组分的含量。

图1 试验测试系统示意图

试验中使用辛烷值（research octane number，RON）为92的汽油作为进气道燃料，PODE作为直喷燃料。PODE是一种聚合物，分子式为CH3O（CH2O）nCH3，n代表了其聚合度。试验用PODE为PODE3和PODE4的混合物，燃料具体性质如表2所示。试验过程中保持节气门全开，通过控制喷油量来实现对发动机负荷的控制，试验选定转速为1 600 r/min，平均有效压力（brake mean effective pressure，BMEP）为0.4 MPa，进气道喷射时刻固定为上止点前350°。试验研究直喷策略、进气温度和点火正时对PODE/汽油双燃料SACI燃烧特性的影响，具体的试验工况如表3所示。在整个试验过程中，保持冷却水温度为（90±2）℃。为了保证试验数据的准确性和可靠性，在每个测试点，发动机稳定运行2 min后进行测量。燃烧分析仪每个测试点记录200个循环的缸内压力数据取平均值进行分析，采样间隔为0.5°。DMS500从三元催化器后取气进行测量，连续测量1 min取平均值用于后续分析。HORIBA从三元催化器前取气进行测量，连续记录各气体排放30 s，取平均值用于后续分析。

表2 汽油和PODE主要特性参数

表3 试验主要控制参数

分别将CA10、CA50和CA90定义为燃料累计放热量达到10%、50%和90%所对应的曲轴转角。将CA10至CA50之间所对应的曲轴转角定义为急燃期，CA50至CA90之间所对应的曲轴转角定义为缓燃期，CA10至CA90之间所对应的曲轴转角定义为整体燃烧持续期。

本试验中直喷比例RDI按直喷燃料质量与燃料总质量之比来计算，如式（1）所示。

式中，mDI为直喷（direct injection，DI）燃料质量，kg；mtotal为总燃料质量，kg。

本试验中用有效热效率（brake thermal efficiency，BTE）来表征发动机效率，其计算公式如式（2）所示。

式中，nE为发动机转速，r/min；Vs为发动机排量，L；pe为平均有效压力，MPa；mPFI为进气道燃油消耗量，kg/h；hPFI为进气道燃料低热值，kJ/kg；hDI为直喷燃料低热值，kJ/kg。

2 试验结果分析

2.1 直喷策略对双燃料SACI燃烧和排放的影响

图2为不同直喷比例下直喷正时对发动机缸压的影响，发动机点火正时和进气温度分别固定为-20°和60℃。节气门全开时同一转速下进气量固定，较高的直喷比例能够保证PODE在接近均质混合气的情况下仍能稳定燃烧，从而拓展直喷正时的范围，所选工况下直喷比例60%和80%对应的可稳定运行的最大直喷正时分别为-70°和-100°。双燃料的燃烧模式主要由直喷燃料的喷射正时决定［28-30］。根据直喷正时的不同，发动机存在3种不同的燃烧模式，如图3所示。

图2 不同直喷比例下直喷正时对发动机缸压的影响

图3 直喷正时对发动机燃烧模式的影响

燃烧模式Ⅰ的工况条件为直喷正时晚于-30°。该模式下部分PODE浓混合气在点火的帮助下首先起燃，使得剩余燃料随着燃烧的进行相继达到起燃条件实现自燃，燃烧过程同时存在燃料自燃和火焰传播的放热过程。由于汽油和PODE自燃所需温度压力条件和火焰传播速度存在较大差异，在后续自燃放热过程中汽油和PODE放热阶段出现分离，表现为多段连续放热。同时随着直喷正时的提前，缸内压力呈上升趋势。受直喷正时的影响，汽油的放热过程可能会出现以火焰传播为主，也可能以燃料自燃为主。这是因为此阶段直喷正时和点火正时间隔较小，点火会对放热进程产生一定影响。直喷正时为-20°时直喷喷油在点火后，点火对PODE的起燃没有影响，整体燃烧相位滞后。直喷正时为-30°时，喷油时刻在点火之前且与点火时刻仅间隔10°，促使了部分PODE更早地起燃，压缩冲程的大量放热使缸内压力升高，为后续燃烧过程中燃料的自燃提供了良好的环境。

燃烧模式Ⅱ的工况条件为直喷正时在-30°～-80°范围内。在该模式下随着直喷正时的提前，燃料的起燃变得困难，初始放热阶段起燃的燃料比例降低，出现明显的低温放热过程，且随着直喷正时的提前和后续高温放热阶段逐渐分离。发动机燃烧模式属于准均质压燃模式并逐渐向均质压燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）模式转变。在低温放热阶段燃料会积累活性自由基并提高缸内温度，同时PODE和汽油在缸内混合得更加均匀，使得在高温放热阶段二者整体性更强，逐渐转变为单峰放热。直喷正时的提前造成的燃烧进程的变化使得发动机主要放热在上止点后进行，发动机负功降低，同时高温放热阶段放热率峰值下降，这使得发动机缸压下降。

燃烧模式Ⅲ的工况条件为直喷正时在-80°之前。该模式下PODE和汽油在缸内充分混合，呈现出典型的均质压燃放热曲线，发动机可以被认为处于HCCI模式下。随着直喷正时的提前，HCCI模式下燃烧受其他控制参数影响减弱，低温放热和高温放热之间的延迟变长。更长时间的温升和自由基积累使得燃烧更加剧烈，高温放热阶段放热率峰值呈上升趋势。但由于放热主要在活塞下行阶段且相位比较滞后，总体上，随着直喷正时的提前，缸压呈下降趋势。

图4为不同直喷比例下直喷正时对发动机燃烧相位的影响。直喷正时从-20°提前到-30°，在火花点火的帮助下，直喷比例60%和80%的起燃时刻均提前了接近10°，而随着直喷正时的进一步提前，发动机起燃时刻显著滞后。总体上，随着直喷正时的提前，发动机滞燃期呈上升趋势而燃烧持续期呈下降趋势。相邻工况间缓燃期的上升幅度大于急燃期的变化幅度，因而燃烧持续期的变化趋势与缓燃期类似。缓燃期放热主要受高温放热阶段速度的影响，随着直喷正时的提前，低温放热的出现为后续高温放热提供了良好的条件，促进了燃烧反应的快速进行，缓燃期呈明显下降趋势。对于急燃期来说，直喷正时早于-30°时连续的多段放热使得放热更加平缓，急燃期持续时间较长。但随着低温燃烧阶段的出现，放热集中在高温放热阶段进行，此阶段内急燃期显著下降。而随着燃烧模式转变为HCCI燃烧，由于HCCI模式下燃烧主要受动力学控制，急燃期变化幅度较小。

图4 不同直喷比例下直喷正时对燃烧相位的影响

图5所示为不同直喷比例下直喷正时对发动机排气颗粒物粒径分布的影响，其中N为颗粒物数量，Dp为颗粒物粒径，dN/dlogDp为不同粒径颗粒物的数量浓度分布。受益于PODE独特的分子结构，与传统缸内直喷发动机相比（颗粒物数目在107～108数量级），PODE/汽油双燃料模式不同直喷策略下颗粒物均处于较低水平（颗粒物数目在106数量级），且绝大部分为不计入法规统计的挥发性核态颗粒物（小于23 nm）。双喷系统对降低颗粒物排放同样起到一定作用，由于颗粒物主要成分是燃烧中间产物和未燃烧的燃料，在较大直喷比例下，一方面由于PODE和汽油火焰传播速度的差异，使得二者燃烧相对分离，未燃烧燃料比例上升，另一方面直喷预混程度下降，更多的直喷喷油量增加了喷到活塞顶部的概率，总体颗粒物排放水平高于低直喷比例。不同控制策略下均较低的颗粒物排放是PODE/汽油双燃料火花辅助压燃的优势之一。

图5 不同直喷比例下直喷正时对颗粒物粒径分布的影响

图6为不同直喷比例下直喷正时对发动机热效率的影响。不同直喷比例下发动机热效率随着直喷正时的改变有着相同的变化趋势，随着直喷正时的提前，发动机热效率先升高后降低。这是因为一方面随着燃烧模式逐渐转变为低温燃烧，传热损失降低同时燃烧相位滞后，发动机负功降低，有利于发动机热效率的上升；但另一方面，压缩比为13的工况下较早的直喷正时会导致不完全燃烧的增加甚至失火。随着直喷正时的提前，直喷比例60%和80%热效率最大值相比最小值分别上升了22.4%和8.0%。当两种燃料比例相近时，汽油的燃烧受到了PODE的起燃时刻和燃烧进程的显著影响，热效率上升更加明显。随着直喷比例的升高，发动机最佳效率点所对应的直喷正时提前。

图6 不同直喷比例下直喷正时对热效率的影响

图7所示为不同直喷比例下直喷正时对发动机气体排放的影响。随着直喷正时的提前，燃烧模式Ⅰ放热过程中燃料自燃占比上升，促进了燃烧的完全进行和缸内温度的上升。直喷正时从-20°提前到-30°时，直喷比例为60%和80%的THC排放分别降低了66%和60%，CO排放分别降低了56%和50%，NOx排放则分别增长了99%和177%。当发动机开始出现低温放热，随着直喷正时的提前，NOx排放先显著下降，当燃烧模式转变为HCCI后缓慢下降，CO排放呈小幅下降趋势，THC排放却呈小幅上升趋势。这是因为NOx排放受温度影响显著，当发动机燃烧模式转变为HCCI燃烧时，由于HCCI燃烧属于低温燃烧，NOx排放出现大幅下降，而随着直喷正时的进一步提前，此时发动机NOx排放已经处于极低水平，NOx排放变化幅度较小。HCCI模式下高温放热阶段峰值放热率随着直喷正时的提前呈小幅上升趋势，良好的高温放热促进了部分THC和CO的氧化，CO排放小幅下降。但更加均匀的混合气分布和较低的缸内平均温度抑制了PODE的起燃，未燃烧的燃料比例增加。总体上THC排放呈上升趋势，且在较低直喷比例时上升幅度更加明显。

图7 不同直喷比例下直喷正时对气体排放的影响

2.2 进气温度对双燃料SACI燃烧和排放的影响

图8所示为不同直喷正时下进气温度（Tin）对发动机缸压和放热率的影响，所选直喷正时分别处于燃烧模式Ⅰ和燃烧模式Ⅱ，发动机直喷比例和点火正时分别固定为60%和-16°。随着进气温度的上升，两种燃烧模式下发动机的燃烧均变得更加剧烈，具体表现为整体燃烧相位前移，缸压峰值和放热率峰值上升。随着进气温度的上升，燃烧模式Ⅰ（直喷正时-30°）由单峰放热转变为双峰放热。进气温度为40℃时，初始起燃的燃料比例较低，使得剩余燃料达到自燃条件的时刻推迟，PODE和汽油后续放热过程比较统一，整体呈单峰放热。而随着进气温度的升高，PODE能够更早地起燃但汽油需要更高的温度和压力，二者放热过程分离，转变为连续的双峰放热。燃烧模式Ⅱ（直喷正时-60°）时发动机存在低温放热阶段，低温放热阶段与高温放热阶段之间间隔较小。随着进气温度的上升，发动机仅发生燃烧相位的变化，仍然保持两阶段放热，且低温放热阶段逐渐和高温放热阶段分离。不同进气温度下低温放热阶段放热率峰值基本一致，提高进气温度有利于缸内温度升高和活性自由基的积累，因此高温放热阶段峰值放热率显著上升。

图8 不同直喷正时下进气温度对缸压和放热率的影响

图9所示为不同直喷正时下进气温度对燃烧相位的影响。随着进气温度上升至80℃，在直喷正时为-30°和-60°时滞燃期分别缩短了2.0°和5.7°，急燃期分别缩短了1.6°和4.3°，进气温度对燃烧模式Ⅱ的影响更加明显。随着燃烧模式更接近HCCI燃烧，提高进气温度能够帮助燃料更早地起燃和完成进行高温反应前的活性自由基积累。相比PODE，汽油的放热时刻较晚，因此缓燃期主要受汽油放热的影响。随着进气温度的上升，直喷正时为-30°时缓燃期缩短了4.0°，但直喷正时为-60°时缓燃期反而延长了0.6°，这是不同直喷正时下燃烧模式不同造成的。燃烧模式Ⅰ（直喷正时-30°）在较低的进气温度下发动机呈单峰放热。随着进气温度的上升，汽油自燃倾向增加，放热曲线出现新的放热峰，发动机燃烧更加剧烈，因此缓燃期呈下降趋势。而燃烧模式Ⅱ（直喷正时-60°）汽油和PODE集中在高温放热阶段放热，由于PODE和汽油反应速率的差异，更高的进气温度会使得PODE更快地被消耗，缓燃期的汽油放热比例上升，从而使得缓燃期小幅延长。综合急燃期和缓燃期的变化，随着双燃料SACI燃烧模式接近HCCI燃烧，过高的进气温度会使得总的燃烧持续期缩短从而让发动机燃烧变得剧烈，可能会导致压升率过高从而对发动机造成损伤。

图9 不同直喷正时下进气温度对燃烧相位的影响

图10所示为不同直喷正时下进气温度对颗粒物粒径分布的影响。排气颗粒物以核态颗粒物为主，直喷正时为-60°，发动机在40℃的进气温度下存在大量的不完全燃烧，颗粒物数目显著增加，此时提高进气温度使得颗粒物粒径峰值从107数量级下降至106数量级。直喷正时-30°时，进气温度从60℃上升到80℃，颗粒物数目反而上升了5.8×105个/cm3。这可能是缸内存在浓度分层时进气温度对燃料完全燃烧的促进作用在进气温度达到一定程度时开始衰弱，同时缩短的燃烧持续期没有为颗粒物氧化提供充足时间，颗粒物排放反而出现了上升。对于颗粒物排放而言存在最佳的进气温度，且随着直喷正时的提前，对应的最佳进气温度变高。

图10 不同直喷正时下进气温度对颗粒物粒径分布的影响

图11所示为不同直喷正时下进气温度对发动机热效率和气体排放的影响。所选工况相同直喷正时下，进气温度的升高促进了反应的完全进行，发动机热效率上升，但同时会导致发动机负功增加，因而热效率上升幅度逐渐降低，过高的进气温度反而可能使发动机效率下降。高进气温度可以使得发动机在更早的直喷正时稳定运行，拓展了直喷正时的范围，进气温度为80℃时能够在较低的直喷比例同时实现燃烧模式Ⅰ、燃烧模式Ⅱ和燃烧模式Ⅲ，而较低的进气温度只能实现燃烧模式Ⅰ和燃烧模式Ⅱ。进气温度为40℃、60℃和80℃时分别在-40°、-50°和-70°的直喷正时达到最佳热效率，且进气温度为80℃时的最佳热效率相比40℃和60℃的最佳热效率分别提升了11.7%和4.5%。HCCI燃烧由于燃烧温度低、传热损失小等优点拥有更高的热效率，合适的进气温度可以使得双燃料SACI的燃烧模式接近或处于燃烧模式Ⅲ（HCCI燃烧），从而提高发动机热效率。提高进气温度并不改变THC和CO排放随着直喷正时的变化趋势。相同的直喷正时下，CO和THC排放随着进气温度的升高呈明显的下降趋势。进气温度从40℃上升至60℃和进气温度从60℃上升到80℃的过程中，在直喷正时为-40°时CO排放分别下降了30%和53%，在直喷正时为-60°时分别下降了16%和56%。CO排放对进气温度的变化更为敏感，这是因为CO的氧化反应在高温环境下才能进行，较高的进气温度下CO排放下降幅度更加明显。提高进气温度虽然促进了NOx的生成，但可以使得发动机实现高效稳定的低温燃烧，在低温燃烧区内NOx排放在100×10-6以下。

图11 不同直喷正时下进气温度对热效率和气体排放的影响

2.3 点火正时和直喷正时的协同影响

基于过往的研究，点火正时（spark timing，ST）能够影响SACI燃烧的燃烧进程和燃烧相位，影响燃料的完全燃烧。对于试验发动机，火花塞是其原有配件。为了更好地实现对双燃料SACI燃烧的控制和降低因发动机压缩比较低导致的不完全燃烧，对不同直喷正时下火花点火对燃烧和排放的影响展开进一步研究。

图12所示为不同直喷正时下点火正时对发动机缸压和放热率的影响，发动机直喷比例和进气温度分别固定为60%和60℃。根据前文的研究，发动机在所选的两种直喷正时下处于不同的燃烧模式，为保证汽油在合适的燃烧相位放热，保持二者点火正时的可变范围基本一致。总体上较大的点火提前角促进了缸内压力的升高和整体燃烧相位的前移，但仅当直喷正时靠近上止点（-30°）时对燃烧进程产生了改变。直喷正时为-30°时，发动机没有明显的低温放热过程，在较晚的点火正时（-12°）下发动机呈连续的两段放热，直喷正时和点火正时的间隔随着点火正时的提前逐渐缩短，在一定的间隔窗口内（10°）发动机由两段放热转变为三段放热，总体放热过程更加平缓，放热率峰值下降。在合适的喷油—点火间隔窗口内，火花塞附近的部分PODE更早起燃，从而带动周围燃料进一步燃烧，选择合适的点火正时可以分配各阶段放热占比。当直喷正时提前到-60°时，发动机存在低温燃烧阶段，此时PODE进行了一定时间的预混，PODE的起燃主要由自身的理化性质决定。与直喷正时为-30°不同，此时点火正时的变化不改变整体燃烧进程和各阶段放热占比。较早的点火正时有利于缸内平均温度的上升，促进了燃料充分燃烧，使得峰值放热率呈上升趋势。

图12 不同直喷正时下点火正时对缸压和放热率的影响

图13所示为不同直喷正时下点火正时对发动机燃烧相位的影响。随着点火正时从-12°提前到-24°，直喷正时为-30°时起燃时刻提前了12°，急燃期延长了近8°，缓燃期仅延长了2°；而直喷正时为-60°时起燃时刻仅提前了2°，急燃期和缓燃期变化幅度则均在1°以内。当发动机燃烧模式接近HCCI燃烧时，点火正时的变化对双燃料压燃的燃烧相位影响较小，反应主要受燃料理化特性控制。而当直喷燃料没有时间进行充分预混时，由于所选直喷比例下汽油的放热量占比达到60%以上，要想达到总放热量的50%必须使汽油达到起燃温度，而点火影响的主要是燃烧初始阶段PODE的自燃放热，对汽油放热对应的相位变化影响较小。在滞燃期随着点火正时的提前而显著缩短的前提下，累计放热需要更久的时间达到总放热量的50%，燃烧急燃期显著延长，而缓燃期燃烧相位变化较小。

图13 不同直喷正时下点火正时对燃烧相位的影响

图14所示为直喷正时-30°和-60°下点火正时对发动机热效率和气体排放的影响。相同的点火正时变化区间内，更加完全的燃烧使得两种燃烧模式的热效率均随着点火正时的提前呈上升趋势。随着点火正时的提前，直喷正时为-30°和-60°时THC排放分别下降了29%和11%，CO排放分别下降了22%和15%。THC和CO排放的降低说明即使没有燃烧进程的改变，选定工况下更早的点火正时仍对发动机完全燃烧起到了较大的促进作用。随着双燃料燃烧接近HCCI，点火的影响逐渐减弱。当发动机存在明显的低温放热阶段时，随着点火正时的提前，NOx排放仅上升了4×10-6左右，而直喷正时为-30°时NOx排放则上升了151×10-6。在低温燃烧模式下，点火的提前并不会带来严重的NOx排放问题。

图14 不同直喷正时下点火正时对热效率和气体排放的影响

3 结论

（1）根据直喷正时的不同，PODE/汽油双燃料SACI存在3种不同的燃烧模式。燃烧模式Ⅰ是直喷正时晚于-30°，该模式下同时存在明显的燃料自燃和火焰传播的放热过程，表现为多段连续放热。燃烧模式Ⅱ是直喷正时在-30°～-80°之间，随着直喷正时的提前出现低温放热阶段，并与高温放热阶段逐渐分离，发动机燃烧模式逐渐向HCCI转变。燃烧模式Ⅲ是直喷正时进一步提前到-80°之前，此时发动机可以被认为处于HCCI模式下，呈现出典型的HCCI放热曲线。

（2）高的进气温度使得发动机能够在更早的直喷正时稳定运行从而提升热效率。进气温度为80℃时最佳热效率相比40℃时提高了11.3%，对应的直喷正时提前了30°。提高进气温度能够抑制THC和CO排放，尤其是高进气温度下，CO排放显著下降，但进气温度的变化对低温燃烧模式下的NOx影响较小。合适的进气温度可以使得双燃料SACI的燃烧模式接近或处于HCCI燃烧从而提高发动机热效率并降低排放。

（3）点火提前角的增加会缩短燃烧滞燃期，促进燃烧的完全进行从而提高热效率，并有效降低THC和CO排放。在一定的喷油—点火间隔内，点火正时能够通过改变初段放热占比来影响整体的燃烧进程。随着喷油—点火间隔的变大，点火正时对发动机燃烧进程的影响减弱。在较早的直喷正时下，点火正时对燃烧和排放的影响较小。

（4）由于较早的直喷正时发动机不完全燃烧比例显著增加，在合适的进气温度和点火正时下，发动机在燃烧模式Ⅱ（准均质压燃）下热效率最高，且实现THC和CO排放的下降。同时由于属于低温燃烧，能够实现极低的NOx和颗粒物排放。